Einleitung: Jedes Jahr erscheinen immer wieder Berichte über Tropenstürme und deren Schadensausmaß.
Tropenstürme sind für den Menschen sehr gefährliche Naturphänomene, aber zugleich auch sehr faszinierende Giganten.Nicht lange ist es her, als Major Hurrikan Katrina über der Südküste der Vereinigten Staaten von Amerika wütete und 1800 Menschen, sowie einen Sachschaden von 81 Milliarden Dollar zurück lies.
In dem folgenden Kapitel werfen wir einen Blick auf die Entstehungsursachen dieser tropischen Stürme.


Easterly Waves als Geburtsstätte:

http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g110_w08/lecture_notes/hurricane/agburt_12_07.jpg

http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g110_w08/lecture_notes/hurricane/agburt_12_07.jpg



Um eine tropische Zyklogenese zu vollziehen, benötigt es in erster Linie einer Ansammlung konvektiver Zellen über warmes Meereswasser.Diese Ansammlung von konvektiven Zellen wird über dem Nordatlantik jedes Jahr durch die Easterly Waves bereit gestellt.Es handelt sich hierbei um Wellen, die in Folge barokliner-batropher Instabilität am African Easterly Jet (AEJ) entstehen.
Wie jeder Jetstream (Starkwindband) entsteht auch der AEJ an einem Temperaturgradient, für den AEJ ist der Temperaturunterschied zwischen der heißen Sahara und dem Westen von Nordafrika verantwortlich.
Durschnittlich wandern alle drei bis vier Tage Easterly Waves auf dem Nordatlantik mit einer Wellenlänge zwischen 2.000 und 2.500km.Für etwa 60% der tropischen Stürme und Hurrikans über dem Nordatlantik sind Easterly Waves verantwortlich und sogar die Zyklonen im pazifischen Ozean lassen sich bis nach Afrika zurück verfolgen.

 

http://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Easterly_Waves_fig08.jpg

http://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Easterly_Waves.html


Über Afrika schieben sich also Wellen in der Strömung (sog. Easterly Waves) über dem Nordatlantik.
Jede dieser Tiefdruckwellen besitzt eine Trogachse mit einem Konvergenzfeld rückseitig der Trogachse und einem Divergenzbereich vorderseitig der Trogachse. Wichtig ist in Bezug auf die Entstehung der Tropenstürme der Konvergenzbereich, denn hier wird die Luftmasse gehoben mit entsprechendem Druckfall über der Oberfläche. Bei günstigen Bedingungen und labiler Schichtung der Troposphäre (Temperatur nimmt in die Höhe ausreichend ab) können über der bodennahen Konvergenz Luftpakete bis zur Tropopause aufsteigen und große Gewittercluster bilden. In diesem Stadium spricht man von einer tropischen Störung.


Die Entstehung eines tropischen Sturmes:

http://www.hurricanescience.org/images/hss/thunderstorms-comet.png

http://www.hurricanescience.org/science/science/hurricanegenesis/

 

Sind die Umgebungsbedingungen weiterhin günstig, d.h. es existiert:
- ein schwacher Höhenwind, respektive niedrige Windscherung
- hohe Wassertemperaturen über 26,5°C
- genügend relative Luftfeuchte im mittleren Troposphärenbereich
- ein ausreichender vertikaler Temperaturgradient, die Temperaturen nehmen mit der Höhe ausreichend ab
- die Welle befindet sich mindestens 500km vom Äquator entfernt

Sind alle diese Bedingungen erfüllt, dann kann sich das Gewittercluster weiter intensivieren. Die warmen bodennahen (surface) Luftmassen werden durch die Aufwinde der Zellen gehoben und kondensieren aus.
Der Abtransport der Luftmasse in die Höhe bewirkt einen Druckfall an der Oberfläche und weitere Luftmassen strömen nach. Die nachströmenden Luftmassen werden durch die Corioliskraft allerdings abgelenkt und das Nachströmen verzögert, der Druck im Zentrum kann weiter fallen (mehr Masse wird abtransportiert als nachströmt).
Sobald sich ein ausreichender Druckgradient ausgebildet hat, rotieren die Gewitter um das Tiefdruckzentrum (LLCC). Mit steigenden Windgeschwindigkeiten am low level Inflow werden in Folge erhöhter Evaporation an der Meeresoberfläche Warmluftmassen in das Zentrum gesogen und in der Höhe unter einem high level outflow wieder abgegeben. In diesem Stadium bezeichnet man das System als tropische Depression, insofern die Windgeschwindigkeiten nicht die 63km/h überschritten haben.

Dieser Vorgang kann sich theoretisch solange fortsetzen und intensivieren, bis eine der Grundbedingungen nicht mehr erfüllt werden.


Die Wassertemperaturen:

http://www.hurricanescience.org/images/hss/GOMandCarribSeaOceanicMixedLayer.jpg

http://www.hurricanescience.org/science/science/hurricaneandocean/

 

Die Wassertemperaturen sind der Antrieb eines jeden tropischen Sturmes, sie liefern die nötige Energie in Form von latenter Wärme. Evaporation an der Meeresoberfläche labilisiert die Temperaturen über der Meeresoberfläche, so dass diese Warmluftmassen in das Zentrum strömen, gehoben werden und kondensieren.
Die Kondensation setzt letztendlich die potenzielle Energie der Luftmasse frei. Generell spricht man von einer nötigen Wassertemperatur von 26,5°C. Fast wichtiger als die Oberflächentemperatur des Wassers ist die Dicke der warmen Oberflächenschicht des Wassers. Verschiedene Prozesse an der Meeresoberfläche können dazu führen, dass kühleres Tiefenwasser an die Oberfläche advehiert wird und die Energiezufuhr abschneidet:

-Vertikale Durchmischung: Die Windgeschwindigkeiten des Tropensturmes oder Hurrikan erzeugen an den Wellen der Meeresoberfläche Reibung. Es wird ein Teil der Windgeschwindigkeiten auf die Meeresoberfläche übertragen, so dass eine flache Strömung am Wasser entsteht. Diese Strömung nimmt in die Tiefe ab und erzeugt eine vertikale Geschwindigkeitscherung unter der Meeresoberfläche. In Folge des Prozesses setzt Durchmischung ein, d.h. kühles Tiefenwasser strömt stromabwärts an die Oberfläche, während stromaufwärts das Oberflächenwasser in Zugrichtung des Sturmes getrieben wird.

-Upwelling: Dieser Prozess wird meist nur bei tropischen Stürmen mit geringer Verlagerungsgeschwindigkeit beobachtet. Die zyklonalen Winde des Sturmes regen hierbei das Wasser der Meeresoberfläche ebenfalls zu einer zyklonalen Rotation an. Die in Rotation geratenen Wassermassen werden allerdings von der Corioliskraft beeinflusst und nach rechts (in Bewegungsrichtung) abgelenkt. So entsteht letztendlich eine relative Bewegung der Wassermassen vom Zentrum weg. Um dieses Ungleichgewicht der Kräfte wieder auszugleichen, strömt kühles Tiefenwasser im Zentrum nach oben.

 

http://www.wunderground.com/hurricane/loopcurrent.gif

www.wunderground.com

 

Somit ist also die Betrachtung der Dicke des Oberflächenwassers von zentraler Bedeutung für den potenziellen Energiegehalt, das dem tropischen Sturm zur Verfügung steht.
Speziell im Golf von Mexiko muss oftmals noch eine gesonderte Betrachtung des Golfstroms gemacht werden.
Der Golfstrom führt nämlich sehr warmes Wasser noch bis 200m unter der Oberfläche mit sich, entsprechend tief reicht die wichtige 26°C Isotherme im Wasser.
Etwa alle 5 bis 8 Monate "kalbt" der Golfstrom einen Wirbel ab. Dabei wölbt sich der Strom bis an die US-Südküste und kommt ins Ungleichgewicht, in Folge reißt die Strömung ab und ein kleiner zyklonaler Wirbel spaltet sich nach Westen ab. Dieser Wirbel wird im Englischen "Eddy" genannt und beinhaltet das tiefreichende Warmwasser des Golfstroms. Kommt ein Hurrikan über einen solchen Warmwasserwirbel kann er sich enorm, teilweise explosiv intensivieren (Vertikale Durchmischung und Uwelling lindern die Oberflächentemperatur durch die tiefe Wasserschicht nur wenig).
Studien belegen, dass genau solche Warmwasserwirbel für die explosive Entwicklung von Major Hurrikane Katrina und Major Hurrikan Rita verantwortlich waren.


Vertikale Windscherung:

Vertikale Windscherung, d.h. der Wind nimmt mit der Höhe zu, ist generell schlecht für die Organisation eines tropischen Sturmes. Sobald der Betrag der Windscherung zu groß ist, kann die Antizyklone in der Höhe von dem LLCC entkoppelt werden und der Sturm verliert an Organisation. Teilweise kann das soweit führen, dass in das entkoppelte bodennahe Zentrum Regen fällt und sich in Folge Verdunstung abkühlt und abtrocknet. Generell ist die Einberechnung von Windscherung in der Vorhersage aber ein unsicherer Faktor, denn manche Stürme können sich genügend gegen Windscherung organisieren und wiederstehen diese (teilweise) ohne Abschwächung).

 

http://www.hurricanescience.org/images/hss/DivineWind_18.6.jpg

 


In Blick auf die Verlagerungsrichtung kann die Windscherung auch eine entscheidende Rolle spielen.
Sobald der untere der obere Wirbel genügend entkoppelt ist, können beide Wirbel miteinander interagieren und den Sturm in eine bestimmte Richtung lenken (in dem Fall der Grafik nach Norden).


Trockene Luft:

Trockene Luft -speziell in der mittleren Troposphärenhöhe- kann ebenfalls ein limitierender Faktor für tropische Zyklogenese sein.
Tropische Systeme sind allgemein relativ anfällig für trockene Luft, die durch Entrainment Verdunstungskälte freisetzen kann.
Durch die Abkühlung kann die Zirkulation des Tropensturms erheblich gestört werden, speziell der Aufwind ist davon direkt betroffen.
Einen wichtigen Einfluss schreiben Experten auch der "Saharan Air Layer" (SAL) zu, die regelmäßig trockene Saharaluft über den Nordatlantik führt.
Inwiefern SAL allerdings die Zyklogenese beeinflusst ist noch nicht ganz genau geklärt.



Zirkulation eines Hurrikans:

http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/upload/thumb/Hurrikan_aufbau.gif/420px-Hurrikan_aufbau.gif

http://www.google.de/imgres?um=1&hl=de&biw=1440&bih=749&tbm=isch&tbnid=GkDxD6hQCX5LYM:&imgrefurl=http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Tropische_Wirbelst%25C3%25BCrme&imgurl=http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/upload/thumb/Hurrikan_aufbau.gif/420px-Hurrikan_aufbau.gif&w=420&h=316&ei=nj46UOu5HojGtAbyvYE4&zoom=1&iact=hc&vpx=1141&vpy=146&dur=1253&hovh=195&hovw=259&tx=189&ty=75&sig=116588839629783085519&page=1&tbnh=129&tbnw=169&start=0&ndsp=28&ved=1t:429,r:6,s:0,i:88

 

Sobald der Tropensturm 64 Knoten erreicht hat, wird er als Hurrikan klassifiziert. Jeder Hurrikan besitzt eine Primärzirkulation und eine Sekundärzirkulation.
Die Primärzirkulation wird in der Region um das Auge beobachtet. Die Aufwinde um das Zentrum steigen in die Höhe und sinken im Bereich des Auges wieder nach unten.
Die Sekundärzirkulation läuft hingegen direkt über die (upper) Antizyklone. Dabei werden über den high level outflow (HLO) der Luftmasse nach außen in antizyklonaler Rotation geführt.
Nachdem die Luftmasse langsam wieder in Richtung Meeresoberfläche sinken und durch Evaporation erneut mit Feuchte versorgt werden, werden sie mit dem low level Inlow (LLI) wieder in das Zentrum gesogen.
Man spricht auch von einem "in-up-out" Prinzip.


Aufbau eines Hurrikans:


Das Auge:

http://www.bilder-hochladen.net/files/j7ss-1p-072b.jpg



Das Auge (engl. eye) eines Hurrikans ist vielleicht das bekannteste und faszinierendste Merkmal eines Hurrikans und steht oft als Sinnbild für die Zerstörungskraft einer tropischen Zyklone. Das Auge selbst stellt für den Menschen an Land keine direkte Gefahr dar, hier herrschen überwiegend leichte (kaum wahrnehmbare) Winde- selten tritt eine starke Böe aus der Augenwand (engl. eyewall) aus. In besonderen Fällen kann man im Auge sogar die Sonne bzw. den Himmel bei Tag und die Sterne bei Nacht erkennen. Dieser freundliche Wettereindruck wird sich wenig später zwangsweise mit Passage der eyewall (ein Gürtel aus kräftigster Konvektion [meist Gewitter] um das Auge) ändern. Der Durchmesser des Auges variiert von 8 bis 200km, durchschnittlich werden etwa 30 bis 60km Durchmesser vermessen. Um die Entstehung des Auge und damit eines Hurrikans zu verstehen, betrachten wir zuerst die Zirkulation an den Spiralbändern. In den Spiralbändern werden feucht-warme Luftmassen an einer Bodenkonvergenz (Zusammenströmen der Luft) nach oben gebracht und kondensiert aus (setzen also Wärme frei). In der Höhe strömt diese Luft zu den Seiten aus und erwärmt sich in Folge leichten Absinkens am Outflow. Die ausströmenden Luftmassen nehmen um das Zentrum den engsten Raum ein, entsprechend stellt sich der größte Temperaturgradient ein. Nun verstärkt sich zunehmend die Primärzirkulation des Hurrikans, genauer genommen sinkt die Luft –die mit dem Aufwind der Konvektion nach oben gebracht wurde- im Auge nach unten. Unter Absinken verdichtet sich die Luftsäule, an der Luft wird Kompression ausgeübt. Sobald eine Luftsäule komprimiert wird, setzt Erwärmung ein und die Luftfeuchte nimmt ab. Die Luft im Auge ist somit wärmer und trockener als ihre umgebenden Luftmassen, wobei der Temperaturgradient zur eyewall mit der Höhe variiert. In der obersten Schicht der Troposphäre existiert typischerweise eine Antizyklone, hier existieren der größte Temperaturgradient mit bis zu 10K Temperaturunterschied zur Umgebung. Je niedriger die Höhe, desto mehr nimmt der Temperaturunterschied zwischen eye und eyewall ab, letztendlich bis auf etwa 0-2K über der Oberfläche. Entsprechend verwischt die Charakteristik von trocken-warmer Luft, so dass über den bodennahen Schichten (etwa 1-3km) sogar feuchte Eigenschaften wieder dominieren. Im Auge selbst dominiert also der Effekt des Absinkens, wobei die Zentrifugalkraft die absinkenden Luftmassen aus dem Zentrum drückt.

 


Die Eyewall:

http://www.bilder-hochladen.net/files/j7ss-1s-03af.jpg
Gezeigt ist die eyewall von Hurrikan Katrina (2005)

Die eyewall oder 'wall' befindet sich um das Auge eines Hurrikans und bildet typischerweise einen Gürtel aus kräftigsten Gewitterzellen. Der Energiefluss zum Gewittergürtel wird durch die inneren Spiralbänder bereitgestellt, dabei fließen die Luftmassen zyklonal (abgelenkt) in Richtung Zentrum. Je näher sich die Luftmassen (Inflow) dem Zentrum nähern und somit den Abstand zur Rotationsachse verringern, desto mehr werden die Luftpakete beschleunigt (Drehimpulserhaltung, vgl. Pirouetteneffekt ). Ab einem bestimmten Abstand zum Zentrum erreichen die Kräfte an den Luftpaketen ein Gleichgewicht, d.h. der Betrag der Corioliskraft und Zentrifugalkraft (wirken vom Zentrum weg) ist gleich dem Betrag der Druckgradientkraft (wirkt zum Zentrum). Sobald sich das Kräftegleichgewicht eingestellt hat, bildet sich ein Ring aus Gewitterzellen genau um diesen Abstand des Gleichgewichts. Der Energiezustrom (d.h. der Inflow) ist an der eyewall konzentriert und steigt unter kräftigen Aufwinden in die Höhe, die Luftmassen kondensieren und setzen Wärme frei. Da die Energie des Hurrikans in der eyewall konzentriert ist, treten hier typischerweise die stärksten Gewitter mit den stärksten Windgeschwindigkeiten und kräftigsten Regenfällen auf. Eine eyewall muss nicht zwangsläufig eine runde Form annehmen, in manchen Fällen wurden auch vieleckige (polygonal) Formen beobachtet. Vieleckige Formen sind oftmals ein Hinweis auf mesovortices, die sich entweder stationär an der eyewall aufhalten, um das Zentrum rotieren oder gar die eyewall durchbrechen und das Zentrum überqueren. Unter den mesovortices können sich die Windgeschwindigkeiten im Vergleich zur eyewall um bis zu 10% intensivieren.
 

http://www.bilder-hochladen.net/files/j7ss-1q-7f39.jpg

Die Grafik dokumentiert die Windgeschwindigkeiten von Hurrikan Gilbert (1988) auf einer Höhe von 700hPa.Das Flugzeug flog insgesamt fünf Mal von Süd nach Nord durch Hurrikan Gilbert, während Hurrikan Gilbert einen eyewall replacement cycle durchlebte.


In manchen Fällen bilden sich sogar mehrere eyewalls um das Zentrum des Hurrikans, dieser Vorgang wird „eyewall replacement cycle“ oder „concentric eyewall cycle“ genannt. Es existieren mehrere Hypothesen, warum sich eine zweite eyewall oder gar dritte eyewall um die eigentliche innere eyewall (inner eyewall) entwickelt. Eine Theorie besagt, dass sich Wellen radial vom inneren Wirbel nach außen abspalten und den Drehimpuls an der Stelle der neuen eyewall verstärken. Bei einer anderen Hypothese findet die Betrachtung von CAPE eine große Rolle. Prinzipiell existiert um das Zentrum an der eyewall die stärkste Vorticity mit einer Abnahme zu den Außenbereichen. Existiert ein Feld verstärkter potenzieller konvektiver Energie (CAPE) um ein Bereich, dann agieren die verstärkten Aufwinde (Energiezufuhr durch CAPE) als Quelle von Vorticity und formen einen low-level-jet (LLJ) um die innere eyewall. Hat sich erst einmal ein LLJ gebildet, kann ein „positives Feedback“ initialisiert werden, d.h. der verstärkte Energiefluss zwischen Ozean und Atmosphäre verstärkt die Bodenzirkulation und diese verstärkt wiederum in Folge erhöhter Evaporation an der Meeresoberfläche den Energiefluss zwischen Ozean und Atmosphäre. Das verstärkte Konvektionspotenzial um die Bereiche der sekundären eyewall oder „outer eyewall“ existiert möglicherweise ganz natürlich, da Effekte wie „upwelling oder „vertical mixing“ an der Meeresoberfläche das Konvektionspotenzial am Zentrum mindern (in den äußeren Bereichen treten diese Effekte nicht so stark auf). Existiert erst einmal eine „outer eyewall“ um die „inner eyewall“, so wird der Energiefluss zur primären eyewall durch die „outer eyewall“ unterbrochen (Feuchtezufluss und Drehmoment bei verminderten Massenzufluss werden reduziert). In diesem Stadium schwächt sich der Hurrikan meist ab und verliert an Intensität, während sich das Windfeld der Zyklone gleichzeitig ausdehnt und die Größe des Hurrikans maximiert wird. Sobald die „outer eyewall“ stark genug ausgeprägt ist und genug Masse abtransportiert, induziert deren Outflow ein Absinken der Luftmassen über der inneren eyewall. Die Konvektion an der inneren eyewall wird erheblich gestört, wodurch diese etwas später zusammen bricht und großflächig Absinken und Erwärmung, sowie Abtrocknung im Zentrum dominiert. Nach diesem Prozess kann sich der Hurrikan meist wieder schnell intensivieren, mehr Masse kann über die Primärzirkulation im Auge abtransportiert werden.
Ein eyewall replacement cycle wird meist erst ab Hurrikans der Kategorie 3 beobachtet, etwa 50% aller tropischen Zyklonen mit Maximalwinden von 204 km/h vollziehen diesen Prozess. Dreifache (triple) eyewalls wurden bisher mit Hurrikan Juliette (2001) und Typhoon June (1975) dokumentiert.


Flug durch die eyewall von Hurrikan Katrina:

Link: http://www.youtube.com/watch?v=eT5K6FR_eVs&feature=player_embedded

 

Hot Tower:

http://www.nasa.gov/images/content/138610main_okelley_fig1_lg.jpg

 

 

'Hot Tower' sind besonders hochreichende Gewittertürme innerhalb einer tropischen Zyklone, die mit ihren Wolkenobergrenzen teilweise die Stratosphäre erreichen und dabei die Tropopause durchstoßen. Solche Zellen sind für die markantesten Windgeschwindigkeiten (oft auch Mircobursts) und Regenfälle am System verantwortlich und werden selbst von den 'Hurricane Hunter' vermieden. Am Satellitenbild sind Zellen leicht durch besonders hohe Wolkenobergrenzen/"Gewittertürme" (overshootings tops) zu idenifizieren. Aktuell geht man davon aus, dass sie durch die enorme horizontale Windscherung zwischen „eye“ (fast windstill) und „eyewall“ (höchsten Windgeschwindigkeiten) induziert werden. Dabei drängen Turbulenzen (Wirbel) am Phasenübergang zwischen Auge und Wand den eintreffenden Inflow (LLI) in die Höhe und stützen einen besonders stabilen, hochreichenden Aufwind durch einen teils rotierenden (verwirbelnden) Aufwind (ähnlich zu Superzellen). „Hot towers „ sind auch indirekt für den verstärkten Energietransport zwischen Meeresoberfläche und dem Hurrikan verantwortlich, so verstärken sie den Aufwind an der „eyewall“ signifikant und können damit die Energiezufuhr des Hurrikans erhöhen. Forschungen haben dabei herausgefunden, dass die Entwicklungen von „hot tower“ nahezu proportional mit der Verstärkung von tropischen Zyklonen (z.B. Hurrikans) zusammen hängt.


Zirkulationsschema:

http://www.bilder-hochladen.net/files/big/j7ss-1e-f457.png

 

Quellen:

http://www.lakeeriewx.com/Meteo241/ResearchTopicFour/HurricaneStructure.html

http://www.hurricanescience.org/#/?id=0

http://www.saevert.de/

http://en.wikipedia.org/wiki/Eyewall_replacement_cycle

http://www.gohsep.la.gov/factsheets/FactsAboutHurricaneEye.htm

http://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/Easterly_Waves/Easterly_Waves.html

http://www.geog.ucsb.edu/~joel/g110_w08/lecture_notes/hurricane/agburt_12_07.jpg

 

 

 


Kostenlose Webseite von Beepworld
 
Verantwortlich für den Inhalt dieser Seite ist ausschließlich der
Autor dieser Homepage, kontaktierbar über dieses Formular!