Tropische Wirbelstürme

Satellitenbild des Hurrikans Kate aus dem Jahr 2003

Schäden durch tropische Wirbelstürme

Tropische Wirbelstürme gehören zu den Wetterextremen, von denen die stärkste Zerstörungskraft für natürliche und soziale Systeme ausgeht. Sie treten in den tropischen Regionen aller drei Ozeane auf. Im Atlantik heißen sie Hurrikane, im Pazifik Taifune, im nördlichen Indischen Ozean Zyklone. Der Einfachheit halber wird der Begriff „Hurrikan“ häufig auch universal gebraucht. Im Focus der Aufmerksamkeit stehen in der westlichen Welt die tropischen Wirbelstürme im Atlantik, wegen ihrer Gefährdung der westlichen Hemisphäre, aber auch weil sie am besten erforscht sind und über sie die längsten Datenreihen vorliegen.

1998 hat der Hurrikan Mitch in Honduras und Nicaragua 11 000 Todesopfer gefordert und einen Sachschaden von 5 Milliarden US–Dollar angerichtet. 2005 setzte der Hurrikan Katrina die amerikanische Stadt New Orleans zu 80 % unter Wasser und machte sie damit weitgehend unbewohnbar, tötete über 1000 Menschen und verursachte einen Sachschaden von mindestens 81 Milliarden US-Dollar, womit er zum teuersten Hurrikan der USA wurde. Insgesamt ging das Jahr 2005 in die Geschichte als das Jahr der mit Abstand stärksten Hurrikanaktivität im Nordatlantik ein, mit 14 Hurrikanen insgesamt, wovon sieben der Kategorie 3-5 und drei der Kategorie 5 angehörten, und mit zwei Hurrikanen der Kategorie 4 bereits im Juli zu Beginn der Hurrikan-Saison.

Die ökonomischen Schäden durch Hurrikane in den USA haben seit Beginn des 20. Jahrhunderts um ein Vielfaches zugenommen. In erster Linie ist das jedoch auf das Bevölkerungswachstum und die zunehmende Ansammlung von Werten in den betroffenen Küstenzonen zurückzuführen. Rechnet man die Schäden frühere Hurrikane auf die heute in der Region vorhandenen Werte und Bevölkerungszahlen hoch, lässt sich kein Trend ausmachen. Hurrikan Katrina stünde danach nach dem Great-Miami-Sturm von 1926, der unter den Bedingungen von 2005 einen Schaden von 157 Milliarden $ angerichtet hätte, nur an zweiter Stelle. Und auch das verlustreiche Jahrzehnt 1996-2005 läge nach 1926-1935 nur auf dem 2. Platz.

Vor allem das katastrophale Hurrikan-Jahr 2005 hat dennoch erneut die Frage nach einem eventuellen Zusammenhang zwischen der Zunahme von Hurrikanen und der globalen Erwärmung aufgeworfen. Die seitdem intensivierte Forschung ist vor allem zwei Fragen nachgegangen:

1. Lässt sich über die letzten Jahrzehnte und eventuell Jahrhunderte ein Trend in der Häufigkeit und/oder Stärke tropischer Wirbelstürme feststellen?
2. Gibt es einen Zusammenhang zwischen der globalen Erwärmung und Änderungen im Auftreten von tropischen Wirbelstürmen und wie ist ein solcher Zusammenhang für die Zukunft einzuschätzen?

Entstehung und Funktion

Dynamik und Aufbau

Aufbau eines Hurrikans

Die Struktur eines tropischen Wirbelsturms ist zylinderförmig. Im Zentrum herrscht in der unteren Atmosphäre ein sehr geringer Druck und die Luft strömt spiralförmig nach innen. Wenn sich die Corioliskraft und die Wirkung des Drucks die Waage halten, wie es ohne weitere Einflüsse der Fall ist, strömt Luft im Kreis um den tiefen Druck herum. Je tiefer der Druck, desto größer die Windstärke. Nahe am Boden (bzw. der Wasseroberfläche) wird die Luft aber durch Reibung gebremst. Da die ablenkende Kraft der Erdrotation von der Geschwindigkeit abhängt, die Druckkraft aber nicht, strömt die Luft daher am Boden nach innen.

Auf der Nordhalbkugel drehen sich tropische Wirbelstürme gegen den Uhrzeigersinn, auf der Südhalbkugel im Uhrzeigersinn. Dass sich tropische Wirbelstürme nur in eine Richtung drehen können (wie übrigens ein Tiefdruckgebiet der mittleren Breiten auch) hängt mit der Richtung der Corioliskraft zusammen, die auf der Nordhalbkugel ein Luftpaket nach rechts ablenkt, auf der Südhalbkugel nach links. Sie wirkt der Kraft entgegen, die durch den Druckunterschied erzeugt wird, so dass der tiefe Druck (also das Zentrum des Hurrikans) auf der linken Seite der zirkulierenden Luft liegen muss.

Bei einem tropischen Wirbelsturm gibt es ein Maximum des Windes etwa 10 - 100 km vom Zentrum entfernt. Dieses wird wegen der starken Bewölkung als „wall“ oder „eyewall“ bezeichnet. Dort steigt Luft sehr schnell auf, kühlt sich ab und verursacht so hohe Gewitterwolken. Im Inneren dagegen sitzt das Auge („eye“), das so genannt wird, weil es dort wenig oder keine Wolken gibt, was auf Satellitenbildern oft ein sehr markantes Merkmal ist. Das liegt daran, dass dort Luft absinkt (denn Absinken und Aufsteigen müssen sich über ein sehr großes Gebiet gemittelt natürlich ausgleichen). Absinkende Luft wird wegen des steigenden Drucks wärmer - das ist dasselbe wie bei einer Fahrradpumpe, die aufgrund des Stauchens der Luft darin warm wird. Dies führt dazu, dass sich die Wolken auflösen; das Auge eines tropischen Wirbelsturms ist also wolkenarm und um ca. 8 Grad wärmer als vor dem Auftreten des tropischen Wirbelsturms. Ein großer Teil der im Eyewall aufgestiegenen Luft strömt an der Tropopause in ca. 12 - 16 km Höhe aber nicht ins Auge, sondern in die Außenbereiche des tropischen Wirbelsturms, wo ebenfalls Absinken vorherrscht. Dieses Ausströmen ist im Gegensatz zum Einströmen am Boden nicht zylinderförmig (in jede Richtung gleich), sondern geschieht in 1 - 2 schnellen Luftströmungen, weil der Luftdruck in der Höhe nicht so stark beeinflusst ist wie am Boden. In den Außenbereichen bilden sich außerdem spiralförmige Regenbänder. Warum das so ist, ist aktueller Gegenstand der Forschung und hat vermutlich mit der Ausbreitung von Wellen in der Atmosphäre zu tun.

Mechanismus

Die Funktionsweise eines tropischen Wirbelsturms unterscheidet sich deutlich von den Tiefdruckgebieten mittlerer Breiten, die hier vor allem im Winter Niederschlag und Winde hervorrufen. Diese entstehen durch den Temperaturunterschied zwischen Norden und Süden und vermischen die nebeneinander liegenden Luftmassen miteinander. Ein tropischer Wirbelsturm wird dagegen von der Energie aus dem darunterliegenden Ozean angetrieben, die in die Atmosphäre gelangt, diese aufheizt und daher umschichtet, wie es auch bei einem sommerlichen Gewitter passiert. Die zur Verfügung gestellte Energie setzt sich zusammen aus „sensibler Wärme“, die sich in der hohen Temperatur äußert, und „latenter Wärme“ in Form von Wasserdampf, der in der Atmosphäre zu Wasser kondensieren kann und damit Wärme freisetzt.

Tropische Wirbelstürme entstehen im gegenwärtigen Klima über tropischen Gewässern mit einer Meeresoberflächentemperatur von mindestens 26 °C als gewaltige Tiefdruckwirbel, die einen Durchmesser von 1000 km erreichen können. Der Ursprung der atlantischen Hurrikane liegt in der Passatzone über dem äquatorialen Afrika, wo sich im tropischen Klima Gewitterzellen bilden, nach Westen driften und als kleine Tiefdruckgebiete den Atlantik erreichen.

Über dem warmen Meer kommt es zum Aufsteigen wasserdampfgesättigter Luft, die in der Höhe kondensiert und große Gewitterwolken bildet, aus denen gewaltige Niederschläge fallen. Durch die Verdunstung von Meerwasser und die anschließende Kondensation in der Troposphäre wird latente Wärme transportiert, die die Temperatur der umgebenden Luft erhöht. Die erwärmte Luft wird leichter und steigt empor. Dabei dehnt sie sich aus und kühlt ab, was weitere Kondensation und die Freisetzung weiterer latenter Wärme zur Folge hat, wodurch das Aufsteigen weiter angetrieben wird. Es kommt zu einer positiven Feedback-Reaktion, indem die aufsteigende Luft den Luftdruck über dem Meer zunehmend herabsetzt, wodurch am Boden Luft aus der Umgebung angesaugt wird, Wasserdampf aufnimmt und aufsteigt, in der Höhe kondensiert und Energie abgibt, was für weiteren Auftrieb und noch geringeren Luftdruck am Boden sorgt usw.

Bewegt sich das Tiefdruckgebiet genügend nördlich des Äquators (mindestens 5-8°), lenkt die Corioliskraft die einströmende Luft nach rechts ab und zwingt sie auf einen sich gegen den Uhrzeigersinn drehenden Wirbel. Aus einem tropischen Tiefdruckgebiet wird so ein tropischer Wirbelsturm und schließlich ein Hurrikan. Je geringer der Druck im Kernbereich ist, desto mehr Luft wird angesaugt und desto höhere Windgeschwindigkeiten entwickeln sich um den Kernbereich herum. Dass die Windgeschwindigkeit höher wird, wenn die Luft nach innen strömt, liegt an der Verteilung der Masse um die Drehachse und lässt sich am besten an einer Eiskunstläuferin veranschaulichen: Zieht sie die Arme an, dreht sie sich schneller; streckt sie die Arme aus wird sie langsamer (siehe auch Corioliskraft - Physikalische Erklärung).

Durch die Verdunstung von Wasserdampf, der in der Höhe zu Wolken und Niederschlag kondensiert, wird dem Hurrikan immer mehr Energie zugeführt, wodurch Windgeschwindigkeiten bis zu 300 km/h entstehen können. Die Verdunstung und der Aufstieg wasserdampfreicher Luft sind abhängig von der Meeresoberflächentemperatur, die z.B. im Golf von Mexiko 30 °C und mehr betragen kann. Beim Hurrikan "Katrina" wurden im August 2005 Windgeschwindigkeiten von über 300 km/h und bei "Wilma" im Oktober 2005, dem stärksten Hurrikan seit Beginn der Aufzeichnungen, Spitzenböen bis zu 340 km/h gemessen. Nur im Zentrum, dem sogenannten "Auge" des Wirbelsturms, das in der Regel einen Durchmesser von 15 bis 30 km besitzt, ist es windstill.

Wie viele Vorgänge in der Natur ist die Funktionsweise des Hurrikans mit einem Kreislauf verbunden, bei dem Energie zugeführt und umgewandelt wird: Die als Wärme und Wasserdampf verfügbare Energie wird in Bewegungsenergie überführt und macht sich in den starken Winden bemerkbar. Der Kreisprozess besteht dabei aus folgenden Schritten (unter Vernachlässigung des Auges):

1. Luft strömt herein in Richtung des tiefen Luftdrucks und dehnt sich daher aus. Sie wird aber nicht kälter, weil ihr aus dem Ozean Wärmeenergie (latent und sensibel) zugeführt wird.
2. Im Wall steigt sie auf, das Wasser darin kondensiert. Obwohl das Kondensieren Wärme freisetzt, wird die Luft kälter, denn in der Höhe ist der Luftdruck sehr gering.
3. In der Höhe strömt die Luft auseinander. Energie wird durch Abstrahlung an den Weltraum abgegeben.
4. Absinken in den Außenbereichen führt zu einer erneuten Erwärmung.

Ein solcher Kreisprozess in 4 Schritten, bei denen Luft erwärmt und abgekühlt wird, um letztlich Arbeit zu verrichten, heißt Carnot-Prozess und ist in der Technik weit verbreitet, z.B. bei Automotoren: Das brennende Benzin erwärmt die Luft gegenüber der Umgebung; die gewonnene Energie geht in die Bewegung des Autos. Je mehr Energie daraus abgezweigt werden kann, desto höher ist der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad eines Hurrikans ist in Wahrheit jedoch größer als bei einem solchen Carnot-Prozess. Der Grund ist, dass die starken Winde nahe der Wasseroberfläche zwar gebremst werden, diese Energie (im Gegensatz zu einem von Luft- und Bodenreibung gebremsten Auto) aber nicht verlorengeht! Durch die Reibung wird nämlich die Bewegungsenergie in Innere Energie der Luft überführt, was die Temperatur der unteren Luftschichten erhöht. Der Antrieb zum Aufsteigen der Luft wird damit gestärkt und die Energie verbleibt im System.

Allerdings haben die hohen Windgeschwindigkeiten auch einen schwächenden Einfluss (negative Rückkopplung): Sie bewirken ein Aufwühlen des Wassers, so dass tiefere und kältere Schichten des Ozeans an die Oberfläche gemischt werden. Dies kann eine Abkühlung um bis zu 5 Grad bewirken.

Entstehung und Auflösung

Zwar ist der Mechanismus, nach dem ein Hurrikan funktioniert, bekannt, die Art und Weise wie er entsteht, ist jedoch weitgehend unverstanden. Insbesondere die Entstehung des Auges erscheint zunächst nicht zwingend und ist nicht erschöpfend geklärt. Eine Vorhersage, wo und wann ein Hurrikan auftritt, ist damit ein sehr unsicheres Unterfangen. Etwas leichter und auch üblich ist es, die Zugbahn eines bereits entstandenen Hurrikans vorherzusagen.

Bisherige Studien haben einige wichtige Voraussetzungen identifiziert, die erfüllt sein müssen, damit ein Hurrikan überhaupt entstehen kann. Dass er es dann tatsächlich tut, ist jedoch nicht zwingend - man sagt, die Bedingungen sind „notwenig aber nicht hinreichend“.

Die wichtigsten davon sind folgende:

• Die Meeresoberflächentemperatur muss mehr als 26 Grad betragen und es muss eine warme Wasserschicht ausreichender Tiefe geben.
• Die relative Feuchte der Luft muss hoch sein. Andernfalls wäre die bei der Konvektion eingemischte Luft von außen zu trocken, es gäbe weniger Kondensationswärme und die Konvektion würde geschwächt.
• Es darf nur eine schwache vertikale Windscherung geben. Damit ist gemeint, dass die Richtung und die Stärke von Winden in allen Höhen über dem Boden ähnlich sein muss. Der Grund ist, dass sonst Eigenschaften der Luft wie Temperatur oder Feuchte mit der Strömung weggetragen würden. Der Hurrikan würde sozusagen auseinander gerissen.
• Die Luft muss eine hohe Wirbelstärke erhalten, d.h. sich in einer Art und Weise bewegen, dass sie in der Höhe leicht auseinanderströmen kann. Das damit ausgelöste Zusammenströmen am Boden führt zu verstärkter Drehung. Diese ist so gerichtet, wie es auch dem Drehsinn eines Hurrikans entspricht (im Norden gegen den Uhrzeigersinn, im Süden anders herum).

Beim Entstehen eines Hurrikans wird ein sich selbst verstärkender Mechanismus (positive Rückkopplung) ausgelöst: Im Wall kondensiert Wasser und heizt damit die Luft. So wird das Aufsteigen stärker. Im Auge dagegen herrscht Absinken, was eine Erwärmung der Luft zur Folge hat. Daher sinkt dort der Druck. Der verstärkte Druckunterschied zwischen innen und außen verursacht stärkere Winde, denn diese beschleunigen die Luft. Bei höheren Windgeschwindigkeiten ist aber auch die Wärmezufuhr aus dem Ozean stärker, denn die Wellen sind höher, es entsteht Gischt und die erwärmte und angefeuchtete Luft wird schneller durch neue ersetzt. Die Zirkulation wird durch die Energiezufuhr verstärkt, was den Druck im Zentrum weiter sinken lässt. Der Kreislauf ist damit geschlossen. Diese positive Rückkopplung sorgt dafür, dass sich ein Hurrikan sehr rasch entwickeln kann.

Die Auflösung des Hurrikans kann verschiedene Gründe haben:

• Er gelangt zu weit in hohe Breiten, wo die Temperatur der Meeresoberfläche zu gering ist.
• Es wird Luft eingemischt, die einen falschen Drehsinn hat.
• Der Hurrikan trifft auf Land („Landfall“).

Da von dem warmen Oberflächenwasser immer mehr Wasserdampf nachgeliefert wird und die Reibung über der Wasseroberfläche gering ist, entfaltet ein Hurrikan seine größte Energie über dem Meer. Trifft er auf Land, schwächt er sich zum einen wegen der höheren Reibung, zum anderen weil kein Wasserdampf mehr gebildet wird, schnell ab. Der Druck steigt dann sehr schnell und es kann zu extremen Niederschlägen kommen.

Treten in der Höhe stärkere Scherwinde auf, d.h. Winde, die anders als die Bodenwinde gerichtet sind, kann dieser Auftrieb und damit die Energie eines Hurrikans deutlich geschwächt werden. Unterdurchschnittlich niedrige Windscherungen, wie sie seit 1995 im Golf von Mexiko beobachtet wurden, begünstigen die Hurrikanbildung.

Klassifizierung

Kategorie	Wind in km/h	Zentraldruck in hPa	Sturmflut in m
Tropischer Wirbelsturm	56-117
Hurrikan 1 (schwach)	118-153	über 980	1,0-1,7
Hurrikan 2 (mäßig)	154-177	965-979	1,8-2,6
Hurrikan 3 (stark)	178-209	945-964	2,7-3,8
Hurrikan 4 (sehr stark)	210-249	920-944	3,9-5,6
Hurrikan 5 (verwüstend)	über 249	unter 920	über 5,7

Tab. 1: Hurrikan-Kategorien nach der Saffir-Simpson-Skala

Je nach Windgeschwindigkeit werden Hurrikane in fünf Kategorien eingeteilt (s. Tab. 1). Die Benennung einer Störung als tropischer Wirbelsturm erfolgt ab einer Windgeschwindigkeit von 56 km/h. Ab 118 km/h spricht man von einem Hurrikan, ab 178 km/h liegt ein Hurrikan der Kategorie 3 vor, über 249 km/h ein Hurrikan der Kategorie 5.

Namensgebung

Wie auch bei Tiefdruckgebieten in den mittleren Breiten, werden Hurrikane mit Vornamen versehen. Dies vereinfacht die Kommunikation zwischen den Wetterdiensten und Behörden in verschiedenen Ländern aber auch in der Schifffahrt. Seit 1953 werden alle Hurrikane im Atlantik nach einer Liste benannt. Diese wird von einem internationalen Komitee der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) erstellt. Auf der Liste stehen für jede Hurrikansaison 21 alphabetisch angeordnete weibliche und männliche Vornamen. Vor 1979 waren es nur weibliche Namen. Die 21 Namen einer Saison wiederholen sich alle 6 Jahre. So sind zum Beispiel die Namen für alle Hurrikane von 2008 bis 2013 schon vorgegeben. Ein Name kann allerdings auch von der Liste gestrichen und ersetzt werden. Dies geschieht bei zerstörerischen Hurrikanen, wie z.B. Katrina (2005) oder Fay (2008). Sollte es in einer Saison mehr als 21 Hurrikane geben, werden die folgenden nach griechischen Buchstaben benannt (Alpha, Beta, Gamma usw.). Für die anderen Hurrikangebiete (z.B. Indischer Ozean) gelten andere Regeln bei der Benennung.

Verbreitung

Verbreitung aller tropischer Wirbelstürme

Mittlere Zugbahnen atlantischer Hurrikane im Monat September

Jedes Jahr entstehen ca. 80 tropische Stürme, von denen sich ein Drittel bis die Hälfte zu Hurrikanen entwickeln. Die Anzahl ist jedoch von Jahr zu Jahr sehr verschieden. Die meisten Hurrikane (ca.87 %) entstehen zwischen 20°N und 20°S; zwei Drittel aller Hurrikane bilden sich auf der Nordhalbkugel. Die bevorzugten Gebiete sind der westliche Atlantik, der östliche Pazifik, der westliche Nordpazifik, der nördliche und der südliche Indische Ozean und der Südwest-Pazifik vor Australien. Die Hurrikane des Nordatlantiks bewegen sich auf Zugbahnen vom mittleren Atlantik oder der östlichen Karibik nach Westen und Norden Richtung Mittelamerika bzw. den Süden der USA. Stürme der höheren Kategorien treten vor allem im nördlichen Westpazifik auf. Im Südatlantik und Südost-Pazifik gibt es so gut wie keine Hurrikane, da dort zu geringe Meeresoberflächentemperaturen herrschen. Außerdem treten keine Hurrikane in einem engen Bereich um den Äquator herum auf. Dies liegt daran, dass dort die Corioliskraft zu schwach ist (bzw. genau auf dem Äquator 0 ist), so dass die Luft nicht in Drehung versetzt werden kann.

Tropische Zyklonen und globale Erwärmung

Tropische Zyklonen und Meeresoberflächentemperatur

Meeresoberflächentemperaturen in den Hurrikangebieten der angegebenen Ozeanbecken während der jeweiligen Hurrikansaison

In den meisten Regionen, in denen tropische Zyklonen vorkommen, haben sich die Meeresoberflächentemperaturen (im Folgenden auch SST - nach engl. Sea Surface Temperature) um mehrere zehntel Grad Celsius in den letzten Jahrzehnten erhöht. Das gilt besonders für das Entstehungsgebiet der nordatlantischen Hurrikane. Hier gibt es einerseits deutliche Dekadenschwankungen, mit einer kühlen Phase von 1905 bis 1925, einer warmen von 1930 bis 1960, einer kühlen von 1970 bis 1990 und dem Beginn einer neuen warmen Phase seit Mitte der 1990er Jahre. Andererseits zeichnet sich aber auch ein Trend von 0,7 °C pro 100 Jahre ab, der höher als im zonalen Mittel ausfällt.

Die Ursachen für die SST-Veränderungen im Atlantik sind nicht endgültig geklärt. Die Dekadenschwankungen werden mit der Atlantischen Multidekaden-Oszillation (AMO) in Zusammenhang gebracht, die hauptsächlich auf Schwankungen der Thermohalinen Zirkulation des Nordatlantiks zurückgeführt wird. Worin die Ursachen für die langfristige Erwärmung liegen, ist umstritten. Einige Autoren leiten sie primär aus der zunehmenden Konzentration von Treibhausgasen ab. Das von der WMO ernannte Hurrikan-Expertentam stellt dagegen in seinem aktuellen Bericht fest, dass die Änderung der atlantischen SST in den letzten 30 Jahren nicht primär durch anthropogene Treibhausgase beeinflusst ist.

Zwischen der Erhöhung der SST im Atlantik und der Anzahl von Hurrikanen wurde von einigen Forschern eine enge Beziehung hergestellt und die angenommene Zunahme der Hurrikane als anthropogen interpretiert. Holland&Webster (2007) unterscheiden für das 20. Jahrhundert eine stufenweise Zunahme von tropischen Zyklonen um etwa das Doppelte in drei Phasen. Nahezu parallel dazu habe sich die Meeresoberflächentemperatur um 0,7 °C im tropischen Ostatlantik, dem Entstehungsgebiete von Hurrikanen, erhöht. Die Veränderung der Hurrikan-Aktivität sehen sie zu mehr als 60 % durch den Anstieg der Meeresoberflächentemperatur bedingt, und deren Zunahme zu Zweidritteln durch die Zunahme der Konzentration von Treibhausgasen verursacht. Ähnlich argumentieren Mann&Emanuel (2006).

Gegen diese Argumentation sind jedoch in den letzten Jahren gravierende Einwände vorgebracht worden. Sie stützen sich im Wesentlichen auf zwei Argumente:

1. die gängige Statistik über die Anzahl der Hurrikane seit Ende des 19. Jh.s muss korrigiert werden,
2. die Hurrikane sind nicht allein und eventuell nicht primär durch die SST bestimmt.

Probleme der Hurrikan-Zählung

Häufigkeit tropischer Wirbelstürme im Nordatlantik 1878-2006 pro Jahr über 5 Jahre gemittelt. Die Entwicklung nach den vorliegenden Daten (blau) ergibt einen linearen Trend von +3,84 Stürmen pro 100 Jahr. Die korrigierte Entwicklung (rot) unter Hinzufügung früher nicht erfasster Stürme (grün) ergibt einen Trend von +1,6 Stürmen pro 100 Jahre.

Seit Beginn der Satellitenbeobachtung um 1970 zeigen die Daten eine deutliche Zunahme der tropischen Sturmereignisse im tropischen Nordatlantik. Global und in den anderen Ozeanbecken ist ein solcher Trend allerdings nicht auszumachen. Im östlichen und westlichen Nordpazifik ist zwar eine deutliche Zunahme zwischen dem Ende der 1970er und dem Beginn der 1990er Jahre zu verzeichnen, seitdem aber eine Abnahme auf das Niveau der 1970er Jahre. Und auch das globale Mittel zeigt keinen Trend.

Über die Anzahl tropischer Stürme und Hurrikane im Atlantik seit 1878 liegen Daten der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) vor (die sog. HURDAT-Daten). Sie zeigen einerseits starke Schwankungen von Jahr zu Jahr, andererseits deutliche Dekadenschwankungen. So war die Zeit zwischen 1910 und 1930 ausgesprochen ruhig, während seit Mitte der 1990er Jahre die Hurrikanaktivität ungewöhnlich zugenommen hat. Es lässt sich über den gesamten Zeitraum 1878-2006 aber auch ein deutlicher Trend erkennen, der auf +3,84 Stürme pro 100 Jahre geschätzt wurde. Beginnt man die Betrachtung bei 1900 ergibt sich sogar ein Trend von +6 Stürmen pro 100 Jahre.

Ein erheblicher Teil der Zunahme der Sturmhäufigkeit ist jedoch künstlich bedingt durch eine Veränderungen in den Beobachtungsmethoden. Vor 1944 wurden die Stürme durch Schiffe oder durch das Zählen der auf Land treffenden Stürme erfasst. Dabei gab es z.T. große Unterschiede bei den Schiffsrouten. So wurden vor der Eröffnung des Panama-Kanals 1914 der Golf von Mexiko und die Karibik nur wenig befahren. Außerdem haben beide Weltkriege zu großen Lücken bei der Beobachtung geführt. Nach dem 2. Weltkrieg wurden die Schiffsdaten über dem Nordatlantik durch Beobachtungen von Flugzeugen ergänzt. Erst seit 1965 gibt es eine flächendeckende Beobachtung durch Satelliten, die bis in die Gegenwart stetig verbessert wurde. Vor dem Satellitenzeitalter wurde also ein erheblicher Teil der tropischen Wirbelstürme im Nordatlantik nicht erfasst, der nach 1965 in die Zählung aber durchaus einging. Das betrifft besonders schwächere Stürme mit weniger als zwei Tagen Dauer.

Häufigkeit von mittel- und langlebigen Hurrikanen pro Jahr 1878-2008

In den letzten Jahren ist daher von verschiedenen Autoren der Versuch unternommen worden, die Anzahl nicht erfasster tropischer Zyklonen zu bestimmen. Nach Mann et al. (2007) würden mehr als ein Sturm pro Jahr den beobachteten statistischen Beziehungen zwischen dem zugrundeliegenden Klima und der Anzahl tropischer Zyklonen widersprechen. Landsea (2007) nimmt dagegen 3,2 fehlende Stürme pro Jahr an. Von Vecchi & Knutson (2008) wurden die „fehlenden“ Stürme mit 3-4 pro Jahr um 1880 und für die beiden Weltkriege sowie mit 0,25 pro Jahr in den 1950er und 1960er Jahren angesetzt. Daraus ergibt sich über den gesamten Zeitraum von 1878-2006 ein deutlich geringerer Trend von nur +1,6 Stürmen pro 100 Jahre, der statistisch nicht signifikant ist. Landsea (2007) kommt dagegen auf einen deutlich stärkeren Trend von +2,89 pro 100 Jahre, da er seine Analyse auf den Zeitraum 1900-2006 bezieht. In einer neueren Untersuchung lassen Landsea et al. (2010) die Zeitreihe allerdings auch mit dem Jahr 1878 beginnen, rechnen die kurzlebigen Stürme heraus und die „fehlenden“ mittel- bis langlebigen Stürme hinzu. Das Ergebnis ist: Es gibt bei den mittel- bis langlebigen Hurrikanen keinen Trend, sondern nur Dekadenschwankungen.

Noch weniger als im Atlantik konnte für den nördlichen Westpazifik ein Trend der Häufigkeit tropischer Zyklonen festgestellt werden. Eine Untersuchung der auf Land treffenden Taifune während der Zeit von 1954 bis 2004 an den Küsten von Vietnam, den Philippinen, China, Korea und Japan ergab zwar starke jährliche und ebenso ausgeprägte Schwankungen über Jahrzehnte, aber keinen erkennbaren Trend. Ein Einfluss der globalen Erwärmung auf die Aktivität von Taifunen kann nach Chan&Chu (2009) ausgeschlossen werden.

Das Hurrikan-Team der WMO schließt daraus, dass es letztlich ungewiss bleibt, ob die vergangenen Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklonen die Schwankungen überstiegen haben, die aus natürlichen Ursachen zu erwarten wären.

Starke und schwache Hurrikane

Die globale Anzahl der schwachen und mittleren (Kategorie 1-3) und der starken Hurrikane (Kategorie 4 und 5) von 1970/4 bis 200/04 jeweils über vier Jahre gemittelt.

Die meisten Modellberechnungen kommen zu dem Ergebnis, dass bei einer Erwärmung durch anthropogene Treibhausgase im 21. Jahrhundert die Anzahl aller tropischen Zyklonen zwar ab-, die starken Hurrikane der Kategorie 4 und 5 jedoch stärker und häufiger werden (s.u.). Verschiedene Autoren haben untersucht, ob ein solcher Trend auch schon in der jüngsten Vergangenheit zu beobachten und ob er der bisherigen globalen Erwärmung zuzuordnen ist. So haben Webster et al. (2005) in der Zahl und dem Anteil starker Hurrikane der Kategorie 4 und 5 in allen Ozeanbecken eine deutliche Steigerung festgestellt. Während die Anzahl der Hurrikane der Kategorien 1-3 in der Zeit der Satellitenbeobachtung 1970-2004 pro Jahr sich kaum verändert habe, zeige die der Kategorien 4 und 5 nahezu eine Verdopplung von ca. 50 auf 90 Hurrikane pro Jahr. Auch der Anteil der starken Hurrikane an der Gesamtzahl aller Hurrikane ist von ca. 20 auf rund 35 % gestiegen.

Diese Ergebnisse wurden durch weitere Untersuchungen bestätigt. Aufgrund von Satellitendaten 1981-2006 wurden z.B. von Elsner et al. (2008) die höchsten Windstärken, die tropische Zyklonen während ihrer Lebenszeit erreichen, untersucht. In allen Ozeanbecken wurde ein Aufwärtstrend festgestellt, insbesondere bei den stärksten Zyklonen und vor allem im Nordatlantik. Kein Trend ergab sich dagegen bei den schwächeren Windstärken. Die starken tropischen Zyklonen sind also noch stärker geworden.

Index der Meeresoberflächentemperatur (blau) im tropischen Nordatlantik (6°-18° N, 20°-60° W) und des Energieumsatzes (rot) bei nordatlantischer Hurrikanen 1930-2004

Eine Methode, den gesamten Energieumsatz eines Hurrikans zu berücksichtigen, ist der Power Dissipitation Index (PDI) des US-Hurrikan-Forschers Kerry Emanuel, der die Dauer aller tropischen Zyklonen während einer Saison und die maximale Windstärke während dieser Dauer berücksichtigt. Seit den 1970er Jahren hat nach Emanuel (2007) der PDI im tropischen Nordatlantik um fast 100 % zugenommen, im westlichen Nordpazifik um 35 %. Unmittelbare Gründe sind nach Emanuel sowohl eine verlängerte Sturmdauer pro Jahr wie höhere Windgeschwindigkeiten.

Aber auch bei der weitgehend auf Satellitenbeobachtung beruhenden Abschätzungen einer zunehmenden Hurrikan-Intensität sind Zweifel angebracht. In den 1970er und 1980er Jahren gab es nur wenige Satelliten mit einer geringen Bildauflösung, die Tropische Zyklonen vor allem im Nordatlantik erfassten. Seit den 1990er Jahren wurde die Anzahl der Satelliten erhöht und die Bildauflösung verbessert. Die Intensität der Zyklonen wurde daher vor 1990 häufig deutlich unterschätzt. So wurde etwa der Bangladesch-Zyklon von 1970, der wahrscheinlich schlimmste Tropische Zyklon der jüngeren Menschheitsgeschichte mit 300000 bis 500000 Toten, offiziell nie klassifiziert. Nachträgliche Untersuchungen früherer Satellitendaten lassen vermuten, dass zwischen 1978 und 1990 etwa 70 Zyklonen der Kategorie 4 und 5 nicht als solche erkannt wurden. Hinzu kommt, dass die Zeitperioden zu kurz für Aussagen über einen längerfristigen Trend sind.

Das Ursachenproblem

Die Probleme bei den Daten, insbesondere die Schwierigkeit, längerfristige Trends festzustellen, machen es nahezu unmöglich, den beobachteten Veränderungen bestimmte Ursachen zuzuordnen. Die noch vor einigen Jahren propagierte direkte Kopplung der Hurrikanaktivität mit der Mereresoberflächentemperatur und der Rückschluss auf anthropogene Einflüsse sind einem differenzierteren Bild gewichen.

Zum einen gibt es zwischen der Anzahl tropischer Zyklonen und der Mereresoberflächentemperatur offensichtlich keine einfache Beziehung. So lässt sich die Entwicklung beider Faktoren seit Beginn der Satellitenbeobachtung zwar im Nordatlantik zur Deckung bringen. Im NW-Pazifik kann man jedoch von Mitte der 1970er Jahre bis ca. 1990 eine starke Zunahme der Zahl Tropischer Zyklonen von 10 auf etwa 20 pro Jahr feststellen, dann aber eine starke Abnahme auf ca. 12 um das Jahr 2000, obwohl die Mereresoberflächentemperatur stetig angestiegen ist.

Auch im Atlantik scheint eine direkte Beziehung möglicherweise nur scheinbar zu existieren. Offensichtlich ist es weniger die atlantische Mereresoberflächentemperatur direkt, die die Hurrikan-Aktivität beeinflusst, als deren Relation zur übrigen tropischen SST und der Einfluss dieser Differenz auf die atmosphärische Dynamik. Die tropische SST im Atlantik ist in den letzten 30 Jahren deutlich stärker angestiegen als in den anderen Ozeanen. Nach Berechnungen von Klimamodellen ist dieser Unterschied jedoch nicht durch Treibhausgase zu erklären. Eine Folge ist, dass sich die Innertropische Konvergenzzone nach Norden verschiebt. Daraus folgen wiederum: eine reduzierte vertikale Windscherung sowie eine Reduktion der Stabilität des dynamischen Profils der Troposphäre. Diese Faktoren begünstigen die Entstehung von tropischen Stürmen und sind möglicherweise verantwortlich für die Korrelation von Hurrikan-Häufigkeit und Mereresoberflächentemperatur im Atlantik.

Immerhin steht nach einer jüngeren Untersuchung (Elsner et al. 2008) die Zunahme der hohen Windstärken in Übereinstimmung mit der Zunahme der SST. Pro 1 °C Anstieg der SST wurde eine Zunahme um 1,9 m/sec bei den 20 % höchsten Windstärken und um 6,5 m/sec bei den 10 % höchsten Windstärken festgestellt. Die stärksten Zyklonen werden also stärker mit höheren SST. Diese Parallele ist konsistent mit theoretischen Überlegungen, dass ein wärmerer Ozean mehr Energie für die Entwicklung tropischer Zyklonen bereitstellt. Sie erlaubt jedoch noch keine kausale Zuschreibung, da der Einfluss anderer Faktoren wie die vertikalen Temperaturverhältnisse der Troposphäre, die vertikale Windscherung, der Einfluss von El-Niño-Verhältnissen usw. nicht berücksichtigt sind. Auch die Zunahme des PDI kann laut Hurrikan-Team der WMO durch höhere SST nur z.T. erklärt werden. Aufgrund der kurzen Periode der Satellitendaten sei es letztlich nicht möglich, anthropogene Veränderungen von natürlichen Dekadenschwankungen zu trennen.

Projektionen

Hurrikane der Kategorie 4 und 5 – Gegenwart: gestrichelt; Zukunft: durchgezogen

Modell-Projektionen über die Entwicklung der Aktivität von tropischen Zyklonen in einer wärmeren Welt hatten lange Zeit eine zu grobe räumliche Auflösung, um wesentliche Eigenschaften von tropischen Zyklonen adäquat zu simulieren. In jüngster Zeit sind jedoch Modelle mit einer Auflösung bis hinunter auf 9 km entwickelte worden, die mehrheitlich zu dem Ergebnis kommen, dass die hohen Windgeschwindigkeiten ebenso wie die an tropische Zyklonen gekoppelten Niederschläge zunehmen werden und – mit weniger hoher Wahrscheinlichkeit – dass die Anzahl der schwachen tropischen Zyklonen sinken und die der starken steigen wird. So ergibt eine aktuelle Modelluntersuchung über die künftige Entwicklung eine Zunahme der Anzahl atlantischer Hurrikane der Kategorien 4 und 5 bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um fast das Doppelte und bei den Stürmen der Kategorie 5 sogar um das Dreifache. Ebenso wird hiernach der Niederschlag in einem Radius von 100 km um das Hurrikan-Zentrum um 20 % zunehmen.

Die Gründe für diese Entwicklung sind nicht endgültig geklärt. Eine wichtige Ursache für die Abnahme der Gesamtzahl tropischer Zyklonen in einer wärmeren Welt wird darin gesehen, dass die globale Erwärmung die vertikale Windscherung begünstigt (Wand & Lee 2008). Vertikale Windscherung unterbricht die Formation vor allem der schwächeren Stürme, während die starken Stürme sich ihre eigene Umwelt schaffen und den Einflüssen von Windscherungen eher widerstehen. Eine höhere Meeresoberflächentemperatur führt dagegen nicht zu einer höheren Anzahl tropischer Zyklonen. Zusammen mit dem Anstieg des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre stellt sie allerdings mehr Energie zur Verfügung und begünstigt damit die Intensität der Zyklonen.

Unterricht

• Tropischer Wirbelsturm Lernmodul über die Entstehung tropischer Wirbelstürme

Literatur

• Verstärkt die globale Erwärmung Wirbelstürme? Climate Press Nr. 23

Weblinks

• Wetterextreme und Klimawandel Hamburger Bildungsserver

• Hurrikan-FAQ Thomas Sävert