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Hurrikan Harvey: Verbindungen zum Wärmeinhalt der Ozeane und zur Anpassung an den Klimawandel

Publiziert: 9. Mai, 2018
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Kurzfassung

Wirbelstürme sind zwar ein natürliches Phänomen, doch der vom Menschen verursachte Klimawandel verstärkt sie und vergrößert das Risiko großer Schäden. Anhand von Ozean- und Atmosphärenbeobachtungen zeigen wir hier einen Zusammenhang zwischen dem erhöhten Wärmegehalt des oberen Ozeans infolge der globalen Erwärmung und den extremen Regenfällen der jüngsten Hurrikane. Hurrikan Harvey ist eine hervorragende Fallstudie, da er räumlich und zeitlich isoliert war. Wir zeigen, dass der Wärmeinhalt des Ozeans vor Beginn des Nordsommers 2017 sowohl global als auch im Golf von Mexiko der höchste seit Beginn der Aufzeichnungen war, letzterer jedoch mit dem Hurrikan Harvey durch Verdunstungskühlung des Ozeans drastisch abnahm. Die verlorene Ozeanwärme wurde in der Atmosphäre als Feuchtigkeit und dann als latente Wärme in rekordverdächtigen Starkregenfällen umgesetzt. Die rekordverdächtigen Wärmewerte der Ozeane haben also nicht nur den Treibstoff für die Aufrechterhaltung und Verstärkung von Harvey erhöht, sondern auch die überschwemmenden Regenfälle an Land verstärkt. Ohne den vom Menschen verursachten Klimawandel hätte Harvey nicht so viel Regen produzieren können. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Rolle von Wirbelstürmen im Klima. Eine proaktive Planung für die Folgen des vom Menschen verursachten Klimawandels findet in vielen gefährdeten Gebieten nicht statt, was die Katastrophen noch viel schlimmer macht.

Zusammenfassung in einfacher Sprache

Durch den vom Menschen verursachten Klimawandel erwärmen sich die Ozeane weiter, die das Gedächtnis für vergangene akkumulierte Effekte liefern. Das daraus resultierende Umfeld, einschließlich eines höheren Wärmeinhalts der Ozeane und höherer Meeresoberflächentemperaturen, stärkt tropische Wirbelstürme, so dass sie intensiver, größer und länger anhaltend werden und ihre Überschwemmungsregen stark zunehmen. Das wichtigste Beispiel hierfür ist Hurrikan Harvey im August 2017, der in Bezug auf die Einflüsse auf und durch die Umwelt einigermaßen isoliert werden kann. Hurrikane halten die tropischen Ozeane kühler, da ihre starken Winde die Verdunstung erhöhen. Hier zeigen wir zum ersten Mal, dass die Niederschläge wahrscheinlich mit der Verdunstung und dem entsprechenden Wärmeverlust des Ozeans übereinstimmen. Die Planung für solche überlasteten Hurrikane (Anpassung) durch Erhöhung der Widerstandsfähigkeit (z. B. bessere Bauvorschriften und Hochwasserschutz) und die Vorbereitung auf Eventualitäten (wie Evakuierungsrouten, Stromausfälle usw.) ist wichtig, aber in vielen Gebieten nicht ausreichend, darunter Texas, Florida und Puerto Rico, wo Harvey, Irma und Maria ihren Tribut gefordert haben.

Einführung

Die atlantische Hurrikansaison 2017 brach zahlreiche Rekorde mit einer Aktivität, die weit über dem Normalwert lag, insbesondere angesichts der enormen Schäden durch Harvey, Irma und Maria. Hurrikane sind normale Ereignisse im Sommer, mit durchschnittlich 12 benannten Stürmen und 6 Hurrikanen im Atlantik. Im Jahr 2017 gab es jedoch 17 benannte Stürme und 10 Hurrikane, von denen 6 als “schwer” eingestuft wurden. Nach Angaben der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) lag die akkumulierte Wirbelsturmenergie (ACE) bei 225 % des Normalwerts. Mehrere Aspekte der Saison 2017 waren nicht “natürlich”. Der erste war die Rolle des vom Menschen verursachten Klimawandels, der zweite die Rolle der Vorbereitung. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf die Zusammenhänge zwischen dem Wärmeinhalt des Ozeans (OHC) und den Hurrikanen im Atlantik, wobei wir die Rekordhitze im Golf von Mexiko vor dem Hurrikan Harvey im Jahr 2017 und die anschließende Verdunstungskälte während des Durchzugs des Sturms hervorheben, die den starken Regenfällen in Harvey entsprach. Da aufgrund des Klimawandels aktivere atlantische Hurrikane erwartet werden, geben wir auch einen kurzen Kommentar zu den Katastrophen, die trotz zahlreicher Warnungen eintraten.

Es besteht kein Zweifel, dass sich das Klima in erster Linie aufgrund der Zunahme langlebiger Treibhausgase wie Kohlendioxid in der Atmosphäre verändert, die den Strahlungsantrieb des Klimasystems erhöht haben (IPCC, 2013; USGCRP, 2017). Eine Folge davon ist ein Energieungleichgewicht an der Oberseite der Atmosphäre (Trenberth et al., 2014; von Schuckmann et al., 2016), von dem etwa 92 % in den Ozean fließen, wodurch sich die OHC erhöht. Zu den wichtigsten Indikatoren für ein sich veränderndes Klima gehören der Anstieg der globalen mittleren Oberflächentemperatur, des Meeresspiegels und der OHC (Cheng et al., 2017, 2018; Abbildung 1a). Außerdem sind OHC- und Meeresspiegelveränderungen robustere Klimaindikatoren mit weniger Wetterrauschen, sowohl für globale Durchschnittswerte (Cheng et al., 2018) als auch für regionale Veränderungen. Letzteres wird in dieser Studie beispielsweise für den Golf von Mexiko (Abbildungen 1b und 1c) gezeigt. Regionale Veränderungen, insbesondere der Verlust von arktischem Meereis und Gletschern, sind ebenfalls sehr sichtbare Indikatoren für die globale Erwärmung (USGCRP, 2017). Veränderungen bei bestimmten Extremen, die ebenfalls mit diesem Klimawandel in Verbindung gebracht werden (Trenberth et al., 2003), haben jedoch weitaus größere Auswirkungen auf Umwelt und Gesellschaft (Garner et al., 2017; Lin & Shullman, 2017). Dazu gehören ein erhöhtes Risiko von Hitzewellen, Dürren und Waldbränden an einem Extrem des Wasserkreislaufs und verstärkte Starkregenfälle und Überschwemmungsrisiken am anderen (Lin & Shullman, 2017; Peduzzi et al., 2012; Trenberth et al., 2003), die mit erhöhtem Wasserdampf und höheren Temperaturen in der Umwelt einhergehen.

Abbildung 1 Anomalien des Wärmeinhalts des Ozeans für den monatlichen (schwarz) und den jährlichen (rot) Zeitraum für (a) die obersten 2.000 m des globalen Ozeans und (b) für die obersten 160 m im Golf von Mexiko (gestrichelter Kasten in Abbildung 2), in 108 J m-2. (c) Die Anomalien der Meeresoberflächentemperatur im Golf von Mexiko. Für alle Zeitreihen ist der letzte Monat der Oktober 2017 und der letzte rote Punkt ist für Januar bis Oktober 2017. Die Basislinie ist 1961-1990.
Abbildung 1 Anomalien des Wärmeinhalts des Ozeans für den monatlichen (schwarz) und den jährlichen (rot) Zeitraum für (a) die obersten 2.000 m des globalen Ozeans und (b) für die obersten 160 m im Golf von Mexiko (gestrichelter Kasten in Abbildung 2), in 108 J m-2. (c) Die Anomalien der Meeresoberflächentemperatur im Golf von Mexiko. Für alle Zeitreihen ist der letzte Monat der Oktober 2017 und der letzte rote Punkt ist für Januar bis Oktober 2017. Die Basislinie ist 1961-1990.

Hurrikane bilden sich in der Regel über tropischen Ozeanen, wo die Meeresoberflächentemperaturen (SST) über 26°C liegen. Wie in Abschnitt 4.1 erörtert, müssen die atmosphärischen Bedingungen günstig sein, in der Regel mit hohem Wasserdampfgehalt, schwacher Windscherung (oder der Wirbel löst sich auf), schwacher statischer Stabilität und mit einer bereits bestehenden Störung, die die Konvektion organisiert. Im Atlantik entstehen die Störungen in der Regel über oder in der Nähe von Afrika, und die atmosphärischen Bedingungen gehen in der Regel Hand in Hand mit zyklonalen Bedingungen. Wie in Abschnitt 4.1 erörtert, können daher die Bedingungen in anderen Teilen der Tropen den Atlantik beeinflussen.

Es wird allgemein erwartet, dass sich der Klimawandel auf die Aktivität von Stürmen und Hurrikanen auswirkt, vor allem weil alle Stürme in einer wärmeren und feuchteren Umgebung auftreten, was zu mehr Niederschlägen und damit zur Freisetzung latenter Wärme führt, was wiederum Rückwirkungen auf die Feuchtigkeitskonvergenz hat (Trenberth, 2005; Trenberth & Fasullo, 2007). Für tropische Wirbelstürme (TCs; einschließlich Hurrikane oder Taifune) wird allgemein eine höhere Aktivität erwartet (Emanuel, 2007, 2013; Trenberth & Fasullo, 2008). Es könnte weniger, aber intensivere Stürme geben (d. h. relativ mehr Stürme der Kategorie 4/5; Knutson et al., 2015; Knutti & Sedláček, 2012; Sobel et al., 2016), zum Teil aufgrund von Veränderungen der atmosphärischen Stabilität und zum Teil, weil einige wenige größere Stürme viele kleinere Stürme in Bezug auf ihre Auswirkungen auf den Ozean ersetzen können (Trenberth & Fasullo, 2008). Diese Ergebnisse stammen jedoch größtenteils aus globalen Modellierungsexperimenten, die tropische Stürme nur grob auflösen, während dynamisch herunterskalierte Experimente eine Zunahme sowohl der Häufigkeit als auch der Intensität feststellen (Emanuel, 2013).

Tropenstürme und Hurrikane erzeugen sehr starke Winde, die die turbulenten Flüsse an der Oberfläche, vor allem die Verdunstung (latente Wärme), um eine Größenordnung oder mehr erhöhen (Lin et al., 2008, 2009; Shay et al., 1992; Trenberth et al., 2007). Die erhöhte atmosphärische Feuchtigkeit fließt in den Hurrikan und heizt den Sturm selbst an. Mit zunehmender Intensität werden die Spiralarmbänder kreisförmiger und können eine neue Augenwand bilden, die als Augenwandersatz bezeichnet wird, wobei die neue Augenwand einen viel größeren Radius hat (Sitkowski et al., 2012). Solche Augenwandverschiebungen traten bei Irma mehrmals auf, was zu einem sehr großen Hurrikan führte. Während also der Ozean die Energiequelle des Sturms ist, kühlt der obere Ozean ab, da die Wärme nach unten gemischt wird, insbesondere durch Verdunstungskälte, und hinterlässt eine kalte Spur (Brand, 1971; Cheng et al., 2015; Emanuel, 2015; Mei & Pasquero, 2013; Price, 1981; Sriver & Huber, 2007), die in der unmittelbaren Umgebung ein ungünstigeres Umfeld für nachfolgende Stürme schafft (Brand, 1971; Lloyd & Vecchi, 2011).

Der Prozess der Anzapfung der oberen OHC und die Bildung des Kaltluftsogs bedeutet, dass die Nachhaltigkeit des Sturms (Lebensdauer, Größe und Intensität) von der OHC abhängt, und eine höhere OHC trägt zu mehr Niederschlag bei (Lin et al., 2011). Die Energie äußert sich sowohl in kinetischer Energie über hohe Windgeschwindigkeiten und die Intensität des Sturms als auch in latenter Energie, die in der Atmosphäre als Feuchtigkeit in Form von Starkniederschlägen umgesetzt wird. Nach dem Sturm kann die Abkühlung des oberen Ozeans jedoch innerhalb weniger Wochen durch die solare Erwärmung wiederhergestellt werden (Balaguru et al., 2014; Cheng et al., 2015; Mei & Pasquero, 2013), und andere großräumige Schwankungen (z. B. globale Erwärmung, El Niño-Southern Oscillation [ENSO]) können die niederfrequenten Veränderungen der OHC dominieren, was die Untersuchung von Zusammenhängen zwischen OHC und TZ erschwert. Frühere Studien, die monatliche oder saisonale Daten verwenden, verwischen den wichtigen Unterschied zwischen den Auswirkungen der OHC auf den Sturm “vor” und den Auswirkungen des Sturms auf die OHC “nach” dem Sturm. Der Hauptgrund für diese Einschränkung ist das Fehlen von Beobachtungen des Ozeanuntergrunds mit einer Auflösung von Tag zu Tag. Frühere Studien verwendeten entweder indirekte Beobachtungen des Ozeanuntergrunds (d. h. rekonstruierte Ozeanbeobachtungen aus hochauflösenden Daten der Meeresoberflächenhöhe; Jaimes et al., 2015; Rogers et al., 2017) oder eine zusammengesetzte Methode, bei der alle Argo-Daten über viele TCs gesammelt wurden, um eine mittlere Ozeanantwort zu erhalten (Cheng et al., 2015).

Da Hurrikan Harvey ziemlich isoliert über dem Golf von Mexiko wütete, bietet sich die einmalige Gelegenheit, die Verbindungen zwischen Ozean und TZ direkt anhand von In-situ-Beobachtungen des Ozeans zu untersuchen. Harvey ereignete sich in einem Gebiet mit einer rekordverdächtigen Erwärmung des Golfs (Abbildung 1b) und bietet daher die Möglichkeit, einen Sturm in einer Umgebung mit anomaler OHC zu untersuchen, und liefert einen kurzen Kommentar zur Rolle von Hurrikanen im Klimasystem. Am Beispiel von Harvey wird in dieser Studie der Zusammenhang zwischen OHC und Hurrikanen aus einer Energie- und Feuchtigkeitsperspektive untersucht, und angesichts der extremen Regenfälle und der Verwüstungen, die Harvey über Land angerichtet hat, werden auch die Auswirkungen auf die Anpassung kurz erläutert. Die Daten und Methoden werden in Abschnitt 2 vorgestellt. Die OHC- und SST-Änderungen während Harvey werden in Abschnitt 3 vorgestellt, gefolgt von einer detaillierten Analyse der Niederschläge. Der allgemeinere Kontext für die Ereignisse des Sommers 2017 wird in Abschnitt 4 erörtert, ebenso wie die Bedeutung der Anpassung an Naturgefahren.

Daten und Methoden

Die Daten zum Wärmeinhalt des Ozeans werden aus dem globalen Ozeantemperatur-Gitterdatensatz des Institute of Atmospheric Physics (Cheng et al., 2017) mit einer räumlichen Auflösung von 1° × 1° und einer zeitlichen Auflösung von einem Monat für die oberen 0-2.000 m berechnet, der von Januar 1940 bis Oktober 2017 verfügbar ist. Dieser Datensatz umfasst alle verfügbaren Ozeantemperaturbeobachtungen, die in der World Ocean Database zur Verfügung gestellt werden, einschließlich Argo, tragbare Bathythermographen, Messungen an Bord von Schiffen, Verankerungen, autonome Bathythermographenbeobachtungen von Pinnipeden usw. In dieser Studie konzentrieren wir uns auf die OHC in den oberen 160 m für verschiedene Regionen einschließlich des Golfs von Mexiko (18°N-30°N, 88°W-98°W). Zur Berechnung der OHC-Änderung vor und nach Harvey folgen wir der Methode in Cheng et al. (2017), führen die Rekonstruktion aber für zwei Zeiträume durch: 1. bis 20. August (vorher) und 1. bis 20. September 2017 (nachher), und wir entfernen Einflüsse des Jahreszyklus, indem wir die Werte auf die Klimatologie 1961-1990 beziehen. Die unregelmäßige Abtastung der In-situ-Beobachtungen kann zur Unsicherheit beitragen (Abbildung 3, siehe unten): Die Kartierungsmethode wurde entwickelt, um die erhebliche räumliche Variabilität des Ozeans zu mitteln (Cheng et al., 2015; Prasad & Hogan, 2007; Price, 1981), um eine zuverlässige Nettoveränderung zu erhalten. Die Ergebnisse können auch durch die nahezu trägheitslose (1 bis 2 Tage) Bewegung der Meeresströmungen beeinflusst werden, die durch starke Sturmwinde angetrieben werden und die Auf- und Abwärtsbewegung der Meeresisothermen ohne Beteiligung des Wärmeaustauschs zwischen Luft und Meer bewirken. Die Kartierungsmethode, bei der alle verfügbaren Daten über ein großes Gebiet innerhalb eines Zeitraums gemittelt werden, reduziert die Auswirkungen dieser kurzzeitigen Schwankungen. Die Unsicherheit der OHC-Änderung vor und nach Harvey wird aus der Fähigkeit der aktuellen Beobachtungen abgeleitet, die OHC mit Hilfe einer Bootstrap-Methode abzubilden: 80 % der Daten im Golf von Mexiko werden zufällig ausgewählt und zur Berechnung des OHC-Differenzsignals verwendet; dies wird 15 Mal wiederholt, und die Standardabweichung der Ergebnisse wird berechnet. Für das Signifikanzniveau wurde das 2-fache der Standardabweichung ~95% verwendet.

Die Verwendung von 0-160 m für die OHC-Änderung steht im Einklang mit einer früheren Methode, die die OHC oberhalb der 26°C-Isotherme bewertet, die aus Satellitendaten der Meeresoberflächenhöhe abgeleitet wurde (Jaimes et al., 2015; Rogers et al., 2017); wir untersuchen jedoch auch die integrierte OHC für 300, 700 und 2.000 m Tiefe. Die Verwendung von in situ Argo-Ozeanbeobachtungen profitiert von der hohen Genauigkeit der direkten Beobachtungen der Bedingungen unter der Meeresoberfläche.

Monatliche SST-Daten des Hadley Center wurden ebenfalls verwendet (Rayner et al., 2003), um die SST im Golf von Mexiko zu untersuchen (Abbildung 1c). Zur Untersuchung der SST-Veränderungen vor und nach Harvey werden tägliche hochauflösende SST-Daten der NOAA verwendet (Quelle und Zugang siehe Danksagung).

Für den Niederschlag wurden Schätzungen aus dem Produkt Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement (IMERG; Huffman et al., 2014), V4 und V5 (early und final), abgerufen am 29. November 2017 und 8. Januar 2018, verwendet. Wir haben auch tägliche/monatliche Analysen des Global Precipitation Climatology Project (GPCP; Huffman et al., 2009) und monatliche Analysen des Global Precipitation Climatology Centre (GPCC; Schneider et al., 2014) des Niederschlags zum Vergleich herangezogen, letztere nur über Land, um die Unsicherheit zu ermitteln.

Wir verwenden auch atmosphärische Daten aus den globalen Reanalysen der ECMWF Interim Re-Analysis (ERA-I; Dee et al., 2011; siehe auch Trenberth et al., 2011) und der North American Regional Reanalysis (NARR; Mesinger et al., 2006). Letztere hat eine 32-km-Auflösung alle 3 Stunden für Nordamerika und hat den potenziellen Vorteil, dass sie Niederschlagsdaten von Landstationen assimiliert. Für die Strahlung an der Oberseite der Atmosphäre (TOA) verwendeten wir den CERES-Datensatz (Loeb et al., 2009) als Klimatologie sowie das operationelle FLASHFlux-Produkt, um den Zeitraum des Hurrikans abzudecken.

Ergebnisse

OHC, SST und Hurrikan Harvey

Harvey entwickelte sich östlich der Windward-Inseln und erreichte vom 17. August bis zum 1. September 2017 den Status eines tropischen Sturms (Abbildung 2); siehe Blake und Zelinsky (2018). Er zog vom 17. bis 23. August über das Karibische Meer und begann sich am 24. August rasch zu verstärken und wurde noch am selben Tag zum Hurrikan. Auf seinem Weg nach Nordwesten verstärkte sich Harvey am 25. August weiter und wurde zu einem schweren Hurrikan der Kategorie 4. Stunden später traf Harvey in der Nähe von Rockport, Texas, mit höchster Intensität auf Land. Die Zunahme der Stärke und Größe bedeutete, dass sich die Zirkulation des Hurrikans auch nach dem Landfall noch weit über den Golf ausdehnte, wo ein kontinuierlicher Feuchtigkeitsstrom den Sturm nährte und verlängerte, lange nachdem die meisten Stürme abgeklungen wären. (P. Klotzbach [persönliche Mitteilung 2018] fand in einer Studie heraus, dass die mittlere Zeitspanne, in der Hurrikane in Texas an Land gehen, bevor sie sich unter tropische Sturmstärke abschwächen, 27 Stunden beträgt). Sicherlich war die Zugbahn von Harvey ungewöhnlich, aber sie wurde wahrscheinlich hauptsächlich durch die synoptische Wetterlage bestimmt.

Abbildung 2 Wärmeinhalt des Ozeans (OHC) und Niederschlag im Golf von Mexiko mit Harvey. OHC für die oberen 160 m als Abweichung vom Mittelwert für 1961-1990 für (oben) 1-20 August, (Mitte) 1-20 September und (unten) 1-20 September bis 1-20 August 2017 in 108 J m-2. Die Zugbahn des tropischen Wirbelsturms Harvey ist enthalten. Der Kasten zeigt die Region an, in der die Statistiken für den Golf von Mexiko in dieser Studie berechnet wurden.
Abbildung 2 Wärmeinhalt des Ozeans (OHC) und Niederschlag im Golf von Mexiko mit Harvey. OHC für die oberen 160 m als Abweichung vom Mittelwert für 1961-1990 für (oben) 1-20 August, (Mitte) 1-20 September und (unten) 1-20 September bis 1-20 August 2017 in 108 J m-2. Die Zugbahn des tropischen Wirbelsturms Harvey ist enthalten. Der Kasten zeigt die Region an, in der die Statistiken für den Golf von Mexiko in dieser Studie berechnet wurden.

Die Wärme aus dem Ozean ist der Treibstoff für Hurrikane. Dementsprechend wäre ein Wärmeverlust des Ozeans nach Harvey zu erwarten. In den Wochen vor Harvey 2017 befand sich die OHC im Golf von Mexiko auf einem Rekordniveau (Abbildungen 1b, 2 und 3), und sehr hohe SST-Werte (>30 °C) bereiteten den Boden für Harvey (Abbildung 4). Ein Vergleich der OHC nach Harvey für den Zeitraum vom 1. bis 20. September mit dem Zeitraum vom 1. bis 20. August vor Harvey im Golf (Abbildung 2) zeigt, dass die OHC in 160 m Tiefe (OHC160) durch Harvey abrupt um 5,93 ± 0,97 × 1020 J verringert wurde, wobei die Unsicherheit das Zweifache der Standardabweichung beträgt. Dies entspricht einem monatlichen Wärmeverlust des Ozeans von ~0,23 PW im Golf, was 201 W m-2 über 31 Tage entspricht.

Abbildung 3 Argo-Beobachtungen unter Harvey. (links) Standorte von drei Argo-Schwimmern im Zusammenhang mit Harvey; die Zahlen sind die Argo-Seriennummern, die zur Identifizierung des Argo-Schwimmers verwendet werden. (rechts) Von den drei Argo-Schwimmern beobachtete Temperaturprofile vor (Beobachtungsdaten: 13., 18., 20. und 23. August) und nach Harvey (Beobachtungsdaten: 28. und 30. August). Der Einschub zeigt die Gesamtverteilung der Profile für den Zeitraum vom 1. bis 20. August (178, orange) und vom 1. bis 20. September 2017 (370, blau).
Abbildung 3 Argo-Beobachtungen unter Harvey. (links) Standorte von drei Argo-Schwimmern im Zusammenhang mit Harvey; die Zahlen sind die Argo-Seriennummern, die zur Identifizierung des Argo-Schwimmers verwendet werden. (rechts) Von den drei Argo-Schwimmern beobachtete Temperaturprofile vor (Beobachtungsdaten: 13., 18., 20. und 23. August) und nach Harvey (Beobachtungsdaten: 28. und 30. August). Der Einschub zeigt die Gesamtverteilung der Profile für den Zeitraum vom 1. bis 20. August (178, orange) und vom 1. bis 20. September 2017 (370, blau).
Abbildung 4 Meeresoberflächentemperaturen für (oben) 1-20 August und (Mitte) 1-20 September 2017. (unten) Anomalie-Differenz zwischen dem 1. und 20. September und dem 1. und 20. August nach Entfernung der täglichen Klimatologie in °C.
Abbildung 4 Meeresoberflächentemperaturen für (oben) 1-20 August und (Mitte) 1-20 September 2017. (unten) Anomalie-Differenz zwischen dem 1. und 20. September und dem 1. und 20. August nach Entfernung der täglichen Klimatologie in °C.

Diese OHC-Veränderungen könnten auch von anderen Hurrikanen im August (Franklin) und September (Irma, Katia) beeinflusst worden sein, während andere weiter östlich gelegene Gebiete (Gert, Jose, Lee und Maria) im Atlantik und in der Karibik im September betroffen waren. Diese Auswirkungen tragen zur Unsicherheit unserer Berechnungen bei, aber die meisten der starken Hurrikane lagen außerhalb der Golfregion. Nur Katia lag im Golf, aber innerhalb von 20-22,5°N. Aufgrund seiner relativ geringen Größe und kurzen Dauer könnte er einen kleinen Teil der OHC-Abnahme im Golf verursacht haben. Um eine ungefähre Obergrenze für die Auswirkungen von Katia zu ermitteln, berechnen wir die OHC-Änderung südlich von 22°N in dem gestrichelten Kasten in Abbildung 2. Die OHC-Abnahme vom 1. bis 20. August bis zum 1. bis 20. September beträgt 1,32 ± 0,97 × 1020 J. Darin sind jedoch auch die Auswirkungen von Harvey enthalten, der sich vom 23. bis 24. August in der Nähe von 21°N befand.

Großräumige Schwankungen, wie ENSO, könnten ebenfalls zu den beobachteten OHC-Veränderungen im Golf von Mexiko beitragen. Zum Beispiel neigt die OHC im Golf von Mexiko dazu, mehrere Monate nach dem Höhepunkt von El Niño zu sinken. Die Regression zwischen der Temperaturänderung in der Nino3.4-Region (unter Verwendung des Oceanic Niño Index) und der OHC160-Tendenz im Golf von Mexiko zeigt einen schwachen, aber unbedeutenden Rückgang von OHC160 nach El Niño mit 5-6 Monaten Verzögerung. Darüber hinaus verzeichneten die Regionen außerhalb der Golfbox (Abbildung 2) im gleichen Zeitraum einen sehr schwachen OHC-Anstieg von ~0,93 × 1020 J für die oberen 160 m. Daher ist es offensichtlich, dass Harvey für den größten Teil der Abkühlung im Golf verantwortlich war.

TCs entziehen dem Ozean im Allgemeinen Wärme, hauptsächlich durch Verdunstungskühlung, und mischen auch Wärme in der Vertikalen (Emanuel, 2003; Trenberth et al., 2007). Die vertikale Durchmischung dient jedoch lediglich der Umverteilung von Wärme und kann durch Integration in größere Tiefen bewertet werden. Für die Box über dem Golf von Mexiko betrug die OHC-Änderung in 300 und 700 m Tiefe 7,07 ± 1,13 × 1020 bzw. 8,77 ± 1,11 × 1020 J, beide etwas größer als die Abkühlung in den oberen 160 m. Dies deutet darauf hin, dass die Durchmischung kein Faktor für die Abkühlung der oberen 160 m war und stattdessen andere großräumige Prozesse, wie das Ekman-Pumpen, eine Rolle spielten. Es ist wahrscheinlich, dass die starken zyklonalen Winde in Harvey zu einer oberflächennahen Divergenz des Ozeanwassers führten, und dieser Auftrieb könnte für die zunehmende Abkühlung mit zunehmender Tiefe verantwortlich sein. Im Gegensatz dazu dürfte es in der weiter östlich von Harvey gelegenen Region, wo der klare, sonnige Himmel die Erwärmung noch verstärkt, zu einem gewissen Auftrieb kommen, der zu dem bescheidenen Anstieg der OHC führt.

Die kontinuierliche Wärmepumpe aus dem Ozean durch Harvey macht ihn zu einem in sich geschlossenen Sturm. Wie von mehreren Argo-Floats beobachtet (Abbildung 3), lagen die oberflächennahen Temperaturen vor dem Durchzug des Sturms bei über 30 °C; siehe auch Abbildung 4. Nach dem Durchzug des Sturms sank die oberflächennahe Ozeantemperatur (Abbildung 3) um 2 °C, lag aber immer noch bei 28,5 °C und damit über dem SST-Grenzwert für TKs. SST-Beobachtungen von Satelliten (Abbildung 4) zeigen ebenfalls eine breite Region im Golf von Mexiko mit einer SST von über 30 °C vor Harvey (1.-20. August) und einer durchschnittlichen Abkühlung von 1 bis 2 °C nach Harvey (vergleiche 1.-20. September mit 1.-20. August; Abbildungen 3 und 4). Dies deutet darauf hin, dass der “kalte Windschatten” nicht kalt genug war, um die Intensität des Hurrikans signifikant zu unterdrücken, so dass Harvey weiter über Land ziehen konnte, während die warmen Meeresbedingungen die Sturmentwicklung weiterhin begünstigten. Daraus folgt, dass die wärmeren Ozeane das Risiko einer größeren Hurrikanintensität und -dauer erhöht haben.

Niederschlag

Bei den rekordverdächtigen Niederschlägen von Harvey (Risser & Wehner, 2017) fielen an mehreren Orten mehr als 1 500 mm (60 Zoll). Emanuel (2017) hat gezeigt, wie die Wahrscheinlichkeit außergewöhnlich hoher Niederschläge in Harvey-ähnlichen Stürmen aufgrund des Klimawandels zugenommen hat, und Risser und Wehner (2017) fanden mithilfe einer Extremwertanalyse heraus, dass der Klimawandel die Harvey-Niederschläge über Land um etwa 37,7 % erhöht hat. van Oldenborgh et al. (2017) fanden heraus, dass die globale Erwärmung die Niederschläge in Harvey um 15 % (8 bis 19 %) erhöht hat, wobei ein Modell mit grober Auflösung verwendet wurde. Beide Studien basierten auf Daten aus der Vergangenheit und stellten fest, dass Harvey ein extrem seltenes Ereignis war, aber sie befassten sich nicht mit der Dynamik oder dem Umfeld des spezifischen Ereignisses. Wang et al. (2018) berücksichtigten die Dynamik der Situation mit Hilfe von Modellexperimenten und fanden eine Zunahme der Niederschläge um 20 oder 26 % (13 bis 40 %) (je nach Tagen). Magnusson et al. (2017) bewerteten die Leistung des hochauflösenden ECMWF-Vorhersagemodells bei der Vorhersage der Intensität und der Niederschläge von Harvey und zeigten, dass die Intensität in den Vorhersagen zwar nicht gut wiedergegeben wurde, die starken Regenfälle über Texas jedoch robust waren und gut wiedergegeben wurden, was die Tatsache unterstreicht, dass sie nicht von den Details des Sturms abhingen, sondern eher von den Meeresbedingungen (d. h. SST) und dem Wasserdampf in der Atmosphäre. Die Leistung des hochauflösenden Modells war besser als die des niedriger aufgelösten Ensemble-Mittelwerts der Vorhersage.

Für den Zeitraum vom 17. bis 31. August ergab eine Schätzung der Gesamtniederschlagsmenge (Abbildung 5), dass etwa die Hälfte des Gebiets erheblichen Niederschlägen ausgesetzt war und die meisten Niederschläge nach dem 23. August fielen. Die Niederschlagsschätzungen sind jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Für IMERG werden mehrere Produkte erstellt, um den operationellen Bedarf zu decken, und ein “endgültiges” Produkt wird einige Monate später erstellt. Zwischen den frühen IMERG-Daten und den “endgültigen” Daten gibt es erhebliche Unterschiede. Die frühen Daten zeigten vor dem 26. August deutlich höhere Niederschlagsmengen über dem Meer, während die “endgültigen” Werte über dem Land höher sind. Dementsprechend haben wir die beiden Daten kombiniert, um die Unsicherheiten zu bewerten und festzustellen, welche Felder wahrscheinlicher sind. Das “endgültige” Produkt scheint nicht mit den OHC-Verlusten übereinzustimmen. Abbildung S1 in den begleitenden Informationen zeigt vier verschiedene Schätzungen unter Verwendung von IMERG und GPCP, wobei letzteres eine viel gröbere Auflösung hat. Die Durchschnittswerte für die Gesamtfläche sind in Tabelle 1 angegeben.

Abbildung 5 Vom 17. bis 31. August 2017 akkumulierter Harvey-Niederschlag (oben). Die Werte stammen aus Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement "early" vom 17. bis 26. August und "final" vom 26. bis 31. August. (unten) Tägliche Zeitreihe des Gesamtniederschlags, integriert über die angegebene Region für den 17. bis 31. August 2017 in 1012 kg. Zehn Einheiten entsprechen 7,55 mm.
Abbildung 5 Vom 17. bis 31. August 2017 akkumulierter Harvey-Niederschlag (oben). Die Werte stammen aus Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement “early” vom 17. bis 26. August und “final” vom 26. bis 31. August. (unten) Tägliche Zeitreihe des Gesamtniederschlags, integriert über die angegebene Region für den 17. bis 31. August 2017 in 1012 kg. Zehn Einheiten entsprechen 7,55 mm.

Tabelle 1. Gesamtniederschlag 18-33°N, 100-88°W aus verschiedenen Produkten für die angegebenen Daten und kombiniert in kg, dann umgerechnet in mm durch Division durch die Fläche (die für GPCP leicht abweicht) und in Latentwärmeeinheiten

Anmerkung. GPCP, Global Precipitation Climatology Project; IMERG, Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement.
Anmerkung. GPCP, Global Precipitation Climatology Project; IMERG, Integrated Multi-satellitE Retrievals for Global Precipitation Measurement.

Vom 17. bis 31. August fielen zwischen 18 und 33°N 88-100°W durchschnittlich 120 mm Niederschlag, das sind 2,4 × 1014 kg auf einer Fläche von 2,0 × 1012 m2. Daraus ergeben sich 6,0 × 1020 J latente Energie im Niederschlag, die aus dem Ozean in situ plus der Feuchtigkeitskonvergenz aus den angrenzenden Gebieten sowohl im Ozean als auch in der Atmosphäre stammen muss (Trenberth & Fasullo, 2007, 2008).

Um die Unsicherheit im Niederschlag weiter zu bewerten, haben wir mehrere Produkte nur über Land für den Zeitraum vom 1. bis 31. August 2017 verglichen (GPCC, GPCP und IMERG [final]). Für das Land 27 bis 33°N, 100-89°W, eine Fläche von 5,97 × 1011 m2, reichen die Werte von 1.477 bis 1.518 bis 1.588 × 1011 kg (247 bis 266 mm), wobei IMERG in der Mitte liegt. Die beiden Standardabweichungen der drei Werte betragen demnach 112 × 1011 kg (entsprechend der Spanne der drei Werte: 7,3 %), und die Streuung um den IMERG-Wert beträgt +4,6 % bis -2,7 %. Für das gesamte Gebiet für den Zeitraum vom 17. bis 21. August (Tabelle 1) ergibt das GPCP 5,64 × 1020 J, was eher mit dem frühen IMERG übereinstimmt, während unser kombiniertes Produkt (Abbildung 5) 6,0 × 1020 J ergibt, was hervorragend mit dem Energieverlust in den oberen 160 m des Ozeans unter dem Sturm übereinstimmt.

Energie- und Feuchtigkeitsbudgets

Der klimatologische mittlere Netto-Oberflächenenergiefluss von August 2001 bis 2016 für die Ozeanbox im Golf von Mexiko (18-30°N 88-98°W) beträgt -33 W m-2 (d. h. in den Ozean, mit einer Standardabweichung von ±10 W m-2), basierend auf unseren Wärme- und Wasserhaushaltsstudien (z. B. Trenberth & Fasullo, 2017). Der jährliche mittlere Netto-Oberflächenfluss ist höher, etwa -50 W m-2, und dies bedeutet eine Divergenz des ozeanischen Wärmetransports innerhalb des Ozeans, von dem ein Teil den nordwärts gerichteten Wärmetransport im Golfstrom speist.

Auf der Grundlage unserer Budgetanalyse liegen die klimatologischen mittleren Netto-Strahlungsflüsse an der Oberfläche bei 195 W m-2 nach unten, vor allem wegen der starken Sonneneinstrahlung, und die turbulenten Netto-Flüsse bei 162 W m-2 nach oben. Yu und Weller (2007) und Pinker et al. (2014) stellen eine Aufschlüsselung der Oberflächenflüsse mit konventionellen Mitteln vor und zeigen, dass aufgrund des sehr geringen fühlbaren Wärmeflusses (typischerweise weniger als 10 W m-2 im August) der turbulente Netto-Oberflächenfluss vom latenten Wärmefluss dominiert wird. Bei Katrina (Trenberth & Fasullo, 2007) war der fühlbare Wärmestrom um einen Faktor 5 bis 10 geringer als der latente Wärmestrom.

In unserer Studie berechneten wir den OHC-Verlust über einen Monat, vom 1. bis 20. August bis zum 1. bis 20. September 2017, als 8,8 × 1020 J für die obersten 700 m, und der Abzug des Anstiegs in der Umgebung ergibt 7,8 × 1020 J. Wenn wir annehmen, dass der Netto-Oberflächenfluss für die 16 Tage außerhalb des 17. bis 31. August etwa Null ist, dann beträgt die anomale Abkühlung durch den implizierten Netto-Oberflächenfluss über der Ozeanbox des Golfs von Mexiko für den 17. bis 31. August 550 W m-2. Die Netto-Strahlungsanomalien sind, wie weiter unten erläutert, gering (-3 W m-2). Da die SSTs etwas höher waren als die Oberflächenlufttemperaturen (Blake & Zelinsky, 2018), trägt der fühlbare Wärmestrom bei, und von NARR ist 8 W m-2. Berücksichtigt man darüber hinaus eine ozeanische Wärmedivergenz von 33 W m-2, reduziert sich der geschätzte latente Verdunstungswärmefluss auf etwa 500 ± 77 W m-2. Dadurch wird die Atmosphäre befeuchtet.

Die Niederschlagsmenge für das Gebiet 18-33°N 88-100°W für den 17.-31. August (Abbildung 5) entspricht 421 ± 30 W m-2, wenn sie auf das Ozeangebiet in der Golfbox angewendet wird. Ein Teil der Feuchtigkeit wird außerhalb dieser Box transportiert, insbesondere nach Osten in die quasistationäre Front in der Nähe der Golfküste (Abbildung S2), und ein Teil wird in der Atmosphäre für spätere Niederschläge weiter nördlich zurückgehalten, als die Überreste von Harvey im September nach Norden vorrückten.

Wir haben versucht, mit Hilfe von ERA-I- und NARR-Reanalysen Einblicke in den Feuchtigkeitshaushalt zu gewinnen. Leider ist keine der beiden Reanalysen sehr hilfreich, um einen Schlussstrich unter Harvey zu ziehen, da ihre Darstellung des Sturms schlecht war. ERA-I analysierte den minimalen Oberflächendruck mit 1.000 hPa gegenüber den beobachteten 937 hPa (Blake & Zelinsky, 2018). Für NARR lag der analysierte minimale Luftdruck auf Meereshöhe bei 988,3 hPa. Selbst die höher aufgelösten operationellen Modelle des ECMWF schnitten in Bezug auf die Intensitätsvorhersagen schlecht ab (Magnusson et al., 2017). Nichtsdestotrotz haben wir die vertikalen Integrale der atmosphärischen Feuchtetransporte und deren Divergenz berechnet (Abbildung S2). Letztere sind gleich der Oberflächenverdunstung E minus dem Niederschlag P, plus einer kleinen atmosphärischen Speicherung (Tendenzterm), die wir ebenfalls berechnen (z. B. Trenberth et al., 2011). Normalerweise ist das E-P aus dem Feuchtigkeitsbudget realistischer als die E- oder P-Felder (Trenberth & Fasullo, 2013), aber nicht in diesem Fall. Stattdessen sind die Ergebnisse des E-P-Budgets (Abbildung S2) in beiden Fällen recht dürftig. Die Feuchtigkeitskonvergenz muss über dem Land in der Nähe von Houston eine wesentliche Rolle spielen, aber die Werte liegen nur bei bis zu 500 mm, was angesichts der Niederschläge eine große Verdunstung (über 400 mm) impliziert, während das E aus den Reanalysen weniger als 80 mm beträgt (nicht gezeigt). Über dem Ozean südlich von Texas betrug der E-Wert der Reanalyse bis zu 160/120 W m-2 (ERA-I/NARR), was viel zu gering ist, da die Feuchtigkeitskonvergenz und die Oberflächenverdunstung nicht annähernd den beobachteten Niederschlag ausgleichen können. Die Feuchtigkeitsbudgets in den Reanalysen sind nicht geschlossen. Dies deutet darauf hin, dass sowohl die Oberflächenflüsse als auch die Feuchtigkeitskonvergenz von den Reanalysen stark unterschätzt wurden, was mit den viel zu schwachen Hurrikanwinden übereinstimmt.

Die TOA-Strahlung für das Netz, die reflektierte Kurzwelle (RSW) und die ausgehende Langwelle (OLR), wobei das Netz = -RSW – OLR nach unten gerichtet ist, ist in Abbildung S3 dargestellt. Es gibt eine starke Aufhebung zwischen der RSW und der OLR, wie es in den Tropen mit Konvektion üblich ist, weil hohe Wolken die Sonne blockieren (reflektieren), aber weil die Wolkenoberseiten kalt sind, haben sie eine niedrige OLR (Trenberth et al., 2015). Das Fehlen von Konvektion, wie im Südwesten des vorgestellten Gebiets, zeigt das umgekehrte Vorzeichen der Anomalien. Diese Felder weisen eine starke Harvey-Signatur auf, und die RSW ist eindeutig viel stärker als die OLR, was zu einer Abkühlung der darunter liegenden Atmosphäre und des Ozeans beiträgt. Mit anderen Worten, die ausgedehnten hellen Wolken von Harvey reflektierten die starke Sommersonne zurück in den Weltraum, und diese Sonnenstrahlung würde normalerweise den Ozean erwärmen. Der Flächenmittelwert beträgt jedoch nur -3 W m-2, was 8 × 1018 J für den 15-Tage-Zeitraum entspricht, also mehr als eine Größenordnung weniger als der OHC-Verlust und die latente Wärmeabgabe.

Wir berechneten auch die Gesamtsäule der atmosphärischen Energiedivergenz alle 6 Stunden für August 2017 (Trenberth & Fasullo, 2017; nicht gezeigt), die für einen so kurzen Zeitraum ziemlich verrauscht ist und eine große Unsicherheit aufweist, da sie nicht massenbudgetkorrigiert ist, aber gemittelt über die Region vom 17. bis 31. August etwa 160 W m-2 beträgt. Die Anwendung dieses Wertes auf eine Region, die dreimal so groß ist wie die Ozeanbox, reicht aus, um die Ausbreitung der latenten Wärmeenergie zu berücksichtigen. Durch die atmosphärische Zirkulation sind die Auswirkungen von Harvey auf die latente Wärme und die TOA-Strahlung also über ein viel größeres Gebiet verteilt (siehe Abbildung 6) und schwer zu isolieren. Insgesamt trägt die Strahlung in diesem Bereich nur wenig zur allgemeinen OHC-Tendenz bei, aber sie hilft, einen Teil der freigesetzten latenten Wärme auszugleichen.

Abbildung 6 Schematischer Querschnitt eines Hurrikans bei sehr hohen Meeresoberflächentemperaturen und hohem Wärmeinhalt des Ozeans, die die Verdunstung erhöhen (blaue dünne Pfeile). Die Feuchtigkeit strömt in den Sturm (orangefarbene Pfeile) und führt zu heftigen Niederschlägen (blaue Tropfen rechts), die der Luft Auftrieb verleihen. Die Feuchtigkeit in Form von Regen führt zusammen mit einer Sturmflut zu Überschwemmungen. Der Abfluss des Sturms in höheren Lagen ist ebenfalls abgebildet. (Mit freundlicher Genehmigung von Steven Deyo, NCAR).
Abbildung 6 Schematischer Querschnitt eines Hurrikans bei sehr hohen Meeresoberflächentemperaturen und hohem Wärmeinhalt des Ozeans, die die Verdunstung erhöhen (blaue dünne Pfeile). Die Feuchtigkeit strömt in den Sturm (orangefarbene Pfeile) und führt zu heftigen Niederschlägen (blaue Tropfen rechts), die der Luft Auftrieb verleihen. Die Feuchtigkeit in Form von Regen führt zusammen mit einer Sturmflut zu Überschwemmungen. Der Abfluss des Sturms in höheren Lagen ist ebenfalls abgebildet. (Mit freundlicher Genehmigung von Steven Deyo, NCAR).

Unterm Strich ist die gesamte beobachtete OHC-Änderung bemerkenswert kompatibel mit der durch Niederschläge freigesetzten Gesamtenergie und spiegelt, wenig überraschend, einen starken Energieaustausch während des Hurrikans wider. Dementsprechend haben die rekordverdächtigen OHC-Werte nicht nur die latente Wärme erhöht, die den Sturm selbst anheizte und wahrscheinlich seine Größe und Intensität steigerte, sondern wahrscheinlich auch wesentlich zu den Überschwemmungen beigetragen, die durch Regenfälle an Land verursacht wurden. Wäre die OHC niedriger gewesen, wären auch die Niederschlagsmengen geringer ausgefallen (wie beim Taifun Morakot festgestellt wurde, Lin et al., 2011).

Angesichts der Tatsache, dass die SST seit 1960 aufgrund des anthropogenen Klimawandels um etwa 0,6 °C gestiegen ist (siehe Abbildung 1), befindet sich im Durchschnitt etwa 5 % mehr Feuchtigkeit in der Atmosphäre (Trenberth et al., 2005). Dies schlägt sich durch die Feuchtigkeitskonvergenz direkt in verstärktem Niederschlag nieder, verstärkt und vergrößert aber auch den Sturm, so dass die Nettozunahme bei Abwesenheit anderer Effekte um einen Faktor 2 bis 4 größer sein dürfte (Trenberth et al., 2003). Für Harvey wurde eine Verstärkung von etwa 37,7 % (Risser & Wehner, 2017) bzw. 20 oder 26 % (je nach Tagen) ermittelt (13 bis 40 %; Wang et al., 2018). Eine Zunahme der Niederschläge um 35 % aufgrund des Klimawandels würde also stellenweise bis zu 15 Zoll (380 mm) betragen.

Diskussion

Zusammenhang zwischen Wirbelstürmen und der Erwärmung des Ozeans

Da ein wärmerer Ozean eine höhere TZ-Aktivität begünstigt, untersuchen wir kurz die Beziehungen zum OHC im Allgemeinen. Die Zunahme der atlantischen Hurrikanaktivität im 20. Jahrhundert wurde hauptsächlich auf den Anstieg der tropischen atlantischen SST über der Hauptentstehungsregion für TZ in der Hurrikansaison (6°-18°N, 20°-60°W) zurückgeführt, der in erster Linie auf den Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen durch den Menschen zurückzuführen ist (Emanuel, 2005; Mann & Emanuel, 2006; Trenberth & Fasullo, 2008; Villarini & Vecchi, 2012). Über dem nördlichen tropischen Atlantik (0-30°N) stieg die OHC in der TC-Saison in den letzten fünf Jahrzehnten mit einer Rate von 0,07 × 108 J m-2 pro Jahr für 1970-2017 erheblich an. Diese Anstiege sind mit den globalen OHC-Anstiegen verbunden (Abbildung 1) und werden zweifellos durch den vom Menschen verursachten Klimawandel verursacht, wie in der Einleitung erläutert.

Es wird prognostiziert, dass sowohl die SST als auch die OHC in Zukunft ansteigen werden (IPCC, 2013); es wird eine wärmere und feuchtere Welt über den Ozeanen geben und mehr Energie für die Verdunstung zur Verfügung stehen (Emanuel, 2017; Trenberth & Fasullo, 2007; USGCRP, 2017; Yamada et al, 2017), was zu mehr TZ-Aktivität und mehr Niederschlag führt (Emanuel, 2017; Knutson et al., 2010, 2015; Knutti & Sedláček, 2012; Vecchi & Soden, 2007; Walsh et al., 2015; Yamada et al., 2017). Es stellt sich die Frage, ob die atmosphärischen Bedingungen, insbesondere die Stabilität und die Windscherung, ebenfalls günstig bleiben, was jedoch zumindest episodisch wahrscheinlich ist, da die Konvektion eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der Atmosphäre spielt. Die Verdunstungskühlung des Ozeans durch starke Winde in der TZ befeuchtet die Atmosphäre und führt zu latenter Energie, die beim Auftreten von Niederschlägen realisiert wird und so den Sturm anheizt, wenn der Wasserdampf zu Wolken und Regen kondensiert und die Umgebungsluft erwärmt. Überschwemmungen sind dann zu erwarten, wenn die Niederschläge über Land fallen, und sowohl starke Regenfälle als auch Überschwemmungen können sich über beträchtliche Entfernungen ins Landesinnere ausbreiten. Ein sich erwärmender Ozean begünstigt also eine stärkere TZ-Aktivität und mehr Regenfälle und Überschwemmungen, was durch den Fall Harvey gut belegt wird.

Allerdings unterliegen sowohl die Hurrikanaktivität als auch die regionale OHC einer beträchtlichen Variabilität (Vecchi & Soden, 2007) auf der Zeitskala zwischen den Jahreszeiten, Jahren und Jahrzehnten (Abbildung 1b). Physikalisch gesehen ist die Abhängigkeit der Wirbelstürme von hohen SST-Werten als notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung bekannt. Da es sich um Schwellenwerte handelt, ist eine lineare Beziehung zwischen der OHC und der Hurrikanaktivität nicht zu erwarten; wenn die OHC und die SST niedrig sind, gibt es unterhalb eines bestimmten Niveaus wenig Aktivität. SST-Unterschiede spielen ebenfalls eine wichtige Rolle, da sie eine geografische Region gegenüber einer anderen bevorzugen und somit die bevorzugten Zyklonregionen bestimmen, in denen sich Stürme entwickeln. Eine weitere Voraussetzung ist eine atmosphärische Störung (Bell & Chelliah, 2006). Klima- und Statistikmodelle haben erfolgreich Veränderungen in der Anzahl der Wirbelstürme im Atlantik simuliert, wenn nur die SST gegeben ist (Chen & Lin, 2011; LaRow et al., 2010; Vecchi et al., 2011), was darauf hindeutet, dass atmosphärische Faktoren wie Windstress und atmosphärische Stabilität weitgehend durch die Veränderungen der tropischen atmosphärischen Zirkulation erklärt werden können, die durch SST-Muster und die zugrunde liegende OHC angetrieben werden. Der größte einzelne interannuelle Faktor weltweit ist ENSO, wobei die TZ-Aktivität im Pazifik während El Niño begünstigt wird, während die Aktivität im Atlantik etwas unterdrückt wird. Die atlantische Aktivität nimmt unter La-Niña-Bedingungen zu, insbesondere wenn sie nach einer Periode der Unterdrückung wieder einsetzt (wie von 2015 bis Mai 2016). Die tatsächliche TZ-Aktivität in einem bestimmten Becken hängt sowohl von anderen Becken als auch von der Konkurrenz ab, wo die Aktivität stattfinden sollte. Nichtsdestotrotz ist das Potenzial für mehr Aktivität durch den unaufhaltsamen Anstieg der OHC klar.

Aus unseren Ergebnissen geht hervor, dass der Hurrikan Harvey den Ozean erheblich abgekühlt hat. Auch wenn die Sonneneinstrahlung die in den oberen Schichten verloren gegangene Wärme schnell wieder ausgleichen kann, besteht eine Rolle der Hurrikane im Klimasystem darin, die tropischen Ozeane kühler zu halten, als sie es sonst wären (Trenberth & Fasullo, 2007). Hurrikane sind ein wirksames thermisches Überdruckventil für die Tropen. Dies legt auch nahe, dass Klimamodelle, die keine Hurrikane enthalten (d. h. alle), weder heute noch in Zukunft erwarten können, dass sie die SST und die OHC korrekt wiedergeben, und dies wirft die ernsthafte Frage auf, ob die SST in Zukunft nicht etwas niedriger sein könnte, allerdings auf Kosten von mehr TK-Aktivität.

Der Hurrikan Harvey ist ein einzigartiger Fall, der es ermöglicht, die Auswirkungen von OHC und SST auf und durch den Sturm zu isolieren. Die Übereinstimmung zwischen dem Wärmeverlust des Ozeans und den Niederschlägen während Harvey ist ein deutlicher Beweis für die Rolle des Ozeans bei der Entwicklung des Hurrikans, der Intensität und den gewaltigen Regenfällen (und Überschwemmungen) und hat wichtige Auswirkungen auf die Zukunft.

Anpassung an den Klimawandel

In Bezug auf den Klimawandel lag der Schwerpunkt der Bemühungen, z. B. im Rahmen des Pariser Abkommens vom Dezember 2015, zum einen auf der “Eindämmung”, d. h. der Verringerung der Treibhausgasemissionen, um das Problem zu verlangsamen oder zu stoppen, und zum anderen auf der “Anpassung”, d. h. dem Aufbau von Widerstandsfähigkeit und der Planung für die unvermeidlichen Auswirkungen. Die dritte Option, die vielerorts umgesetzt wird, besteht darin, die Konsequenzen zu tragen!

Die Bedrohung durch die zunehmende Hurrikanaktivität im Zusammenhang mit dem Klimawandel ist seit den intensiven Forschungen nach Katrina im Jahr 2005 hinreichend bekannt (Emanuel, 2005; Trenberth et al., 2007; Trenberth & Fasullo, 2008) und wird in IPCC (2013) bewertet. In der Karibik wurden Versammlungen von Lokalpolitikern und der Öffentlichkeit abgehalten, die sich besorgt über die Risiken eines höheren Meeresspiegels und stärkerer Hurrikane äußerten (z. B. Ramkissoon & Kahwa, 2015). Warum gab es dann keine bessere Vorbereitung, die die Widerstandsfähigkeit gegenüber den erwarteten Bedingungen stärkt? Houston wurde in den drei Jahren vor Harvey von drei 500-Jahres-Überschwemmungen heimgesucht, und in Miami kommt es regelmäßig zu Überschwemmungen an “sonnigen Tagen” mit hohen Gezeiten. Warum war Berichten zufolge nur jeder Sechste in der Region Houston und in Florida über eine Hochwasserversicherung verfügt? Warum wurden verschiedene Maßnahmen zum Schutz vor Überschwemmungen nicht in Kraft gesetzt? Die Wirbelstürme des Sommers 2017 im Atlantik sind ein weiteres Beispiel dafür, dass Katastrophenrisikomanagement und Klimaanpassung zwar aus verschiedenen Gründen eine Herausforderung darstellen, aber dennoch von entscheidender Bedeutung sind.

With regard to climate change, the focus of efforts, e.g. under the Paris Agreement of December 2015, has been on the one hand on ‘mitigation’, i.e. reducing greenhouse gas emissions to slow or stop the problem, and on the other hand on ‘adaptation’, i.e. building resilience and planning for the inevitable impacts. The third option, which is being implemented in many places, is to suffer the consequences!

The threat of increased hurricane activity in the context of climate change has been well understood since the intensive post-Katrina research in 2005 (Emanuel, 2005; Trenberth et al., 2007; Trenberth & Fasullo, 2008) and is assessed in IPCC (2013). In the Caribbean, meetings were held by local politicians and the public expressing concern about the risks of higher sea levels and stronger hurricanes (e.g. Ramkissoon & Kahwa, 2015). Why, then, was there not better preparedness that builds resilience to expected conditions? Houston was hit by three 500-year floods in the three years before Harvey, and Miami regularly floods on “sunny days” with high tides. Why was only one in six people in the Houston region and in Florida reported to have flood insurance? Why were various flood protection measures not enacted? The hurricanes of summer 2017 in the Atlantic are another example of how disaster risk management and climate adaptation, while challenging for a variety of reasons, are nonetheless critical.

Nach dem Hurrikan Ike, der 2008 in der Galveston Bay 113 Menschenleben forderte, wurden Vorschläge für groß angelegte Hochwasserschutzprojekte in der Region Houston abgelehnt, und die Einwohner von Houston haben dreimal gegen die Einführung eines Flächennutzungsplans gestimmt. Das Mantra lautete: niedrige Steuern und eine minimale Verwaltung. Dennoch gibt es viele Studien, die zeigen, dass extreme Wetterereignisse wie Hurrikane enorme menschliche, soziale und ökologische Kosten verursachen können, und dass einkommensschwache Bevölkerungsgruppen oft am stärksten betroffen sind (Morss et al., 2011), weil sie am anfälligsten sind (Kelly & Adger, 2000). Die Anpassung erfordert in der Regel eine Bewertung der Anfälligkeit und der potenziellen Auswirkungen eines Ereignisses, z. B. eines Hurrikans, sowie Maßnahmen zur Verringerung der Anfälligkeit. In einem bestimmten Gebiet wie Houston ist das Risiko jedoch sehr unterschiedlich, und es gibt viele, die den Sturm weitgehend unbeschadet überstanden haben, während andere fast alles verloren haben. Das schnelle, ungezügelte Wachstum von Houston und die Bebauung von Überschwemmungsgebieten haben dazu geführt, dass einige Bewohner viel stärker gefährdet waren als andere.

Irma brach viele Rekorde, darunter die längste Lebensdauer eines Sturms der Kat. Irma brach viele Rekorde, darunter die längste Lebensdauer eines Sturms der Kategorie 5, und er erzeugte die meisten ACE aller Stürme im tropischen Atlantik. Die Art und Weise, wie er über Florida hinwegzog und auf seinem Weg nach Norden die gesamte Halbinsel in Mitleidenschaft zog, war beispiellos. Die von Harvey und Irma verursachten Schäden dürften sich auf Hunderte von Milliarden Dollar belaufen (z. B. von Munich Re; Ellenrieder, 2017; NOAA, 2017). Noch größere Sach- und Umweltschäden entstanden jedoch sowohl durch Irma als auch durch Maria auf den Karibischen Inseln und Puerto Rico. Anders als auf dem Festland gab es nur eine begrenzte Mobilisierung, und die Wiederherstellung der Grundversorgung hat Monate gedauert. Andere Länder, darunter Kuba, haben die Stromversorgung in gewissem Maße dezentralisiert, um die Widerstandsfähigkeit nach 2007 zu erhöhen. Veraltete “öffentliche” Versorgungsunternehmen und ihre Vorschriften, die den Einsatz von Microgrids verbieten und die Nutzung von Solar- und Windenergie einschränken, sind eine Hauptursache (Branson & Lovins, 2017).

Die Herausforderung, Resilienz aufzubauen und sich auf ein Ereignis vorzubereiten, das eintreten kann oder auch nicht, ist mit einem wahrgenommenen Risiko behaftet und durch die menschliche Natur belastet, und es gibt keine einfachen Lösungen. Morss et al. (2011) erörtern dies allgemeiner und betonen die Tatsache, dass einige ureigene Interessen sogar gegen ein besseres Risikomanagement arbeiten. Dabei geht es oft um die Frage eines kurzfristigen Gewinns gegenüber einer längerfristigen Sicherheit für etwas, das möglicherweise nicht eintritt. Warum sollte ein Gebiet, in dem das Risiko als geringer eingeschätzt wird, für Maßnahmen in einem Überschwemmungsgebiet zahlen, in dem das Risiko hoch ist?

Diese Katastrophen waren also nicht nur keine Naturkatastrophen, sondern sie waren im Allgemeinen vorhersehbar, aber die Vorbereitung auf ihre Eventualität war im Nachhinein betrachtet völlig unzureichend. Es besteht ein großer Bedarf an besserer Planung und dem Aufbau von Anpassungskapazitäten (Morss et al., 2011), die die technischen Maßnahmen zur Schadensbegrenzung (wie Dämme, Deiche und Hochwasserschutz) verstärken, die Bauvorschriften einhalten, das Bauen in Überschwemmungsgebieten verhindern, das ungezügelte Wachstum stoppen, die Infrastruktur befestigen, die Wasser- und Entwässerungssysteme verwalten, Notfallpläne einschließlich Evakuierungsrouten und deren Umsetzung zusammen mit Notunterkünften und Stromversorgung entwickeln und Sach- und Hochwasserversicherungen anbieten, die dem tatsächlichen und sich verändernden Risiko entsprechen. Natürlich erfordern viele dieser Minderungsmaßnahmen Ressourcen, und einige können sich als unzureichend erweisen, wie das Versagen der Deiche bei Katrina im Jahr 2005 (Kunreuther, 2006), aber im Allgemeinen wird das Nutzen-Kosten-Verhältnis als hoch eingeschätzt, obwohl dem Nutzen oft kein monetärer Wert zugeschrieben werden kann, und oft kann er überhaupt nicht definiert werden (Kunreuther et al., 2013). In Anbetracht der Hunderte von Milliarden Dollar, die die jüngsten Wirbelstürme gekostet haben, hätte eine bescheidene (um zwei Größenordnungen geringere) Investition in den Aufbau von Resilienz möglicherweise Milliarden und eine Menge Kummer erspart.

Schlussbemerkungen

Obwohl die Auswirkungen des Klimawandels in erster Linie auf die veränderte Zusammensetzung der Atmosphäre zurückzuführen sind, sind die unmittelbaren Auswirkungen gering, und die Hauptwirkungen entstehen durch die veränderte Umwelt, insbesondere die wärmeren Ozeane. Der unaufhaltsame Anstieg der globalen OHC (Abbildung 1), der 2017 zum wärmsten Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen für den globalen Ozean gemacht hat, hat Folgen für die Atmosphäre und das Klima. Die SST ist nicht nur höher, sondern wird auch durch den wärmeren Ozean unter der Oberfläche unterstützt, was nachhaltige Auswirkungen ermöglicht. Dies ist besonders für Hurrikane von Bedeutung, die sich von den warmen tropischen Gewässern ernähren und starke Luft-Meer-Wechselwirkungen verursachen, die den Ozean unter der Oberfläche mit einbeziehen. Man kann sogar argumentieren, dass eine Rolle der Hurrikane im Klimasystem darin besteht, die Verdunstungskälte des Ozeans zu verstärken und damit als Kühlventil für die tropischen Ozeane zu fungieren, indem die starken Winde und die Verdunstung um eine Größenordnung zunehmen. Dadurch wird die Atmosphäre befeuchtet, und die Konvergenz der Feuchtigkeit in einem Sturm führt nicht nur zu mehr Niederschlag, sondern bei bestimmten Stürmen auch zu größerer Intensität und stärkerem Wachstum. Letzteres ist zwar bei außertropischen Stürmen weniger eindeutig, da sich der Hauptniederschlag nicht im Zentrum des Sturms befindet, aber für Hurrikane wie Harvey, Irma und Maria ist es besonders relevant.

Hurrikan Harvey war sowohl räumlich als auch zeitlich einigermaßen isoliert, so dass eine “Vorher”- und “Nachher”-Bewertung der Umwelt möglich war. Die sehr hohen SST-Werte wurden trotz Harvey durch die hohe OHC im Golf von Mexiko aufrechterhalten. In Regionen dieser Größe gibt es eine beträchtliche natürliche Variabilität, die mit TZs und natürlichen Schwankungen einhergeht, aber dennoch ist der steigende Trend, der global so viel offensichtlicher ist (Abbildung 1), offensichtlich und durch den vom Menschen verursachten Klimawandel verursacht. Die verstärkten Oberflächenwinde in einem TZ erhöhen die Verdunstung erheblich (Abbildung 6), wodurch Feuchtigkeit entsteht, die spiralförmig in das Zentrum des Sturms strömt und die Aufwinde in der Augenwand und den Spiralarmbändern durch die latente Wärmefreisetzung in den Starkniederschlägen antreibt. Der TC als Kollektiv von Gewittern dreht sich unter solch günstigen Bedingungen und kann sich verstärken und ausdehnen. Die Größe von Harvey bedeutete, dass er sich auch nach dem Landfall noch bis zum Golf ausdehnen konnte, und ein spiralförmiges Armband brachte gewaltige Niederschlagsmengen über Houston. Die schematische Abbildung (Abbildung 6) versucht, einige der wichtigsten Bestandteile solcher Stürme zu erfassen.

Hier haben wir gezeigt, dass Harvey dem Ozean beträchtliche Wärmemengen entzogen hat, die sich vor allem in Form von starken Regenfällen äußerten. Die Zusammenhänge zwischen der latenten Wärme der Niederschläge und dem OHC-Verlust stellen einen neuen Ansatz für das Verständnis der gekoppelten Natur von Hurrikanen dar. Sie legen auch nahe, dass die Schätzungen des Wasserkreislaufs und der Verdunstung aus verschiedenen Quellen recht unzureichend sein könnten. Diese Studie zeigt, dass die Kopplung der Atmosphäre mit dem Ozean ein wesentlicher Bestandteil des Hurrikans ist, der nicht nur als meteorologisches Phänomen behandelt werden sollte. Sie deutet auch auf eine wahrscheinliche Rolle der Hurrikane im Klimasystem hin. Wir haben auch den enormen Nutzen des Ozeanbeobachtungssystems aufgezeigt, der insbesondere durch die Argo-Floats gegeben ist. Es ermöglichte die Analyse der Ozeanveränderungen auf neue Weise. Die Physik des Phänomens deutet auch darauf hin, dass bestimmte Niederschlagsschätzungen unzureichend sind und dass es Spielraum für erhebliche Verbesserungen gibt, aber auch, dass sich durch die Kombination vieler Daten und Variablen ein viel vollständigeres Bild ergibt.

Hurrikane bilden sich auf natürliche Weise und treten in allen Größen, an allen Orten und auf allen Zugbahnen auf. Die Aktivität kann sich auf verschiedene Weise manifestieren, durch die Intensität, Größe, Lebensdauer und Anzahl der Stürme, und nur für einige dieser Variablen gibt es gute Statistiken. Es wird erwartet, dass die Aktivität durch den Klimawandel insgesamt zunehmen wird, aber die Einzugsgebiete konkurrieren darum, wo dies geschieht, und da sich die Aktivität auf verschiedene Weise manifestieren kann, deren integrale Auswirkungen nur unzureichend gemessen werden (z. B. befasst sich ACE nicht mit der Größe von Stürmen), bleibt eine beträchtliche Ungewissheit darüber, was bereits geschehen ist und was für die Zukunft zu erwarten ist. Das Risiko ist jedoch eindeutig, und die Vorbereitungen auf die zu erwartenden Auswirkungen des Klimawandels auf Hurrikane und allgemeiner auf den Klimawandel sind beklagenswert unzureichend. Wir können die Notwendigkeit des Aufbaus widerstandsfähigerer Systeme nicht weiter aufschieben (Stone, 2018), nur weil dies irgendwann in der Zukunft erforderlich ist. Auch wenn Zerstörungen durch Hurrikane zu erwarten sind, bedeutet die Tatsache, dass Hurrikane größer und stärker werden, dass absolute Schwellenwerte überschritten werden und katastrophale Schäden auf nichtlineare Weise auftreten können, wie dies bei den drei Hurrikanen im Atlantik im Sommer 2017 zu beobachten war. Auch wenn die Auswirkungen des Klimawandels auf die Niederschläge im Allgemeinen mit 5 bis 15 % veranschlagt werden, handelt es sich also nicht nur um zusätzliche Kosten, sondern der Großteil der Gesamtkosten kann dem Klimawandel zugeschrieben werden, in diesem Fall Hunderte von Milliarden Dollar.

Quellen/Original/Links:
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018EF000825#.YSv3Vx7jQRA.twitter

Übersetzung:
https://www.deepl.com/de/translator

Umweltwissenschaftler
Peter Jacobs

Peter Jacobs

Ich promovierte an der George Mason University in der Abteilung für Umweltwissenschaften und öffentliche Politik. Meine Dissertation befasste sich mit Klimamodell- und ökologischen Modellsimulationen, die uns helfen sollen, besser zu verstehen, was wir über unseren Planeten während des Pliozäns, des letzten geologischen Zeitraums, in dem es deutlich wärmer war als heute, wissen und nicht wissen… Weiterlesen »Peter Jacobs