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Tropische Meteorologie

Bildung ausgedehnter bodennaher Stratuswolken in Westafrika

Mitglieder der AG „Atmosphärische Dynamik“ haben in den letzten Jahren eine bisher in seinem räumlichen Ausmaß unbekanntes Phänomen entdeckt, beschrieben und erklärt: sich in der Nacht bildende, fast auf dem Boden aufliegende Stratuswolken im südlichen Westafrika. Diese Wolken betreffen eine Region von mindestens 800000 km² (d.h. mehr als die zweifache Fläche von Deutschland) und sind zwischen Juni und September am ausgedehntesten und häufigsten.

Zuerst beschrieben wurden die Wolken von Schrage et al. (2007). Anhand von Radiosondenaufstiegen in Parakou (Benin, ca. 9°N, 2°E) während des Monsuns 2002 stellten die Autoren fest, dass bewölkte Nächte durch stärkere Turbulenz und Konvergenz im großskaligen Windfeld geprägt waren. Den Zusammenhang mit der Bildung eines nächtlichen bodennahen Strahlstroms und das Fehlen dieser Wolken in bestimmten Satellitenprodukten sowie in globalen Zirkulationsmodellen beschreiben Knippertz et al. (2011). Schrage und Fink (2012) konnten mit Daten der AMMA Feldkampagne in 2006 aus Nangatchori (Benin, ca. 100 km nordwestlich von Parakou) nachweisen, dass ein starker nächtlicher Strahlstrom verbunden mit nicht zu hoher statischer Stabilität in Bodennähe zum plötzlichen, nachmitternächtlichen Übergang von einer laminaren zu einer turbulenten Strömung führt. Diese Turbulenzsituation trat in ca. 2/3 der untersuchten Nächte auf. Schrage und Fink (2012) mutmaßten, dass die turbulenten Wirbel die bodennahe Feuchte in das Kondensationsniveau mischen. Diese konnte anhand aufwendiger Simulationen mit dem Weather Research und Forecasting (WRF) Model nachgewiesen werden (Schuster et al. 2013). Diese Arbeit zeigte, dass in den Monsunnächten sowohl zusätzliche stratusbildende Prozesse (z.B. Kaltluftadvektion vom tropischen Atlantik) als auch solche, welche dessen Bildung verhindern (z.B. Inversionen, Advektion trockener Luft), auftreten (vgl. Abb. 1). Am Ende entscheiden kleine Unterschiede, ob die Nächte klar bleiben oder ob sich eine Wolkendecke bildet. Schuster et al. (2013) zeigen darüber hinaus, dass der Stratus sich im Modell nach Sonnenuntergang vom Meer landeinwärts ausbreitet. Dies bestätigt die erste Stratusklimatologie von van der Linden et al. (2015), welche verschiedene Satellitenmessgeräte in einem 5-Jahreszeitraum nutzt: Von der Küstenregion um 18 Uhr startend, breitet sich die Wolkendecke zwischen Juni und September bis zum Maximum am späten Morgen (9-10 Lokalzeit) über eine Region von mindestens 800000 km2 (d.h. mehr als die zweifache Fläche von Deutschland) aus (Abb. 2).

Abb. 1: Nächtlicher Strahlstrom an der Küste Westafrikas, damit verbundene Advektion (ADV) von Temperatur und spezifischer Feuchte,  Abkühlen [Anfeuchten] der Wolkenregion durch turbulente Flüsse von Wärme (H) [spezifische Feuchte (E)]. Einmal entstanden stabilisiert Abkühlung durch langwellige Ausstrahlung den Stratus. Die Einheiten sind in Kelvin und in g/kg. Aus Schuster et al. (2013).

Abb. 2: Stratushäufigkeit in %, Juni-September 2007-2011. Am Morgen um 10 UTC (etwa Lokalzeit) reicht die Stratusregion von der Küste bis 10°N und beeinflusst ein Gebiet von ca. 800000 km². Sehr oft tritt Stratus über der Elfenbeinküste auf, über Nigeria versperren häufig höhere Wolkenschichten den Blick auf den Stratus (Schattierung). Aus van der Linden et al. (2015).

Warum ist das Phänomen so wichtig?

Dadurch dass sich der Stratus erst gegen Mittag auflöst, verringert er die solare Einstrahlung und Bodentemperatur im südlichen Westafrika erheblich. In WRF Modellkonfigurationen, die den Stratus beinhalten, treten Schauer und Gewitter später am Tag und weniger intensiv auf. Da viele Wetter- und Klimamodelle die Wolken nicht simulieren, wird vermutet, dass hier sogar ein relevanter Modellfehler für das gesamte westafrikanische Monsunsystem besteht.

Was sind die wichtigsten Forschungsfragen?

Neben der Rolle des Stratus für den Gesamtmonsun in Westafrika, sind folgende beiden Fragen ungeklärt: (a) welche Rolle spielt der Mensch über die extreme Luftverschmutzung und starke Entwaldung in Westafrika für die Stratusbewölkung und den sich daraus fallweise entwickelnden Gewitterregen? (b) Welche Prozesse sind für die späte Auflösung der niedrigen Wolkendecke bei der intensiven kurzwelligen Einstrahlung verantwortlich? Antworten zu diesen Fragen soll das Ende 2013 gestartete und von unserer AG koordinierte