13 Tropische Wirbelstürme

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1 Tropische Wirbelstürme Tropische Wirbelstürme Entstehung, Erscheinungsformen, Gefahren Entstehung und Verbreitung tropischer Wirbelstürme Easterly Waves Windverteilung innerhalb des tropischen Wirbelsturmes Bahnabschnitte tropischer Wirbelstürme Lebensdauer tropischer Wirbelstürme Wirbelsturm Kategorien Unterschied zwischen außertropischer und tropischer Zyklone Verifikation Tropischer Wirbelstürme (Atlantik) Auswirkungen tropischer Wirbelstürme Seite -1

2 .1 Entstehung, Erscheinungsformen, Gefahren zusammengestellt von Kai Biermann, DWD Hamburg / Januar 2009 Seite -2

3 Abbildung -1: Tropischen Wirbelstürme von 1985 bis 2005 Tropische Wirbelstürme sind extreme thermische Tiefdruckgebiete. Sie entstehen ausschließlich über tropischen Meeren zwischen etwa 5 und 25 nördlicher bzw. südlicher Breite. Im Bereich des Äquators treten sie nicht auf, da hier der notwendige Drehimpuls (Corioliskraft) fehlt. Fehlender oder zu geringer Drehimpuls bedeutet, dass die zusammenströmenden Luftmassen direkt Richtung Tiefdruckzentrum fließen, dort den Unterdruck schnell ausgleichen und dadurch das Tief abschwächen. Je nach Region der Entstehung tragen tropische Wirbelstürme unterschiedliche Zusatzbezeichnungen: Hurrikan Als Hurrikane werden tropische Wirbelstürme im Atlantik, Nordpazifik östlich von 180 Länge und im Südpazifik östlich von 160 Ost bezeichnet, wenn sie eine maximale Mittelwindstärke von über 64 Knoten erreichen Zyklon Ein Zyklon ist ein heftiger Wirbelsturm im Golf von Bengalen. Auch die im Indischen Ozean südlich des Äquators vorkommenden heftigen Wirbelstürme im Bereich von Mauritius, La Réunion, Madagaskar und der afrikanischen Ostküste werden als Zyklone bezeichnet. Außerdem werden auch tropische Wirbelstürme im Bereich des Südwestpazifiks Zyklone genannt. Seite -3

4 Taifun Als Taifune werden tropische Wirbelstürme im nordwestlichen Teil des Pazifischen O- zeans, also im asiatischen Raum, bezeichnet Abbildung -2: Typische Zugbahnen trop. Zyklonen, Verlagerungsgeschwindigkeit in Knoten.2 Entstehung und Verbreitung tropischer Wirbelstürme Abbildung -3: Entstehungsgebiet tropischer Wirbelstürme (Atlantik) Seite -4

5 Voraussetzung für die Entstehung tropischer Wirbelstürme ist eine starke Strömungsdivergenz (Auseinanderfließen der Luftmassen) in einer Höhe von etwa 15 bis 18 Kilometer. Dieses Wegströmen der Luft in großer Höhe sorgt für Druckfall auf Meeresniveau. In den Tropen ist vor allem im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITC, Zone der größten Erwärmung, Zusammenströmen der nördlichen und südlichen Passatwinde) eine starke Höhendivergenz vorhanden. Dementsprechend lässt sich auch häufig beobachten, dass Wirbelstürme aus Cloudclustern oder Gewitteransammlungen an den Rändern der ITC entstehen. Abbildung -4: Sat.-Aufnahme(n) Hurricane Isabel 2003 Navigationstip! Gewöhnlich treten Luftdruckminima um ca. 04 und 16 Uhr Ortszeit und Luftdruckmaxima um ca. 10 und 22 Uhr Ortszeit auf. Ist die 24-std. Druckänderung (Fall/Stieg) mind. etwa 4 hpa groß und bleibt ein Tagesgang aus, so kann dies ein Warnzeichen für die Bildung einer Zyklone sein. Obwohl die Windgeschwindigkeit im Mittel in den Tropen gering ist, so wird doch, verursacht durch die Passatwinde eine gut ausgeprägte Dünung beobachtet. Ist diese plötzlich stärker oder kommt sie aus einer anderen Richtung, kann dies ebenfalls ein Warnzeichen sein. Vorboten können auch radial angeordnete Cirren, Haloerscheinungen und Verfärbung des Morgen- bzw. Abendhimmels sein. Warnzeichen sind ebenso starke atmosphärische Störungen im Funkverkehr! Seite -5

6 Die Innertropische Konvergenzzone (ITC für Inter Tropic Conversion oder ITCZ für Inter-Tropical Convergence Zone), auch Doldrums genannt, ist eine wenige hundert Kilometer breite Tiefdruckrinne in Äquatornähe im Bereich der von Norden und Süden aufeinander treffenden Passatwinde. Sie ist durch Konvektionserscheinungen und eine in der Regel starke Quellbewölkung gekennzeichnet. Passate sind beständige Winde beiderseits des Äquators bis zum subtropischen Hochdruckgürtel Nord und Süd: ca. 5 N bis 30 N und ca. 5 S bis 20 S. Die vertikale Mächtigkeit liegt bei 1000 bis 2000 m. Die horizontalen Windgeschwindigkeiten sind im Sommer höher als im Winter. Die Windstärke beträgt im Mittel Bft 4 bis 6 aus NElicher Richtung auf der Nordhalbkugel bzw. aus SE-licher Richtung auf der Südhalbkugel. Im östlichen Teil der Ozeane mehr aus nördl. bzw. südl. Richtung; im westl. Teil mehr aus östlicher Richtung. Bei rel. trockener Luft herrscht zumeist heiteres Wetter. Abbildung -5: Planetarische Zirkulation Seite -6

7 Eine wichtige Voraussetzung für die Bildung Tropischer Wirbelstürme ist das Vorhandensein von mindestens 27 C warmen Meerwassers. Nur auf diese Weise kann genügend Wasserdampf bereitgestellt werden, der bei Kondensation extreme Energiemengen freigibt. Das ist auch der Grund, warum vor den Westküsten Südamerikas und Afrikas keine Wirbelstürme entstehen. Die Auftriebswasser der kalten antarktischen Meeresströmungen verhindern eine großflächige Erwärmung des Meerwassers bis auf die notwendige Temperatur von 27 C. Abbildung -6: Globale Meeresströmungen Seite -7

8 .3 Easterly Waves Bereits seit den 1930er Jahren ist bekannt, dass westwärts ziehende Störungen in der unteren Troposphäre (vom Ozean bis etwa 5 Kilometer mit einem Maximum in etwa 3 Kilometer Höhe) für den größten Teil der tropischen Wirbelstürme auf dem Nordatlantik die auslösende Zirkulation liefern. Während in den folgenden Jahrzehnten verschiedene Mechanismen für die Entstehung dieser Wellen verantwortlich gemacht wurden, war es Burpee (1972), der festhielt, dass die Wellen durch eine Instabilität im östlichen Jet (Starkwindband in der Höhe) über Afrika hervorgerufen wurden. Dieser Jet entsteht durch den Temperaturunterschied über dem westlichen und zentralen Nordafrika zwischen extrem hohen Temperaturen über der Sahara und deutlich tieferen Werten am Golf von Guinea. Die Wellen ziehen im Allgemeinen im Bereich der bodennahen Passatwinde nach Westen über den Atlantischen Ozean. Sie werden normalerweise zuerst im April oder Mai beobachtet und treten bis in den Oktober oder November hinein auf. Die Wellen haben typischerweise eine Periode von 3 oder 4 Tagen und eine Wellenlänge von bis Kilometer. Im langjährigen Mittel entstehen über Nordafrika etwa 60 Wellen pro Jahr, aber es scheint so, dass die Zahl der Wellen überhaupt nicht in Verbindung steht mit der Anzahl der tropischen Wirbelstürme, die sich in jedem Jahr auf dem Atlantik bilden. Während nur etwa 60 Prozent der atlantischen Tropischen Stürme und schwächeren Hurrikane (Kategorien 1 und 2 auf der Saffir-Simpson-Skala) aus Easterly Waves hervorgehen, entstehen fast 85 Prozent der starken Hurrikane aus Easterly Waves (siehe Abbildungen -7 bis -10). Abbildung -7: Austrogung durch Easterly Waves Seite -8

9 Abbildung -8: Instabilitäten durch Easterly Waves. Abbildung -9: Deformationen im Strömungsfeld Derzeit ist noch völlig unbekannt, wie sich Easterly Waves von Jahr zu Jahr in Intensität und Lage verändern und wie diese mit Wetteraktivitäten auf dem Atlantik bzw. dem Ostpazifik zusammenhängen könnten. Navigationstip! Wichtige Entstehungskriterien trop. Wirbelstürme 1. Wassertemperatur ca. 27 C oder höher 2. tropische Störung (easterly wave) 3. Feuchtlabil geschichtete Atmosphäre 4. Konvergentes Windfeld in Bodennähe 5. Divergentes Windfeld in der Höhe 6. Geographische Breite größer 5 Grad Nord oder Süd 7. Geringe vertikale Windscherung Seite -9

10 Abbildung -10: Schematischer Vertikalschnitt durch einen vollentwickelten trop. Wirbelsturm Die Wolkentürme bzw. Wolkenbänder sind in weißer Farbe dargestellt. Die Luftbewegungen werden durch die Pfeile wiedergegeben. Infolge des tiefen Drucks im Sturmzentrum strömen die Luftmassen im Bereich der Erdoberfläche auf das Sturmzentrum zu (konvergente Luftströmung). In großer Höhe strömen die Luftmassen vom Sturmzentrum auseinander (divergente Luftströmung). Seite -10

11 Ebenso wird durch die bodennah konvergierenden Strömungen (Passate) der herangeführte Wasserdampf im Zentrum des entstehenden Wirbelsturms gehoben. Die dadurch ausgelöste Kondensation des Wasserdampfs lässt enorme Wärmemengen freiwerden, wodurch die Hebung der Luftmassen fortwährend verstärkt wird. Die herangeführten feuchten Luftmassen bilden lange und ausgeprägte Wolkenbänder mit starker Gewittertätigkeit. Durch die Corioliskraft werden die Wolkenbänder zur klassischen Wirbelstruktur geformt. Im Zentrum ist oft ein km weites windschwaches Gebiet zu beobachten. In diesem sogenannten Auge des Wirbelsturms herrschen leicht absinkende Luftbewegungen. Das führt zur Wolkenauflösung, wodurch das Auge sichtbar wird. Orkanring: Das Auge ist von einem Ring mit Schwerstwetter umgeben. Hier herrschen Windgeschwindigkeiten von kn, verbunden mit stärksten Niederschlägen. Der Orkanring hat eine Breite von sm. Im Laufe der Entwicklung nimmt der Durchmesser des Auges und die Weite des Orkanringes mit zunehmender Breite und abnehmender Windstärke zu. Den Orkanring umgibt eine spiralförmig angeordnetes Band; die Sturmzone mit einer Breite von bis zu 500 sm in der Wolkenfelder und Starkwinde dem Orkanring zustreben. Seite -11

12 .4 Windverteilung innerhalb des tropischen Wirbelsturmes Da die meisten tropischen Zyklone auf der Äquatorseite der subtropischen Hochdruckgebiete entstehen, ziehen sie mit der Hauptströmung westwärts. Gelangen sie an die Westflanke des steuernden Hochs so scheren sie polwärts -11: Windverteilung innerhalb eines tropischen Sturmes aus. Da an diesen Umbiegestellen die Hauptströmung relativ schwach ist, verringert sich die Verlagerungsgeschwindigkeit. Häufig wird die Zugbahn sogar erratisch, d.h. ständig wechselnde Zugrichtung u.- Geschwindigkeit. Ziehen die trop. Zyklonen dann allmählich in die Westwinddrift hinein, so nehmen sie Fahrt auf und wandeln sich in gewöhnliche Sturmtiefs (außertropische Zyklone) um, die mit den für junge Zyklone typischen Verlagerungs-geschwindigkeiten nordost- bis ostwärts ziehen. Sie verlieren dann zwar typische Merkmale wie die hohen Windgeschwindigkeiten und das Auge, andere Eigenschaften bleiben jedoch erhalten. Durch den hohen Wasserdampfgehalt treten dann selbst in Europa noch Starkniederschläge auf. Seite -12

13 .5 Bahnabschnitte tropischer Wirbelstürme - Äquatorialer Ast, v < 12,5 kn - Scheitelpunkt, Trödelstadium zwischen 20 und 30 N, v = 5-8 kn - Polarer Ast, v > 12,5 kn Navigationstip! Wie bereits erwähnt wird das, in Zugrichtung vordere rechte Viertel als "gefährliches Viertel" bezeichnet. Hier haben nicht nur das Orkan- und Sturmfeld ihre größte Ausdehnung, sondern auch der Seegang ist am höchsten. Das linke vordere Viertel wird als "befahrbares Viertel" bezeichnet, nicht weil es harmlos ist, sondern weil die Gefahren geringfügig geringer für den Seefahrer sind. Wetterbedingungen im Auge, Durchmesser sm: - chwachwindig - Himmelssicht blauer Himmel) - rel. Hohe Temperaturen (Bereich absinkender Luft) - steile Kreuzseen GRUNDSÄTZLICH GILT: Tropische Zyklonen sind zu meiden... besser... man meidet die bekannten Gebiete je nach Saison überhaupt!!! Mit Ausnahme der durch die Monsunströmung gesteuerten Wirbelstürme in den Regionen Indien, Madagaskar und Nordwestaustralien ziehen tropische Wirbelstürme entlang der äquatorwärtigen Seite der subtropischen Hochdruckgebiete vorerst Richtung Westen, um daraufhin Richtung Norden bzw. Süden abzuschwenken. Sobald sie auf diesem Weg in aussertropische, kühlere Gebiete gelangen oder auf Festland laufen, verlieren sie schnell an Energie, da der Wasserdampfnachschub rasch nachlässt und die bodennahe Reibung stark zunimmt. Seite -

14 .6 Lebensdauer tropischer Wirbelstürme Kräftig entwickelte Wirbelstürme haben eine Lebensdauer von einer Woche und länger. Gegen Ende ihres Lebens, abgeschwächt zu außertropischen Tiefdruckgebieten, gliedern sich diese oft in die Westwinddrift der mittleren Breiten. Auf diese Weise gelangen jährlich einige ehemalige atlantische Hurrikane nach Europa. Navigationstip! Ziele meteorologischer Reiseplanung: - kürzeste Route mit Sicht auf Geographie, Eisgrenzen und Stömungen - schnellste Route (v = max.) bzw. zeitlich optimale Route (trotz Umweg) - materialschonendste Route - Route nach individuellen Vorlieben Seite -14

15 .7 Wirbelsturm Kategorien Im amerikanischen Raum (Atlantik und Ost-Pazifik) werden die tropischen Wirbelstürme (Hurricanes) nach den mittleren Windgeschwindigkeiten klassiert. Die Böenspitzen können in den einzelnen Kategorien die mittleren Windgeschwindigkeiten weit übertreffen. Die Klassierung erfolgt nach der Saffir-Simpson Scale (Angaben gemäss National Hurricane Center, USA, 1998): Abbildung: -12: Wirbelstürme aus Satellitenperspektive Tropisches Tief Tropischer Sturm Hurrikan Kategorie 1 Hurrikan Kategorie 2 Hurrikan Kategorie 3 Hurrikan Kategorie 4 Hurrikan Kategorie 5 < 61 km/h km/h km/h km/h km/h km/h > 250 km/h Seite -15

16 .8 Unterschied zwischen außertropischer und tropischer Zyklone Abbildung: -: Außertropische Zyklone Außertropische Zyklone: -...entsteht nur außerhalb der Tropen -...bezieht seine Energie aus horizontalen Temperatur u.- Luftmassenunterschieden -...hat i.d.r Warm u.-kaltfronten -...der stärkste Wind weht in der oberen Atmosphäre -...mit dem Bodentief korrespondiert ein Höhentief -...im Tiefkern steigt die Luft auf Abbildung: -14: Tropische Zyklone Tropische Zyklone: -...entsteht nur über den tropischen Ozeanen -...bezieht seine Energie aus der Verdunstung trop. Ozeane - (= lat. Wärme, die bei Wasserdampfkondensation freigesetzt wird) -...sind frontenlos -...sein Zentrum ist wärmer als die Umgebung -...der stärkste Wind weht bodennah -...mit dem Bodentief korrespondiert ein Höhenhoch -...im Kern sinkt die Luft ab Seite -16

17 .9 Verifikation Tropischer Wirbelstürme (Atlantik) Seit 2001 : ENSEMBLE PREDICTIONS! Zugbahn: Abbildung: -15: Abweichung zwischen Prognose und Beobachtung (nautical miles) Intensität: Abbildung: -16: Abweichung zwischen Prognose und Beobachtung (Knoten) Seite -17

18 Beispiel: Hurrikan Frances Mittlerer Fehler der prognostizierten Zugbahn: 150 nm (= 280 km) Mittlerer Fehler der prognostizierten Intensitäten: 20 kt (= 37 km/h) Abbildung: -17: 48h - Prognosefehler NHC Miami aus dem Jahr 2004 Abbildung: -18: Zugbahnprognose für HURRICANE IVAN (09.Sep z) Seite -18

19 Abbildung: -19: HURRICANE IVAN 09.Sep.04 00z (Kategorie 5)/ Wassertemperaturen : 29 C, südlich von Kuba 31 C Seite -19

20 .10 Auswirkungen tropischer Wirbelstürme Neben den hohen Windgeschwindigkeiten, welche für sich allein schon verheerende Wirkungen haben, verursacht ein Wirbelsturm in Küstenregionen hohe Flutwellen. Die permanent hohen Windgeschwindigkeiten treiben das Ozeanwasser mit großer Kraft an die Küste. Ein Kategorie 1 Hurrikan kann auf diese Weise eine Flutwelle von m, ein Hurrikan der Kategorie 5 eine solche von weit über 5 m Höhe erzeugen. Schließlich führt ein tropischer Wirbelsturm innerhalb weniger Stunden zu enormen Niederschlagsmengen mit den entsprechenden Überschwemmungsfolgen in den betroffenen Gebieten. Außerordentlich opferreich war das Jahr Hurrikan Georges vom September 1998, phasenweise im Bereich der Kategorien 3 und 4, forderte bei seinem Weg über die karibischen Inseln rund 500 Menschenleben und hinterließ total verwüstete Landstriche. Hurrikan Mitch vom Oktober/November 1998 hinterließ in Zentralamerika vor allem infolge der riesigen Niederschlagsmengen und den daraus entstandenen Überschwemmungen und Erdrutschen über 10'000 Tote. Abbildung: -20: Auswirkungen tropischer Wirbelstürme Abbildung: -21: Auswirkungen tropischer Wirbelstürme Seite -20