von Ronja Gronemeyer

Wolken können richtig feiern!

Wolken kuscheln und ballen sich gerne zusammen! Um die Entstehung von Tropenstürmen zu verstehen, ist dieses Kuschelphänomen von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel frischt  Grundwissen über Konvektion auf, führt in faszinierende atmosphärische Phänomene ein und verrät, warum das Clustering von Wolken mit einer Cocktailparty verglichen werden kann…

Warum ist das Thema relevant?
Extremregen hat starke Auswirkungen auf die Menschen, wie wir im Sommer 2021 in Deutschland erlebt haben. Aufgrund des Klimawandels werden solche Ereignisse in den nächsten Jahrzehnten wahrscheinlich noch häufiger auftreten [1]. Das betrifft auch uns in Nordeuropa, aber andere Regionen sind bereits viel stärker betroffen:

Tropische Gewitter und tropische Wirbelstürme verursachen verheerende Winde und Überschwemmungen. Bis heute verstehen wir die Prozesse nicht, die zur Entstehung solcher Extremereignisse führen.

Die Arbeitsgruppe Komplexität und Klima des Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) Bremen nutzt vereinfachte Simulationen von konvektiven Wolken, um dieses Verständnis zu verbessern. Ein verbessertes Verständnis wird die Grundlage dafür sein, lokale Gemeinschaften in Zukunft vor den Auswirkungen von Tropenstürmen zu schützen.

Quelle: Pixabay

Eine Reise in die Tropen 

Auf geht’s in die Tropen! Nun, es wird eine imaginäre Reise sein, die wir von unserem Homescreen aus unternehmen können.

Willkommen in den Tropen, wir sind direkt am Äquator gelandet! Blaues Meer, lange Strände, heiße und feuchte Luft: Die Tropen sind ein ganz besonderes Umgebung: heiße, feuchte Luft und es wirkt (wenn man sich direkt am Äquator befindet) keine Corioliskraft. Der Coriolis-Effekt verursacht die Rotation von Stürmen und ist auf die Erdrotation zurückzuführen. Die Corioliskraft ist auf die Erdrotation zurückzuführen. Wir atmen nun die warme Luft ein, stellen fest, dass die Meeresoberfläche genau 26,85 Grad hat und schlendern ins Wasser.

Quelle: Pixabay

Was passiert in der Luft um uns herum?

Wenn Wärme durch die Bewegung von Luft oder einer anderen Flüssigkeit übertragen wird, spricht man von Konvektion (siehe Abbildung unten) [2].

Konvektionsprozess und die Entstehung eines Cold Pools

Zunächst steigt warme und feuchte Luft von der Meeresoberfläche auf. Die Luft kühlt sich in der oberen, kälteren und trockeneren Atmosphäre ab. Die kühlere Luft kann weniger Feuchtigkeit aufnehmen als die wärmere Luft in den unteren Schichten: Es bildet sich eine Niederschlagswolke. Wir bezeichnen diese Wolke als erste Regenzelle. Ein Teil des fallenden Regens (2) verdunstet wieder (3). Die Wiederverdunstung des Niederschlags bewirkt eine Abkühlung der umgebenden Luft durch Verdunstung. Durch die Abkühlung entsteht unter der Niederschlagswolke ein Volumen kälterer und damit dichterer Luft. Dieses Luftvolumen wird als Cold Pool bezeichnet (3).

 

Convective process and the development of a Cold Pool.

Verdunstungskühlung

Wenn Wasser verdunstet, wechselt es seine Phase von Flüssigkeit zu Gas. Um diesen Phasenübergang zu vollziehen, nimmt das Wasser Wärme auf und kühlt so die umgebende Luft ab. Dieses Phänomen wird als Verdunstungskühlung bezeichnet. Die Verdunstungskühlung wird für den Bau von Verdunstungskühlern als Klimaanlagen genutzt [mehr] .

Die Schwerkraft beschleunigt den Cold Pool nach unten, da die kältere Luft dichter ist als die umgebende tropische Luft. Wenn der Kältepool auf die Oberfläche trifft, breitet sich die kalte Luft radial entlang der Oberfläche aus. Durch diese Ausbreitung der Luft entsteht eine Böenfront, die sich mit hoher (Wind-)Geschwindigkeit ausbreitet. Normalerweise haben Kaltluftsümpfe einen relativ trockenen und kalten Kern, der den anfänglichen konvektiven Aufwind hemmt und “abschaltet” – fast wie ein konvektiver Selbstmord! Aber manchmal kann neue Konvektion an den Vorderkanten ausgelöst werden – oder wenn zwei Böenfronten zusammenstoßen…

Aufbau der Simulation

Um die Wirkung von Cold Pools in Simulationen nachzubilden, ist eine feine Auflösung erforderlich. Simulationen, die fein genug sind, um einzelne Regenzellen aufzulösen, werden als wolkenauflösende Modellsimulationen bezeichnet. Je feiner und komplexer eine Simulation ist, desto höher sind die Rechenkosten. Außerdem sind realistische Simulationen an sich schwer zu verstehen. Daher verwenden wir einen sehr vereinfachten Simulationsrahmen: Ein simulierter Experimentierkasten, in dem wir alle Bedingungen kontrollieren! Im Folgenden werden wir uns auf eine Auflösung von 1 km konzentrieren, da feinere Auflösungen keine qualitativen Unterschiede ergeben haben. Eine gröbere Auflösung spart Rechenkosten und Energie – sehr sinnvoll in der Klimaforschung! Um Randeffekte an den Domänenrändern zu vermeiden, versehen wir unseren Experimentierkasten mit doppelt periodischen Randbedingungen.

Gehirnverrenkung: Doppelt-periodische Randbedingungen

Der doppelt periodische quadratische Bereich ist nicht wirklich ein Quadrat! Der linke Rand ist mit dem rechten Rand des Gebiets verbunden und der obere Rand mit dem unteren Rand des Gebiets. Versuch es selbst: Zeichne ein Quadrat auf ein Blatt Papier und klebe die Kanten zusammen 🙂

Du wirst sehen: Das Quadrat ist eigentlich ein Donut! Der schwarze Kreis markiert damit zwei Teile, die zur gleichen Wolke gehören.

Details der Simulation: Wir simulieren ein 480 km x 480 km großes quadratisches Gebiet mit einer Auflösung von 1 km und sorgen für periodische Randbedingungen in beiden horizontalen Richtungen. Am Boden dieses Gebiets nehmen wir ein unendliches und homogenes Feuchtigkeitsreservoir an, wie über einer Meeresoberfläche. Diese Meeresoberfläche wird ständig auf 300 K geheizt.

Wir führen Simulationen in einem ‘radiativen konvektiven Gleichgewicht’ (Radiative Convective Equilibrium, RCE) durch. RCE bedeutet, dass die eingehende Sonnenstrahlung die ausgehende Wärmestrahlung in einem dynamischen Gleichgewicht balanciert ( zumindest für ausreichend große horizontale und zeitliche Skalen, 10³kmund Wochen). Diese globale Strahlungsbeschränkung begrenzt in etwa die mögliche Niederschlagsmenge in dem Gebiet. Dieses Gesamtangebot an Niederschlägen muss dann auf die verschiedenen Regenzellen aufgeteilt werden. RCE ist der einfachste mögliche Rahmen zur Untersuchung komplexer Phänomene in der Atmosphäre. Konvektive Selbstaggregation (CSA) ist eines dieser komplexen Phänomene.

CSA ist die spontane räumliche Organisation von Konvektion trotz einer homogenen Umgebung. Abb. CSA veranschaulicht die Aggregation von Wolken und Niederschlag im Verlauf einer RCE-Simulation. Was ist damit gemeint? Zu Beginn der Simulation sind die Wolken und der Niederschlag recht weit verteilt (Abb. CSA, 1). Mit der Zeit bilden sich trockene Flecken ohne Wolken und wachsen. Die Wolken werden zurückgedrängt und häufen sich mit der Zeit (Abb. CSA, 2, 3), bis im Endzustand (Abb. CSA, 4) Wolken und Niederschlag auf einen Punkt des Gebiets beschränkt sind. Warum sich Wolken auf diese Weise zusammenballen, ist noch nicht geklärt. Vielleicht kuscheln sie einfach gerne?

 

CSA: Clouds cluster together and rainfall is limited to a single region, as the simulations proceed.

Abb. CSA: Die Wolken ballen sich zusammen und der Niederschlag beschränkt sich auf eine einzige Region, während die Simulationen fortschreiten.

 

Kuschelwolken, Clustering und eine Cocktailparty vor in Vor-Covidzeiten

Lassen Sie uns eine Metapher verwenden, um diesen Aggregationsprozess zu veranschaulichen: Wir vergleichen die Konvektion mit Gesprächen auf einer Cocktailparty (vor der Covid-Zeit). Zu Beginn sind die Leute ziemlich gleichmäßig im Raum verteilt (Stufe 1). Alle sind schüchtern, niemand redet in der Anfangsphase. Aber es wird ein wenig laut. Bald beginnen lokale Unterhaltungen. Das überträgt sich auf unsere Simulationen: Konvektion setzt ein und es bilden sich Wolken. Wenn es eine gute Party ist, fangen die Leute an, sich mit den anderen um sie herum zu verbinden. Dann verschmelzen die Gespräche und die Gruppen schließen sich zusammen. Übertragen auf unsere Simulationen: Die Wolken bewegen sich aufeinander zu, verschmelzen und ballen sich (Stufe 2 und Stufe 3). In der letzten Phase feiern alle, die noch übrig sind, in einer Ecke des Raums. Die Party ist auf einen begrenzten Bereich beschränkt, aber wild und mit hoher Intensität!

Übertragen auf unsere Simulationen: Im Endzustand ist der Niederschlag auf ein kleines Gebiet beschränkt, wo es mit hoher Intensität regnet! Die Konvektion ist wild und nährt die eine große Wolke, die übrig bleibt. Theoretisch könnte das ewig so weitergehen – unter der Annahme einer unendlichen Energieversorgung für unsere Simulation (nicht für die Party).

Das Geheimnis von CSA und einer wilden Party

Niemand versteht vollständig, warum manche Partys wild werden und andere einfach nicht. Ebenso kann die Forschung noch nicht vollständig beantworten, welche Prozesse CSA antreiben. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass die konvektive Selbstaggregation von einer trockenen Stelle ohne Niederschlag oder Konvektion ausgeht. Es wird angenommen, dass diese anfängliche trockene Stelle durch Strahlung und Feuchtigkeitsrückkopplung wächst, bis der Niederschlag in einer einzigen verbleibenden Regenzelle lokalisiert ist. Es ist bekannt, dass CSA in Simulationen, die große Gebiete und grobe Auflösungen verwenden, bevorzugt wird. Bekannt ist:  Simulationen ohne Cold Pools aggregieren immer!

 

 

Was macht CSA so relevant?

Wiederum verursachen tropische Stürme zunehmende Schäden für lokale Gemeinschaften [ mehr]. Das Verständnis dieser Stürme ist von entscheidender Bedeutung, um Schaden in Zukunft zu verhindern. Die Entstehung von Tropenstürmen ist mit der Ansammlung von Konvektionswolken verbunden, die mit CSA in Zusammenhang stehen könnten. Ungeklärt ist der Einfluss von Cold Pools auf CSA. Es kann davon ausgegangen werden, dass Cold Pools eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Tropenstürmen und dem Prozess der CSA spielen.

Um die Rolle von Cold Pools bei CSA zu untersuchen, entfernen wir Cold Pools aus den Simulationen, indem wir die Wiederverdunstung von Niederschlägen ermöglichen. Die Ergebnisse dieses so genannten “Mechanism-denial-experiment” werden im zweiten Teil dieses Artikels vorgestellt.

 

Begleite uns wieder zum tropischen Meer! Wir werden unsere Party-Metapher um Covid-Beschränkungen erweitern und den Einfluss von Cold Pools auf CSA untersuchen…

 

Skizze eines tropischen Sturms, der hohe Windgeschwindigkeiten erreicht. Man kann sich leicht vorstellen, dass solche Stürme verheerende Zerstörungen und Überschwemmungen verursachen. Quelle: Pixabay

 

 

 

 

 

Quellenangaben:

Hauptquelle: Masterarbeit von Ronja Gronemeyer Thesis_Gronemeyer2021

[1] https://www.metoffice.gov.uk/research/climate/understanding-climate/global-extreme-events_tropical-storms

[2] https://www.britannica.com/science/convection