{"id":3300,"date":"2022-11-21T16:31:43","date_gmt":"2022-11-21T15:31:43","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=3300"},"modified":"2023-03-02T11:27:10","modified_gmt":"2023-03-02T10:27:10","slug":"tropical-storms-cuddling-clouds-and-cocktail-parties-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2022\/11\/21\/tropical-storms-cuddling-clouds-and-cocktail-parties-2\/","title":{"rendered":"Tropenst\u00fcrme, Kuschelwolken und Cocktailparties"},"content":{"rendered":"

von Ronja Gronemeyer<\/em><\/p>\n

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Wolken k\u00f6nnen richtig feiern!<\/em><\/p><\/div>\n

Wolken kuscheln und ballen sich gerne zusammen! Um die Entstehung von Tropenst\u00fcrmen zu verstehen, ist dieses Kuschelph\u00e4nomen von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel frischt\u00a0 Grundwissen \u00fcber Konvektion auf, f\u00fchrt in faszinierende atmosph\u00e4rische Ph\u00e4nomene ein und verr\u00e4t, warum das Clustering von Wolken mit einer Cocktailparty verglichen werden kann…<\/strong><\/p>\n

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Warum ist das Thema relevant?<\/strong>
\nExtremregen hat starke Auswirkungen auf die Menschen, wie wir im Sommer 2021 in Deutschland erlebt haben. Aufgrund des Klimawandels werden solche Ereignisse in den n\u00e4chsten Jahrzehnten wahrscheinlich noch h\u00e4ufiger auftreten [1]. Das betrifft auch uns in Nordeuropa, aber andere Regionen sind bereits viel st\u00e4rker betroffen:<\/p>\n

Tropische Gewitter und tropische Wirbelst\u00fcrme verursachen verheerende Winde und \u00dcberschwemmungen. Bis heute verstehen wir die Prozesse nicht, die zur Entstehung solcher Extremereignisse f\u00fchren.<\/p>\n

Die Arbeitsgruppe Komplexit\u00e4t und Klima<\/a> des Zentrums f\u00fcr Marine Tropenforschung (ZMT) Bremen nutzt vereinfachte Simulationen von konvektiven Wolken, um dieses Verst\u00e4ndnis zu verbessern. Ein verbessertes Verst\u00e4ndnis wird die Grundlage daf\u00fcr sein, lokale Gemeinschaften in Zukunft vor den Auswirkungen von Tropenst\u00fcrmen zu sch\u00fctzen.<\/p>\n

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Quelle: Pixabay<\/em><\/p><\/div>\n

Eine Reise in die Tropen\u00a0<\/strong><\/p>\n

Auf geht’s in die Tropen! Nun, es wird eine imagin\u00e4re Reise sein, die wir von unserem Homescreen aus unternehmen k\u00f6nnen.<\/p>\n

Willkommen in den Tropen, wir sind direkt am \u00c4quator gelandet! Blaues Meer, lange Str\u00e4nde, hei\u00dfe und feuchte Luft: Die Tropen sind ein ganz besonderes Umgebung: hei\u00dfe, feuchte Luft und es wirkt (wenn man sich direkt am \u00c4quator befindet) keine Corioliskraft. Der Coriolis-Effekt verursacht die Rotation von St\u00fcrmen und ist auf die Erdrotation zur\u00fcckzuf\u00fchren. Die Corioliskraft ist auf die Erdrotation zur\u00fcckzuf\u00fchren. Wir atmen nun die warme Luft ein, stellen fest, dass die Meeresoberfl\u00e4che genau 26,85 Grad hat und schlendern ins Wasser.<\/p>\n

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Quelle: Pixabay<\/em><\/p><\/div>\n

Was passiert in der Luft um uns herum?<\/strong><\/p>\n

Wenn W\u00e4rme durch die Bewegung von Luft oder einer anderen Fl\u00fcssigkeit \u00fcbertragen wird, spricht man von Konvektion (siehe Abbildung unten) [2].<\/p>\n

Konvektionsprozess und die Entstehung eines Cold Pools<\/strong><\/p>\n

Zun\u00e4chst steigt warme und feuchte Luft von der Meeresoberfl\u00e4che auf. Die Luft k\u00fchlt sich in der oberen, k\u00e4lteren und trockeneren Atmosph\u00e4re ab. Die k\u00fchlere Luft kann weniger Feuchtigkeit aufnehmen als die w\u00e4rmere 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 Abk\u00fchlung der umgebenden Luft durch Verdunstung. Durch die Abk\u00fchlung entsteht unter der Niederschlagswolke ein Volumen k\u00e4lterer und damit dichterer Luft. Dieses Luftvolumen wird als Cold Pool bezeichnet (3).<\/p>\n

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Convective process and the development of a Cold Pool.<\/em><\/p><\/div>\n

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Verdunstungsk\u00fchlung<\/strong><\/p>\n

Wenn Wasser verdunstet, wechselt es seine Phase von Fl\u00fcssigkeit zu Gas. Um diesen Phasen\u00fcbergang zu vollziehen, nimmt das Wasser W\u00e4rme auf und k\u00fchlt so die umgebende Luft ab. Dieses Ph\u00e4nomen wird als Verdunstungsk\u00fchlung bezeichnet. Die Verdunstungsk\u00fchlung wird f\u00fcr den Bau von Verdunstungsk\u00fchlern als Klimaanlagen genutzt [mehr<\/a>] .<\/p>\n

Die Schwerkraft beschleunigt den Cold Pool nach unten, da die k\u00e4ltere Luft dichter ist als die umgebende tropische Luft. Wenn der K\u00e4ltepool auf die Oberfl\u00e4che trifft, breitet sich die kalte Luft radial entlang der Oberfl\u00e4che aus. Durch diese Ausbreitung der Luft entsteht eine B\u00f6enfront, die sich mit hoher (Wind-)Geschwindigkeit ausbreitet. Normalerweise haben Kaltlufts\u00fcmpfe einen relativ trockenen und kalten Kern, der den anf\u00e4nglichen konvektiven Aufwind hemmt und „abschaltet“ – fast wie ein konvektiver Selbstmord! Aber manchmal kann neue Konvektion an den Vorderkanten ausgel\u00f6st werden – oder wenn zwei B\u00f6enfronten zusammensto\u00dfen…<\/p>\n

Aufbau der Simulation<\/strong><\/p>\n

Um die Wirkung von Cold Pools in Simulationen nachzubilden, ist eine feine Aufl\u00f6sung erforderlich. Simulationen, die fein genug sind, um einzelne Regenzellen aufzul\u00f6sen, werden als wolkenaufl\u00f6sende Modellsimulationen bezeichnet. Je feiner und komplexer eine Simulation ist, desto h\u00f6her sind die Rechenkosten. Au\u00dferdem 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 Aufl\u00f6sung von 1 km konzentrieren, da feinere Aufl\u00f6sungen keine qualitativen Unterschiede ergeben haben. Eine gr\u00f6bere Aufl\u00f6sung spart Rechenkosten und Energie – sehr sinnvoll in der Klimaforschung! Um Randeffekte an den Dom\u00e4nenr\u00e4ndern zu vermeiden, versehen wir unseren Experimentierkasten mit doppelt periodischen Randbedingungen.<\/p>\n

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Gehirnverrenkung: Doppelt-periodische Randbedingungen
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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 \ud83d\ude42<\/p>\n

Du wirst sehen: Das Quadrat ist eigentlich ein Donut! Der schwarze Kreis markiert damit zwei Teile, die zur gleichen Wolke geh\u00f6ren.<\/p>\n\n\n\n
Details der Simulation: Wir simulieren ein 480 km x 480 km gro\u00dfes quadratisches Gebiet mit einer Aufl\u00f6sung von 1 km und sorgen f\u00fcr periodische Randbedingungen in beiden horizontalen Richtungen. Am Boden dieses Gebiets nehmen wir ein unendliches und homogenes Feuchtigkeitsreservoir an, wie \u00fcber einer Meeresoberfl\u00e4che. Diese Meeresoberfl\u00e4che wird st\u00e4ndig auf 300 K geheizt.<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

Wir f\u00fchren Simulationen in einem ‚radiativen konvektiven Gleichgewicht‘ (Radiative Convective Equilibrium, RCE) durch. RCE bedeutet, dass die eingehende Sonnenstrahlung die ausgehende W\u00e4rmestrahlung in einem dynamischen Gleichgewicht balanciert ( zumindest f\u00fcr ausreichend gro\u00dfe horizontale und zeitliche Skalen, 10\u00b3kmund Wochen). Diese globale Strahlungsbeschr\u00e4nkung begrenzt in etwa die m\u00f6gliche Niederschlagsmenge in dem Gebiet. Dieses Gesamtangebot an Niederschl\u00e4gen muss dann auf die verschiedenen Regenzellen aufgeteilt werden. RCE ist der einfachste m\u00f6gliche Rahmen zur Untersuchung komplexer Ph\u00e4nomene in der Atmosph\u00e4re. Konvektive Selbstaggregation (CSA) ist eines dieser komplexen Ph\u00e4nomene.<\/p>\n

CSA ist die spontane r\u00e4umliche 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 zur\u00fcckgedr\u00e4ngt und h\u00e4ufen sich mit der Zeit (Abb. CSA, 2, 3), bis im Endzustand (Abb. CSA, 4) Wolken und Niederschlag auf einen Punkt des Gebiets beschr\u00e4nkt sind. Warum sich Wolken auf diese Weise zusammenballen, ist noch nicht gekl\u00e4rt. Vielleicht kuscheln sie einfach gerne?<\/p>\n

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\"CSA:

Abb. CSA: Die Wolken ballen sich zusammen und der Niederschlag beschr\u00e4nkt sich auf eine einzige Region, w\u00e4hrend die Simulationen fortschreiten.<\/em><\/p><\/div>\n

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Kuschelwolken, Clustering und eine Cocktailparty vor in Vor-Covidzeiten<\/strong><\/p>\n

Lassen Sie uns eine Metapher verwenden, um diesen Aggregationsprozess zu veranschaulichen: Wir vergleichen die Konvektion mit Gespr\u00e4chen auf einer Cocktailparty (vor der Covid-Zeit). Zu Beginn sind die Leute ziemlich gleichm\u00e4\u00dfig im Raum verteilt (Stufe 1). Alle sind sch\u00fcchtern, niemand redet in der Anfangsphase. Aber es wird ein wenig laut. Bald beginnen lokale Unterhaltungen. Das \u00fcbertr\u00e4gt 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 Gespr\u00e4che und die Gruppen schlie\u00dfen sich zusammen. \u00dcbertragen 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 \u00fcbrig sind, in einer Ecke des Raums. Die Party ist auf einen begrenzten Bereich beschr\u00e4nkt, aber wild und mit hoher Intensit\u00e4t!<\/p>\n

\u00dcbertragen auf unsere Simulationen: Im Endzustand ist der Niederschlag auf ein kleines Gebiet beschr\u00e4nkt, wo es mit hoher Intensit\u00e4t regnet! Die Konvektion ist wild und n\u00e4hrt die eine gro\u00dfe Wolke, die \u00fcbrig bleibt. Theoretisch k\u00f6nnte das ewig so weitergehen – unter der Annahme einer unendlichen Energieversorgung f\u00fcr unsere Simulation (nicht f\u00fcr die Party).<\/p>\n

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Das Geheimnis von CSA und einer wilden Party<\/strong><\/p>\n

Niemand versteht vollst\u00e4ndig, warum manche Partys wild werden und andere einfach nicht. Ebenso kann die Forschung noch nicht vollst\u00e4ndig 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 anf\u00e4ngliche trockene Stelle durch Strahlung und Feuchtigkeitsr\u00fcckkopplung w\u00e4chst, bis der Niederschlag in einer einzigen verbleibenden Regenzelle lokalisiert ist. Es ist bekannt, dass CSA in Simulationen, die gro\u00dfe Gebiete und grobe Aufl\u00f6sungen verwenden, bevorzugt wird. Bekannt ist:\u00a0 Simulationen ohne Cold Pools aggregieren immer!<\/p>\n

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Was macht CSA so relevant?<\/strong><\/p>\n

Wiederum verursachen tropische St\u00fcrme zunehmende Sch\u00e4den f\u00fcr lokale Gemeinschaften [ mehr<\/a>]. Das Verst\u00e4ndnis dieser St\u00fcrme ist von entscheidender Bedeutung, um Schaden in Zukunft zu verhindern. Die Entstehung von Tropenst\u00fcrmen ist mit der Ansammlung von Konvektionswolken verbunden, die mit CSA in Zusammenhang stehen k\u00f6nnten. Ungekl\u00e4rt ist der Einfluss von Cold Pools auf CSA. Es kann davon ausgegangen werden, dass Cold Pools eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Tropenst\u00fcrmen und dem Prozess der CSA spielen.<\/p>\n

Um die Rolle von Cold Pools bei CSA zu untersuchen, entfernen wir Cold Pools aus den Simulationen, indem wir die Wiederverdunstung von Niederschl\u00e4gen erm\u00f6glichen. Die Ergebnisse dieses so genannten „Mechanism-denial-experiment“ werden im zweiten Teil dieses Artikels vorgestellt.<\/p>\n

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Begleite uns wieder zum tropischen Meer! Wir werden unsere Party-Metapher um Covid-Beschr\u00e4nkungen erweitern und den Einfluss von Cold Pools auf CSA untersuchen…<\/p>\n

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Skizze eines tropischen Sturms, der hohe Windgeschwindigkeiten erreicht. Man kann sich leicht vorstellen, dass solche St\u00fcrme verheerende Zerst\u00f6rungen und \u00dcberschwemmungen verursachen. Quelle: Pixabay <\/em><\/p><\/div>\n

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Quellenangaben:<\/strong><\/p>\n

Hauptquelle: Masterarbeit von Ronja Gronemeyer Thesis_Gronemeyer2021<\/p>\n

[1] https:\/\/www.metoffice.gov.uk\/research\/climate\/understanding-climate\/global-extreme-events_tropical-storms<\/p>\n

[2] https:\/\/www.britannica.com\/science\/convection<\/p>\n

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von Ronja Gronemeyer Wolken kuscheln und ballen sich gerne zusammen! Um die Entstehung von Tropenst\u00fcrmen zu verstehen, ist dieses Kuschelph\u00e4nomen von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel frischt\u00a0 Grundwissen \u00fcber Konvektion auf, f\u00fchrt in faszinierende atmosph\u00e4rische Ph\u00e4nomene ein und verr\u00e4t, warum das Clustering von Wolken mit einer Cocktailparty verglichen werden kann…<\/p>\n","protected":false},"author":12775,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_bbp_topic_count":0,"_bbp_reply_count":0,"_bbp_total_topic_count":0,"_bbp_total_reply_count":0,"_bbp_voice_count":0,"_bbp_anonymous_reply_count":0,"_bbp_topic_count_hidden":0,"_bbp_reply_count_hidden":0,"_bbp_forum_subforum_count":0,"footnotes":""},"categories":[852611,852783,672798,113,512672],"tags":[233954],"class_list":["post-3300","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-klimawissenschaften","category-naturschutz-de","category-naturwissenschaften","category-projekte","category-schreibwerkstatt","tag-geowissenschaften","post-preview"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3300","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/12775"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3300"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3300\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3462,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3300\/revisions\/3462"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3300"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3300"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3300"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}