M3 Konvektion und konvektive Systeme

Thema

Atmosphärische Konvektion ist der Mechanismus, durch den warme, feuchte Luft in intensiven vertikalen Strömungen aufsteigt und dabei latente Wärme freisetzt. Diese Wärme treibt das Wachstum von Cumuluswolken und, bei weiterem Wachstum, von Cumulonimbuswolken an. Genau diese Freisetzung latenter Wärme sorgt dafür, dass die aufsteigende Luft wärmer bleibt als die Umgebungsluft und dadurch ihren Aufstieg beschleunigt, anstatt sich zu verlangsamen. Atmosphärische Konvektion tritt nicht immer in derselben Größenordnung auf: Sie reicht von einzelnen Cumuluswolken mit einem Durchmesser von ein bis fünf Kilometern und einer Lebensdauer von nur einer halben bis einer Stunde bis hin zu mesoskaligen Konvektionssystemen, die sich über hundert Kilometer erstrecken und mehr als sechs Stunden aktiv bleiben können. Wie groß und lang anhaltend eine atmosphärische Konvektionsepisode wird, hängt von zwei Bedingungen der Umgebung ab. Diese Abhängigkeit ist die Ursache für die starken Schwankungen der Konvektionsskala von Episode zu Episode.

Diese beiden Umweltbedingungen – verfügbare Konvektionsenergie und Windscherung – bestimmen die Form der atmosphärischen Konvektion. Bei hoher verfügbarer Konvektionsenergie und geringer Windscherung entsteht eine einzellige, isolierte und kurzlebige Konvektion. Ist die Windscherung hingegen hoch, organisiert sich dieselbe verfügbare Konvektionsenergie zu deutlich langlebigeren Strukturen wie Superzellen oder mesoskaligen Konvektionssystemen. Die Windscherung bewirkt also, dass sich die verfügbare Energie zu einem organisierten Sturm bündelt, anstatt sich in einer isolierten Zelle zu zerstreuen.

Die grundlegende Zelle dieser atmosphärischen Konvektion ist die Cumulonimbuswolke: In ihr wird der Aufwind, die aufsteigende Strömung, die die Wolke aufrechterhält, von der konvektionsenergiereichen Luft der unteren Troposphäre gespeist und erreicht Geschwindigkeiten zwischen fünf und fünfzig Metern pro Sekunde. Parallel zu diesem Aufwind entsteht der Abwind, der durch die Verdunstung von Regen innerhalb der Wolke selbst erzeugt wird. Diese Verdunstung kühlt die umgebende Luft ab, wodurch diese dichter wird und mit Kraft zum Boden absinkt.

In Superzellen erfüllt dieser Aufwind eine zusätzliche Funktion: Er kippt die vorhandene horizontale Wirbelstärke der umgebenden Luft in Richtung Vertikale. Diese Kippung – bekannt als Rotunno-Klemp-Mechanismus – versetzt den Aufwind selbst in Rotation und führt zur Bildung des für die Superzelle charakteristischen Mesozyklons. Die Organisation eines mesoskaligen konvektiven Systems hängt jedoch nicht von der Rotation des Aufwinds ab, sondern von einer ausreichenden Windscherung, die den Aufwind räumlich vom Abwind trennt. Dadurch können beide koexistieren, ohne sich gegenseitig zu stören, und das System bleibt über viele Stunden aktiv. Wenn diese konvektiven Systeme in niedrig auflösenden numerischen Modellen dargestellt werden müssen, die sie nicht explizit auflösen können, werden Anpassungsverfahren eingesetzt. Diese eliminieren die verfügbare konvektive Energie über einen Zeitraum von ein bis zwei Stunden und ersetzen so den atmosphärischen Konvektionsprozess selbst durch eine statistische Näherung seiner Wirkung.

Das resultierende Verhalten variiert je nach Form der atmosphärischen Konvektion: Eine gewöhnliche Cumuluswolke bildet sich, entwickelt sich und löst sich innerhalb von nur einer halben bis einer Stunde auf; eine Mehrzellenwolke wird durch aufeinanderfolgende Zellen aufrechterhalten, die sich alle 15 bis 20 Minuten erneuern; eine Superzelle behält ihre Rotation während der gesamten Dauer des Gewitters bei; und ein mesoskaliges konvektives System kann sich über Nacht ausbreiten, angetrieben von seiner eigenen Kaltluftblase – der dichten, kalten Luft, die sich durch seine Abwinde in Bodennähe ansammelt –, wodurch sich das Gewitter sogar weit von seinem Ursprungsort entfernen kann. Somit reagiert diese gesamte Hierarchie der atmosphärischen Konvektion, von der einfachsten einzelnen Ansammlung bis zum ausgedehntesten mesoskaligen konvektiven System, auf das gleiche Gleichgewicht zwischen der verfügbaren konvektiven Energie, die sie antreibt, und der Windscherung, die über ihre Organisation entscheidet.

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