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Tropisch-Extratropische Wechselwirkungen

Warum sind sporadische Trockenzeitregen in Westafrika vorhersagbar?

Mitglieder der AG „Atmosphärische Dynamik“ haben erstmalig tiefe Einblicke in die atmosphärische Prozesskette geliefert, welche mit  zum Teil unwetterartigen Niederschlägen in Westafrika während der Trockenzeit verbunden sind.  Da der Auslöser ein in die Tropen eindringendes Höhentief aus den mittleren Breiten des atlantisch-europäischen Raumes ist, besteht das Potential, die Bevölkerung einige Tage zuvor zu warnen.

Im Januar 2004 fielen im westafrikanischen Benin (7-11°N) und seinen Nachbarländern innerhalb von 48h zum Teil über 50 mm Regen (Knippertz und Fink 2008) – im Mittel fallen im Norden der Region in der Trockenzeit im Januar nicht mehr als 5 mm. Die Regen ließen in der Trockenzeit die Waldsavanne ergrünen (vgl. Abb. 1). In der Fallstudie von Januar 2004 zeigen Knippertz und Fink (2008), dass ein außertropischer Höhentrog (im Prinzip ein Tiefdruckgebiet in 5-9 km Höhe) von Nordwestafrika aus in den Tropengürtel eindringt. Damit sind ostseitig des Höhentrogs zunehmende Höhenwinde und Warmluftadvektion verbunden. Oft bildet sich hier ein schräges Wolkenband, eine so genannte „tropical plume“, deren weltweite Klimatologie wir in Fröhlich et al. (2013) publiziert haben. Die Warmluftadvektion in der Höhe reduziert den Bodendruck bis tief in die Tropen, d.h. bis in Breiten um 10°N. Auch wenn der Druckfall hier nur wenige Hectopascal beträgt, so reicht er bei der flachen Druckverteilung aus, um die bei etwa 7-8°N liegende, äquatoriale Tiefdruckrinne (auch als Hitzetief bezeichnet) um einige 100 km nach Norden zu verschieben. Hinter ihr dringen feuchte Luftmassen vom tropischen Atlantik nach Westafrika ein und die starke nachmittägliche Erwärmung löst darin die schweren Tropengewitter aus (vgl. Abb. 2). In einer solchen Situation verschwindet das klimatologische Hoch über Libyen und eine Zone tiefen Drucks reicht vom Mittelmeer bis zum Golf von Guinea. Diese Erkenntnisse wurden in einem im Jahr 2017 publizierten Buch mit dem Titel „Meteorology of Tropical West Africa: The Forecasters' Handbook” mit afrikanischen Meteorologen direkt in die Praxis der Wettervorhersage umgesetzt (Conforth et al. 2017).

 

 

Abb. 1: Nach den starken Niederschlägen in der letzten Januardekade 2004 ist die Waldsavanne in Zentralbenin ergrünt – normalerweise wäre verdorrtes und teilweise verbranntes Gras zu sehen. Quelle: A. Fink.

 

Abb. 2: Schema der an den intensiven Winterregen beteiligten Prozesse. Beteiligte Komponenten sind der in die Tropen eindringende Trog über Nordafrika („upper trough“), die Warmluftadvektion („warm advection“), das nach Norden verschobene Hitzetief („heat low“) und äquatoriale Tiefdruckrinne („ITD, Intertropical discontinuity“, vergleiche gestrichelte grüne Linie als klimatologische Position) und die Zone des Herantransports feuchter Luft (blaue Pfeile) und Tropenregen (blauschattierte Zone). Auch nördlich der Sahara regnet es. Aus Davis et al. (2013).

Warum ist die Untersuchung dieses Phänomens so wichtig?

Zum einen haben die Winterregen positive und negative sozio-ökonomische Auswirkungen. Diese reichen vom Verrotten von im freien gelagerter Baumwolle bis zur leichteren Pflügbarkeit der Böden vor Beginn der Regenzeit. Zum anderen zeigen Knippertz und Fink (2009) und Davis et al. (2013), dass sich eine Trogsituation über Nordafrika schon eine Woche vor dem Ereignis andeutet und sich darüber eine für Tropenkonvektion hohe probabilistische Vorhersagbarkeit von bis zu einer Woche ergibt. In anderen Worten: Eine Vorwarnung der Bevölkerung scheint möglich. Weiterhin kann die entschlüsselte Prozesskette als Blaupause von extratropische beeinflussten Tropenregen zu anderen Jahreszeiten und in anderen Regionen dienen. In diesem Kontext läuft derzeit eine Studie, die auf einen ähnlichen Mechanismus für das Auftreten extremer Tropengewitter in der Vorregenzeit im nördlichen Kongogebiet im Februar hindeutet. Hier spielt zusätzlich eine auf den extratropischen Einfluss zurückzuführende zunehmende vertikale Windänderung in den untersten 4 km eine Rolle.

Was sind die wichtigsten Forschungsfragen?

Knippertz und Fink (2008) mutmaßen, dass ein Teil des Druckfalls über der Sahara und dem Sahel als Folge der tropischen Wolkenfahne und erhöhten Wasserdampfgehaltes quasi als lokal und zeitlich verstärkter Treibhauseffekt entsteht. Über die positive Strahlungsbilanz wird die atmosphärische Säule erwärmt und der Druck fällt. Erklärt das vermehrte Auftreten solcher Wechselwirkungen über diesen Mechanismus die in den letzten Jahren beobachtete überproportional starke Erwärmung des Ostsahel im späten Winter und Frühjahr? Und wie sehen die Prozesse der Wechselwirkung außerhalb des Winterhalbjahres aus und ergibt sich daraus eine verbesserte Vorhersagbarkeit von Sommermonsunregen in Westafrika? Letzteres ist eine Zielstellung des Projektes W2W (C2).

 

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