Neue Studie: Trockene Luft bremst die Niederschläge von Taifunen und Wirbelstürmen

Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung gehen Wissenschaftler davon aus, dass tropische Wirbelstürme (einschließlich Taifune und Hurrikane) zu stärkeren und häufigeren Regenfällen führen werden.

Die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge erscheinen intuitiv: Durch steigende Temperaturen kann die Atmosphäre mehr Feuchtigkeit aufnehmen, was in Verbindung mit immer heftigeren Stürmen theoretisch zu verheerenderen Regengüssen führen dürfte.

Bei der Analyse von Klimamodellprognosen stoßen Forscher jedoch auf ein rätselhaftes Phänomen: Einige Modelle sagen einen Anstieg der Niederschlagsmengen voraus, der weitaus geringer ausfällt, als es die Thermodynamik allein vorhersagen würde.

Diese Unsicherheit hat es der Wissenschaft seit langem erschwert, die durch tropische Wirbelstürme verursachten Niederschläge genau vorherzusagen und die damit verbundenen Hochwasserrisiken einzuschätzen.

Kürzlich hat eine neue Studie unter der Leitung der Universität Hongkong (HKU) und des Imperial College London (ICL) ein entscheidendes fehlendes Puzzleteil aufgedeckt: die zunehmende Trockenheit der Atmosphäre.

Die in Nature Geoscience veröffentlichte Studie zeigt, dass eine wärmere Atmosphäre zwar mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann, gleichzeitig aber auch trockener wird, wodurch Niederschläge unterdrückt werden und tropische Wirbelstürme in ihrer Niederschlagsbildung gebremst werden.

Eine zunehmende Unsättigung der Atmosphäre hemmt die Wolkenbildung und beschleunigt die Verdunstung

Das Team, bestehend aus Professor Dazhi XI und Dr. Jianan CHEN vom Institut für Erd- und Planetenwissenschaften der Universität Hongkong (HKU) sowie Professor Ralf TOUMI vom ICL, analysierte Klimasimulationen, Satellitenbeobachtungen und Reanalyse-Daten. Es stellte fest, dass tropische Wirbelstürme mit zunehmender Erwärmung des Klimas Feuchtigkeit weniger effizient in Niederschlag umwandeln.

Das Team stellte fest, dass der Schlüssel in einem physikalischen Mechanismus liegt, der als „Säulensättigungsdefizit“ bekannt ist: der Unterschied zwischen der tatsächlichen Wasserdampfmenge in der Atmosphäre und ihrem vollständigen Sättigungsgrad (der Schwelle für Niederschlag).

Im Allgemeinen entsteht Regen, wenn Wasserdampf zu Wolkentröpfchen kondensiert, sich zu Regentropfen verbindet und zu Boden fällt. In einem wärmeren Klima steigt jedoch die Feuchtigkeitsaufnahmekapazität der Atmosphäre exponentiell an. Selbst wenn die relative Luftfeuchtigkeit konstant bleibt, vergrößert sich dadurch der Abstand zur „vollständigen Sättigung“ erheblich, was bedeutet, dass die Luft deutlich trockener wird. Diese Trockenheit kann zwei Effekte auslösen:

- Verdunstung vor dem Erreichen des Bodens: Regentropfen, die während eines Taifuns in großen Höhen kondensieren, verdunsten beim Absinken rasch in der trockenen Luft der unteren und mittleren Troposphäre, sodass sie den Boden nicht erreichen.
- Hemmung der Kondensation: Wenn trockene Umgebungsluft in den Aufwind des Taifuns gesaugt wird, verdünnt sie den Feuchtigkeitsvorrat und unterdrückt so die Wolken- und Niederschlagsbildung bereits an der Quelle.

Diese dämpfende Wirkung der atmosphärischen Trockenheit ist stark genug, um dem durch die Zunahme der Sturmintensität bedingten Anstieg der Niederschlagsmengen entgegenzuwirken. Dies liefert eine fundierte physikalische Erklärung dafür, warum viele Klimamodelle einen Anstieg der Niederschlagsmengen prognostizieren, der systematisch geringer ausfällt als bei herkömmlichen theoretischen Berechnungen.

Wegweisend für ein „einheitliches Bewertungsrahmenwerk“

Die Studie schlägt zudem einen einheitlichen Rahmen für das Verständnis der Niederschläge bei tropischen Wirbelstürmen vor. Sie zeigt, dass Niederschläge nicht nur von der Sturmintensität und der Wasserdampfmenge in der Atmosphäre abhängen, sondern auch von der Niederschlagseffizienz: also davon, wie effizient diese Feuchtigkeit in Niederschlag umgewandelt wird.

Zwei gegensätzliche Effekte in einem sich erwärmenden Klima beeinflussen diese Effizienz: Eine höhere Sturmintensität führt tendenziell zu einer Steigerung, während eine größere atmosphärische Trockenheit sie tendenziell dämpft. Obwohl in einigen Klimamodellen die atmosphärische Trockenheit dominiert, schließt dieses Modell einen Anstieg der Niederschlagseffizienz nicht aus, falls die künftige Zunahme der Sturmintensität den dämpfenden Effekt der atmosphärischen Trockenheit überwiegt.

Die Ergebnisse könnten wichtige praktische Auswirkungen haben. Für Küstengemeinden, Katastrophenschutzbeauftragte und Infrastrukturplaner sind genauere Vorhersagen zu den Niederschlagsmengen künftiger Hurrikane und Taifune von entscheidender Bedeutung für den Hochwasserschutz, die Evakuierungsplanung und die Klimaresilienz.

Durch die Berücksichtigung der Auswirkungen der atmosphärischen Trockenheit könnte das neue Rahmenkonzept die Einschätzung von Niederschlagsmengen und Hochwasserrisiken verbessern und eine fundiertere Planung von Klimaanpassungsmaßnahmen ermöglichen.

In der Studie wird zudem darauf hingewiesen, dass globale Klimamodelle bestimmte kleinräumige Prozesse nicht vollständig erfassen. Daher werden künftig hochauflösende Simulationen erforderlich sein, um die Prognosen zu verfeinern.

Dennoch zeigen zahlreiche Datensätze und Modelle durchweg, dass eine höhere atmosphärische Trockenheit die Niederschlagseffizienz verringert. Diese starke negative Korrelation unterstreicht, dass die atmosphärische Trockenheit eine entscheidende thermodynamische Einschränkung darstellt, die in künftige Klimaprognosen einbezogen werden muss.

Quelle: Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Hongkong

Artikelreferenz

Chen, J., Toumi, R. & Xi. Future tropical cyclone rainfall constrained by increased atmospheric dryness. Nat. Geosci.