Im heutigen Thema des Tages wird ein Phänomen erklärt, das immer wieder bei der Vorhersage der Intensität von Tropenstürmen für Überraschungen sorgt und bis heute Gegenstand der aktuellen Forschung ist: der sogenannte "eyewall replacement cycle".

In einigen Themen des Tages der jüngeren Vergangenheit (Stichwortsuche: "Stadion-Effekt") wurde besonders die Herangehensweise der Intensitätsabschätzung tropischer Stürme betrachtet. Dadurch geriet die Dynamik dieser Stürme etwas in den Hintergrund, weshalb wir uns heute mal etwas mehr diesem Thema widmen wollen. Dazu betrachten wir einen Zyklus, der immer wieder besonders bei kräftigen Tropenstürmen zu beobachten ist.

Tropenstürme, so zerstörerisch sie auch sein können, sind grundsätzlich recht anfällige, wenn nicht manchmal sogar fragile Gebilde, die auf atmosphärische Veränderungen in der Umgebung reagieren. Erhöht sich die Windscherung (Änderung der Windgeschwindigkeit und -richtung mit der Höhe), dann erfolgt nicht selten eine Abschwächungsphase. Wird eine trockenere Luftmasse zum Zentrum des Sturmes geführt, dann schwächelt die Konvektion und somit auch das gesamte System und natürlich muss auch eine nachhaltige (negative) Beeinflussung beim Kontakt mit einer Landmasse oder Insel erwähnt werden.

Doch selbst wenn all diese Bedingungen nicht gegeben sind und der Tropensturm in einer scherungsarmen und feuchten Umgebung über sehr warmes Meereswasser zieht, unterläuft das System trotzdem Intensitätsschwankungen. Diese werden durch innere dynamische Prozesse hervorgerufen. Dabei handelt es sich um sogenannte ?eyewall replacement cycles?, oder auf Deutsch und etwas freier übersetzt: ?ein oder mehrere Zyklen, die die bestehende Augenwand ersetzen?.

Die Augenwand ist ein Teil der Dynamik, die einen Tropensturm ausmacht. Dank eines sich immer weiter vertiefenden Kerndrucks des Systems etabliert sich ein sogenannter ?inflow?, also eine Strömung mit warmer und feuchter Luft, die mehr oder weniger direkt ins Zentrum des Sturmes gerichtet ist. Diese Luftmasse ist labil geschichtet und somit bereit zum Aufsteigen. Das gelingt ihr in der Nähe zum Zentrum des Sturms, wo die Luftmasse zum Aufsteigen gezwungen wird und sich mächtige Schauer- und Gewitterwolken bilden. Direkt über dem Zentrum entwickelt sich eine Art Ausgleichsströmung, die sich durch kräftiges Absinken auszeichnet. Dank starker Abtrocknung bildet sich dadurch das typische wolkenarme oder gar wolkenfreie Auge aus. Hier ist der Wind kaum zu spüren, während dieser nur wenige Kilometer entfernt innerhalb der Augenwand mit Böenspitzen deutlich jenseits der Orkanschwelle tobt. Wer die Passage eines solchen Auges erlebt hat, der sieht an dessen Rand, dass die kräftigen Schauer und Gewitter drohend wie eine riesige Wand das Auge umrahmen, weshalb dieser Bereich auch als Augenwand (engl. eyewall) bezeichnet wird. Wer sich das mal bildlich anschauen möchte, kann das im Thema des Tages vom 07.09.2023 gerne machen.

Nun kommt es immer wieder vor, dass sich die zentrumsnahe Augenwand abschwächt und sich eine zweite, weiter vom Zentrum entfernte Augenwand entwickelt. Vermutungen, wie dieser Prozess abläuft, gibt es viele, doch bis heute ist dieser Prozess Gegenstand intensiver Forschung. Folgende Ansätze gibt es zu nennen:

Sollte der Augendurchmesser zu klein werden, dann verliert die Konvektion irgendwann an Struktur/Organisation und es bildet sich eine neue Augenwand aus.

Eine andere Option besagt, wenn die Windgeschwindigkeit zu hoch wird, kommt es irgendwann zu einem turbulenten Zusammenbruch des Windfeldes. Dieser Zusammenbruch schwächt wiederum die Augenwand ab. Eine Neubildung erfolgt dann in dem Bereich, wo das Windfeld nicht so turbulent ist, was in größerer Entfernung zum Zentrum des Sturms der Fall ist.

Die letzte Variante ist die, dass eine Zunahme der Konvektion außerhalb der inneren Augenwand so viel Feuchtigkeit und Energie benötigt, dass diese der ersten Augenwand fehlen. Diese Entwicklung führt dann letztendlich zum Zusammenbruch der inneren Augenwand.

Welche dieser Varianten letztendlich der Wahrheit entspricht oder ob es gar eine Mischung aus all diesen Varianten ist, wird sich in Zukunft mit weiteren Messkampagnen sicherlich noch zeigen. Was sind denn die Folgen eines solchen Zyklus? Die erste Konsequenz ist ein Abschwächen des Tropensturms bzw. ein Ansteigen des Kerndrucks, da der Motor des Systems vorübergehend gestört wird. Wenn sich die Konvektion in Folge des Zyklus abschwächt, dann erfolgt auch ein geringerer Eintrag latenter Wärmeenergie und in der Folge kann sich ein Tropensturm um eine, manchmal auch um mehrere Kategorien auf der Saffir-Simpson Skala abschwächen. Für die leidgeplagte Bevölkerung, die im Weg eines solchen Tropensturms steht, ist das natürlich erstmal eine günstige Entwicklung. Weniger schön jedoch ist, dass sich das Windfeld bei solch einem Zyklus nicht selten dramatisch ausweitet, sodass z.B. das Risiko einer beträchtlichen Sturmflut deutlich zunehmen kann.

Doch schauen wir uns diesen Prozess mal an Hand von Bildern an:

Im Satellitenbild vom 23.09.2018 erkennt man, dass der Taifun TRAMI ein sehr kleines und kompaktes Auge besitzt. Rund 24 h später hat sich das Erscheinungsbild des zukünftigen Supertaifuns grundlegend geändert. Der Augendurchmesser hat sich dramatisch vergrößert. TRAMI war eines der Systeme, die es geschafft haben, dass sich der "eyewall replacement cycle" kaum auf die Intensität des Sturmes ausgewirkt hat. Allerdings erkennt man im rechten Bild, dass sich die Wolkenoberflächentemperatur etwas erwärmt hat (keine gelben, nur noch rote Farben), sodass wenigstens kurzfristig Auswirkungen in Form einer geringen Abschwächung und nachlassender Organisation beobachtet werden konnten. Letztendlich aber erreichte der Sturm noch am selben Tag den Status eines Supertaifuns. Die Gründe, wieso manche Zyklen langsamer als andere und mit variablen Intensitätsschwankungen ablaufen, sind übrigens noch nicht geklärt.

Um durch die Wolken und auf das Windfeld von TRAMI zu schauen, benutzen wir ein Mikrowellenradar, das von einem (polarumlaufenden) Satelliten von oben auf den Sturm schaut. Auch hier erkennt man die dramatische Vergrößerung des Auges. Behält man die rote Farbe (Windgeschwindigkeiten von 30 m/s oder mehr) im Auge, dann erkennt man vom 25.09. zum 28.09. eine Aufweitung des Windfeldes (auch abseits der Tatsache, dass ein variabler Zoom verwendet wurde) ? weitere Augenwandzyklen beeinflussten TRAMI also auch während dieser Zeit. Leider liegen für den 23. und 24. September keine Messdaten vor, denn es ist immer ein Glücksfall, wenn solch ein Sturm die vergleichsweise enge Spur eines Satelliten kreuzt.

Als ein Glücksfall können die Ereignisse bezeichnet werden, wo so ein Zyklus vom (normalen) Radar aus verfolgt werden kann (was dann aber leider auch eine gewisse Nähe des Sturms zum Festland bedeutet). Dies geschah z.B. 2022 beim Hurrikan IAN, der über das westliche Kuba in Richtung Florida zog. In a) erkennt man eine dominante Augenwand, die jedoch wenig später in b) zunehmend von einer zweiten Augenwand umrahmt wurde. Das Auge weitete sich in der Folge in c) immer weiter auf und die zweite Augenwand entwickelte sich zur dominanten, während die erste regelrecht auseinanderbrach. Letztendlich erfolgte dann in der Folge in d) eine erneute Intensivierungsphase des Hurrikans direkt vor Landgang in Florida zu einem Kategorie 5 Sturm auf der fünfteiligen Intensitätsskala. Diesem Sturm fielen über 160 Menschen zum Opfer und der hier besprochene Zyklus der Augenwand sorgte im Vorhersagebetrieb für zahlreiche Probleme und Überraschungen mit Blick auf die finale Intensitätsabschätzung.

Werkzeuge zur Vorhersage der Zyklen gibt es mittlerweile genug, doch leider bringt einem das beste Werkzeug wenig, wenn der physikalische Ablauf, der dahintersteckt, bisher nur lückenhaft bekannt ist. Somit ergeben sich auch heutzutage immer wieder kritische Fälle, wenn z.B. wie bei Hurrikan IAN ein Tropensturm kurz vor Landgang steht und sich die Frage stellt, ob ein Augenwandzyklus für eine Abschwächung sorgen könnte, oder eben nicht. Dahingehend wird es sicherlich noch sehr viel Forschungs- und Modellierungsarbeit geben und vielleicht gelingt es irgendwann, diese Zyklen besser vorherzusagen. Was für den Moment jedoch für den Beobachter bleibt, ist aber die Faszination der Veränderlichkeit des Aussehens, die solche Zyklen bei kräftigen Tropenstürmen hervorrufen können.

Dipl.-Met. Helge Tuschy

Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 21.10.2023

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