Atmosphärische Bedingungen bei konvektiven Stürmen über dem tropischen Regenwald

Konvektive Stürme treten häufig in den Tropen auf und haben das Potenzial, den unteren Teil der Atmosphäre zu stören. Sie könnten sogar den Austausch von Spurengasen aus dem Kronendach mit der darüber liegenden Atmosphäre verbessern. Um diese Prozesse besser zu verstehen, nutzten Maurício Oliveira und Co-Autoren die Infrastruktur der ATTO, um die Winde während der Nacht zu untersuchen. Die Ergebnisse veröffentlichten sie in einem neuen Artikel in der Open-Access-Zeitschrift Atmospheric Chemistry and Physics.

Warum regnet es in den Tropen so häufig? Der Grund ist eine Mischung aus vielen Faktoren, aber hauptsächlich ist es die meiste Zeit sehr warm und sehr feucht. Im Laufe des Tages wird es immer heißer und die warme Luft steigt auf. Weiter oben in der Atmosphäre kühlt sie sich langsam ab. So kondensiert Wasserdampf zu Wolkentröpfchen und in der Folge bilden sich Eispartikel und konvektive Stürme. Ein konvektiver Sturm ist per Definition ein solcher, der sich aufgrund von latenter Wärme, also dem eben beschriebenen Prozess, bildet. Diese Stürme erzeugen oft Regen und starke Winde. Wenn die Winde einmal mit hoher Geschwindigkeit auf den Boden auftreffen, breiten sie sich in alle Richtungen aus und können über beträchtliche Entfernungen weiter wehen. Deshalb erleben wir manchmal starke Winde (outflow genannt), bevor uns ein Gewitter erreicht.

Aber konvektive Stürme sind auch mit einem anderen wichtigen Prozess verbunden, den wir selbst nicht erleben können. Diese starken Stürme stören den unteren Teil der Atmosphäre. Dies kann den Austausch von Chemikalien zwischen dem Wald und der Atmosphäre beeinflussen. Zum Beispiel könnten die mit konvektiven Stürmen verbundenen Outflow-Winde den Austritt von Spurengasen aus dem Walddach in die darüber liegende Atmosphäre verbessern. Aus diesem Grund möchte unser Team mehr Details über konvektive Stürme in tropischen Wäldern erfahren.

convective storm over the forest
© Steffen Schmidt / MPI-BGC
Schematic illustrating the effects of a gust front passing over ATTO during nighttime. Figure from Oliveira et al. (2020)

Maurício Oliveira and co-authors used the infrastructure at ATTO to study storm outflows during nighttime, when stable atmospheric layers are usually established. They measured at several heights on our 80-meter tower during several separate storm events. They found that the storm events all had well-defined gust fronts. When they passed over the ATTO site, temperatures quickly dropped while wind speeds picked up. In addition, the sensible heat flux reversed. Before the storm arrived, warmer air was heating the colder ground below (=negative heat flux) as is typical at night. When the gust front brought cooler air to the site, the ground became warmer in comparison and was now transmitting heat back into the air (=positive heat flux) in a short, abrupt burst. Such a positive flux is typical for daytime, when solar radiation warms up the ground. However, it does not usually occur at night, especially in such a transient fashion. Our team observed this effect both above and below the canopy, although it was more pronounced above the treetops. Finally, they noticed that the air from the outflow was very turbulent. It was also drier, despite some rain occurring in the center of the storm. This led to an increase in the latent heat flux, meaning an increase in heat loss due to evaporation and transpiration.

Maurício Oliveira und Co-Autoren nutzten die Infrastruktur der ATTO, um Outflows von Stürmen während der Nacht zu untersuchen, wenn sich normalerweise stabile atmosphärische Schichten bilden. Sie haben auf unserem 80-Meter-Turm in mehreren Höhen während unterschiedlicher Sturmereignisse gemessen. Sie stellten fest, dass die Sturmereignisse alle gut definierte Böenfronten hatten. Als sie über den ATTO-Standort hinwegzogen, sanken die Temperaturen schnell, während die Windgeschwindigkeiten zunahmen. Außerdem kehrte sich der spürbare Wärmestrom um. Vor dem Eintreffen des Sturms heizte wärmere Luft den kälteren Boden darunter auf (=negativer Wärmefluss), wie es nachts typisch ist. Als die Böenfront kühlere Luft an den Standort brachte, wurde der Boden im Vergleich dazu wärmer und übertrug nun die Wärme in einem kurzen, abrupten Impuls zurück in die Luft (=positiver Wärmestrom). Ein solcher positiver Fluss ist tagsüber typisch, wenn die Sonneneinstrahlung den Boden erwärmt. Er tritt jedoch in der Regel nicht nachts auf, insbesondere nicht in einer so kurzzeitigen Weise. Unser Team beobachtete diesen Effekt sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kronendaches, obwohl er oberhalb der Baumkronen stärker ausgeprägt war. Schließlich stellten sie fest, dass die Luft aus dem Outflow sehr turbulent war. Es war auch trockener, obwohl im Zentrum des Sturms etwas Regen auftrat. Dies führte zu einer Zunahme des latenten Wärmestroms, was eine Zunahme des Wärmeverlusts durch Verdunstung und Transpiration bedeutete.

Ein solcher Austausch zwischen Land und Atmosphäre kann einen erheblichen Einfluss auf Wettersimulationen und -vorhersagen haben. Und bis wir mehr darüber wissen, könnten sie in Klimamodellen falsch dargestellt werden. Mit dieser Studie machte unser Team einen Schritt zum besseren Verständnis der atmosphärischen Dynamik innerhalb von Stürmen und ihrer Wechselwirkung mit dem Wald. Vor allem lernten sie, dass konvektive Stürme signifikante und abrupte Veränderungen der atmosphärischen Bedingungen hervorrufen können. Sie zu erkennen war nur mit den hochfrequenten Messungen auf mehreren Ebenen möglich.