Warum ist der Wind dieses Jahr so ​​stark? Möchten Sie, dass alle die gleiche Frisur wie Nezha haben?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chen Dexiu (Institut für Atmosphärenphysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Letzte Woche wurden die extrem starken Winde in Peking zu einem heißen Thema. In einigen Gebieten wurden sogar starke Winde der Stärke 13 gemessen, die an Land selten sind. Unerwarteterweise war die erste Expresslieferung, die die Arbeiter nach den Frühlingsfestferien im Jahr der Schlange erhielten, der Beifeng Express. Jemand (ich selbst) scherzte sogar: „Wenn dieser Wind einmal weht, sieht man leicht genauso aus wie Dazha.“

Heute werden wir mithilfe der Wissenschaft die Geheimnisse hinter dieser „extremen Kältewelle“ lüften und sehen, wie dieser Sturm der Stufe 13 bis vor unsere Haustür gelangte.

1. Luftdruckdifferenzantrieb – der Motor des Windes

Wind ist der Luftstrom von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebieten. Wenn an der Erdoberfläche ein Temperaturunterschied besteht, steigt die heiße Luft auf und bildet einen niedrigen Druck, und die kalte Luft sinkt ab und bildet einen hohen Druck. Der Druckunterschied treibt die horizontale Strömung der Atmosphäre auf der Erdoberfläche an. Gängige Beispiele sind die ungleichmäßige Erwärmung durch Sonneneinstrahlung zwischen Äquator und Polen, die die globale Luftzirkulation antreibt; Der Temperaturunterschied zwischen Meer und Land im Tagesverlauf führt zu See- und Landbrisen. Tagsüber erwärmt sich das Land schnell und der Wind weht vom Meer auf das Land (Seebrise). Nachts hat der Ozean eine größere spezifische Wärmekapazität, sodass die Temperatur weniger stark sinkt und der Wind in Richtung des wärmeren Ozeans weht (Landbrise). Der Temperaturunterschied zwischen dem Osten und Westen des tropischen Pazifiks (der Temperaturunterschied beträgt etwa 4–6 °C, 28 °C im Westen gegenüber 22 °C im Osten) verursacht die Walker-Zirkulation in der Atmosphäre.

Abbildung 1: Grundlegendes Wetteranalysediagramm von China um 14:00 Uhr (links: 6. Februar; rechts: 11. Februar)

(Fotoquelle: Chinesisches Meteorologisches Observatorium)

Vor Kurzem kam es zu der ersten Kältewelle des Jahres der Schlange und der drastische Druckunterschied zwischen dem kalten sibirischen Hochdruckgebiet und dem Tiefdruckgebiet in den mittleren Breiten wurde zur Hauptantriebskraft dieses starken Windes. Der zentrale Druck des kalten Hochdruckgebiets beträgt bis zu 1060 hPa, während der Druck im Gebiet von der nordchinesischen Tiefebene bis zum Mittel- und Unterlauf des Jangtse-Flusses auf etwa 1020 hPa abfällt und somit einen steilen Druckgradienten bildet. Vergleicht man die Wetterkarten vom 6. und 11. (Abbildung 1), sind die Druckkonturlinien (blaue Linien) am Nachmittag des 6. dichter, was einer Stufenschicht gleicht. Je mehr Stufen vorhanden sind, desto größer ist der Druckgradient (die Steigung) innerhalb der gleichen Distanz. Diese starke Gradientenkraft wirkt wie eine „Super-Windpumpe“, die sich über Tausende von Kilometern erstreckt und die kalte Luft mit hoher Geschwindigkeit nach Süden drückt. Die Kältewelle wird von starken Winden begleitet und die Bodenwindgeschwindigkeit steigt schnell auf Stufe 8-10 (20-25 m/s).

2. Geländeunterschiedsbeschleunigung - Windgeschwindigkeitsverstärker

Raue Oberflächen (Wälder usw.) wirken wie Bremsbeläge, erhöhen die Reibung in Bodennähe und verlangsamen den Wind. Wenn sich jedoch auf beiden Seiten Berge befinden, bildet der Geländeunterschied einen schmalen Kanal. Wenn der Luftstrom auf das Hindernis der Berge trifft, wird er sich dafür entscheiden, schnell durch diesen Kanal zu „zwängen“. Dieses Phänomen wird als Narrow-Channel-Effekt bezeichnet. Zu den üblichen Auswirkungen von engen Rohren im Alltag gehören: Wenn der Wasserauslass des Rohrs eingeklemmt wird, spritzt das Wasser weiter, es kommt zu Zugluft usw.

Abbildung 2 Engröhreneffekt

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Wir wollen nun genauer erklären, was der Narrow-Pipe-Effekt ist und wie er die Windgeschwindigkeit verstärkt, indem wir zwei Grundprinzipien der Strömungsmechanik kombinieren: Gemäß dem Gesetz der Massenerhaltung muss im Fall einer idealen Flüssigkeit (die Luftdurchflussrate durch jeden Querschnitt des Rohrs pro Zeiteinheit ist gleich) die Luftströmungsgeschwindigkeit erhöht werden, wenn der Querschnitt des Rohrs kleiner wird, um sicherzustellen, dass die gleiche Luftmenge pro Zeiteinheit hindurchströmt. Darüber hinaus besagt das Bernoulli-Prinzip der Strömungsmechanik, dass unter idealen Bedingungen, wenn keine Reibungsdissipation vorliegt, die Summe aus kinetischer Energie und potentieller Energie des Einheitsvolumens der Flüssigkeit an jedem Querschnitt desselben Strömungsrohrs unverändert bleibt, d. h., dass zwischen Geschwindigkeit, Druck und Höhe eine Energieerhaltungsbeziehung besteht. Wenn Luft durch einen engen Kanal strömt, verringert sich daher die Höhe der Flüssigkeit und die Geschwindigkeit erhöht sich deutlich.

Abbildung 3: Regionale topografische Karte Chinas

(Fotoquelle: Tiandi Map)

Betrachtet man die topografische Karte meines Landes (Abbildung 3), wird die kalte Luft aus Nordwesten, wenn sie nach Süden zieht, durch die Taihang- und Yanshan-Berge eingeschränkt und konzentriert sich in dem schmalen Korridor von Zhangjiakou nach Peking. Besonders stark ist der Wind in Gebieten wie Yanqing. Während dieser Kältewelle und des starken Windes erlebten Beobachtungsstationen wie Yanqing Erhaituo starke Winde der Stufe 13. In Städten mit hoher Bebauung und hoher Bevölkerungsdichte können sich durch den Effekt der engen Kanäle leicht starke lokale Böen bilden.

3. Höhenbooster – der zweite Motor des starken Windes

Zu dieser Kältewelle und dem starken Wind kommt neben dem großen Luftdruckunterschied am Boden und dem engen Gelände auch noch die Konfrontation zwischen der großen Höhe und dem Boden hinzu. Darüber hinaus gibt es in einer Höhe von über fünf Kilometern einen „unsichtbaren Motor“, der das Feuer weiter anfacht: Die treibende Kraft hinter dieser Kältewelle und den starken Winden ist die Verbindung zwischen der Armee der kalten Wirbel, die sich von der Arktis nach Süden bewegt, und dem Jetstream aus westlicher Richtung.

Wirbel aus der Arktis: Vorwärts, vorwärts, vorwärts!

Abbildung 4: Grundlegende Wetterbedingungen der 500-hPa-Isobarenoberfläche in der eurasischen Region vom 3. bis 6. Februar (Quelle: China Meteorological Observatory, vom Autor gezeichnet)

Fast das gesamte Wetter findet in der Troposphäre statt. Am Boden wehen starke Winde, aber was passiert in den mittleren und oberen Schichten der Troposphäre? Auf der Wetterkarte von 500 hPa (ca. 5,5 km Höhe) (Abbildung 4) können wir erkennen, dass es Anfang Februar in Eurasien zu einer Hochdruckverstopfung (roter Kreis) kam, die sich bis in die Arktis erstreckte. Diese monsterartige Form drückte die arktische Kaltluft zusammen und brachte sie nach unten.

Ein kalter Wirbel (heller Kreis) aus der Arktis bewegte sich so schnell nach Süden, dass er sich am 5. Februar in zwei Teile spaltete. Der kalte Wirbel im Westen war wie eine „Kaltluftbombe“ in großer Höhe und trug extrem kalte Luft in Richtung meines Landes (Abbildung 4). Der kalte Wirbel rotiert weiter, während er sich als Ganzes wie ein Kreisel nach Süden bewegt. Wenn er sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, erzeugt er auf seiner Südseite einen starken Westluftstrom. Großflächige Kaltluft in großen Höhen wird zusammen mit starken Luftströmungen horizontal transportiert und strömt in die Region Nordchina, die sich während des Frühlingsfestes bereits erwärmt hat. Die kalte Luft ist schwerer und sinkt, während die warme Luft aufsteigt. Dadurch entsteht eine starke vertikale Mischbewegung, die einen Kanal für die Übertragung kalter Luft aus großer Höhe zum Boden ebnet. Vergleicht man die Windgeschwindigkeit in großer Höhe mit der am Boden, so führt die Verstärkung der Windgeschwindigkeit im Höhenjetstream dazu, dass die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe stark zunimmt. Die Änderung des vertikalen Gefälles begünstigt zudem die Abwärtsbewegung des Impulses und verstärkt so die starken Winde am Boden noch weiter. Der schnell vorrückende Wirbelsturm und die zunehmende Kraft der Westströmung haben das Feuer dieser Kältewelle und der starken Winde noch weiter angefacht.

Wissenskarte: Als Kaltwirbel bezeichnet man einen kalten Wirbel in den mittleren und oberen Schichten der Troposphäre, Tausende Meter über dem Boden. Wir können es uns als ein „Kaltluftgyroskop“ vorstellen, das am Himmel schwebt und sich gegen den Uhrzeigersinn dreht. Bei Erwärmung der unteren Schicht (etwa durch nachmittägliche Sonneneinstrahlung und Bodenerwärmung) kann es leicht zur Bildung einer instabilen Schichtung mit Kopflastigkeit in vertikaler Richtung kommen, die wiederum starke konvektive Aktivitäten wie kurzzeitige Starkregenfälle, Gewitter, starken Wind und Hagel auslöst.

4. Kältewelle bricht den Berg der Vorurteile

1. Der arktische Polarwirbel: Er mag mit mir zusammenhängen, aber verwechseln Sie ihn nicht mit dem Wirbel

In den Nachrichten über dieses Kältewellen- und Starkwindwetter gerät der „Arktische Wirbel“ häufig in den Blickpunkt aller. Lag es an der nicht dicht verschlossenen Tür eines riesigen Kühlhauses hoch oben im Himmel, dass diese Kältewelle und der starke Wind die Folge waren? Können wir den Polarwirbel einfach mit Kältewellen gleichsetzen?

Wissenskarte: Warum wird der Polarwirbel als riesiger Kältespeicher am Himmel bezeichnet?

Der arktische Polarwirbel ist ein anhaltendes großes Tiefdruckwirbelsystem, das über der Arktis schwebt und von starken westlichen Jetstreams umgeben ist. Wir können uns den Jetstream als eine schnell rotierende Wand vorstellen, die kalte Luft aus der Arktis einfängt. Daher wirkt der arktische Wirbel wie ein natürlicher Kältespeicher hoch oben am Himmel.

Der konkrete Standort der Wand richtet sich grundsätzlich nach der maximalen Windgeschwindigkeit, die Wand ist jedoch weder horizontal noch vertikal. Von der Troposphäre bis zur Stratosphäre weist die Randkontur der Wand deutliche zeitliche und räumliche Diskontinuitäten auf. Daher gehen Wissenschaftler davon aus, dass es sich um zwei unabhängige Wirbel [1] handelt, nämlich den troposphärischen Polarwirbel und den stratosphärischen Polarwirbel (Abbildung 5). Es handelt sich um zwei Klimasysteme mit unterschiedlicher Struktur und Charakteristik (Tabelle 1). Da es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft immer noch Kontroversen über den „troposphärischen Polarwirbel“ gibt [2], werden wir uns hier nur mit dem stratosphärischen Polarwirbel in der Arktis befassen.

Abbildung 5 Schematische Darstellung des Polarwirbels in der Stratosphäre und Troposphäre

(Bildquelle: Referenz 1)

Tabelle 1 Unterschiede zwischen den stratosphärischen und troposphärischen Polarwirbeln (generiert von DeepSeek)

Wie bereits erwähnt, spielt sich das Wetter hauptsächlich in der Troposphäre ab, doch die Anomalie des Polarwirbels in der Stratosphäre kann den Ausbruch von Kältewellen in der Troposphäre beeinflussen. Wenn der polare Wirbel in der Stratosphäre krank wird (wenn es zum Beispiel zu einer explosionsartigen Erwärmung in der Stratosphäre kommt, die ursprünglich stabile Wand zu beben beginnt und der polare Wirbel in der Stratosphäre zusammenbricht), breitet sich das kranke Gas nach unten aus und infiziert die Troposphäre (durch die komplexe Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre, was zu einer anormalen Luftzirkulation in der Troposphäre führt) und beeinflusst indirekt das Wetter an der Erdoberfläche (Abbildung 6).

Abbildung 6 Schematische Darstellung der anormalen Störung des arktischen Wirbels

(Bildquelle: NOAA)

Dies ist jedoch nicht unbedingt der Fall. Beispielsweise ließen sich die Abschwächungseigenschaften des stratosphärischen Polarwirbels Anfang 2019 unterhalb von 200 hPa nur schwer übertragen und konnten die troposphärische Zirkulation nicht beeinflussen. Die Kältewelle in den USA Anfang Januar dieses Jahres blieb relativ stabil und normal, da sich die Unterseite des stratosphärischen Polarwirbels nicht in Richtung Nordamerika verformte (Abbildung 7), was auch den Verdacht auf eine Infektion verringerte.

Abbildung 7 Die dreidimensionale Struktur des stratosphärischen arktischen Wirbels am 5. Januar 2025 während der Kältewelle in den Vereinigten Staaten

(Bildquelle: NOAA)

Abbildung 8: Veränderungen im arktischen Wirbel eine Woche vor dieser Kältewelle (10 hPa)

(Bildquelle: earth.nullschool)

Es dauert eine Weile, bis sich die „Krankheit“ ausbreitet, normalerweise etwa 7–10 Tage[6]. Wenn man eine Woche vor dieser Kältewelle und dem starken Wind auf den stratosphärischen Polarwirbel zurückblickt (Abbildung 8), war die Wirbelstruktur im Frühstadium normal, dehnte sich jedoch allmählich aus und verlängerte sich in Richtung der beiden Enden Eurasiens und Nordamerikas, von Ellipse → länglicher Streifen → Erdnussform („8“-Form), was darauf hindeutet, dass er krank wurde, als sich die Kältewelle näherte. Vielleicht hängt diese Kältewelle mit dieser Veränderung zusammen.

Der kausale Zusammenhang zwischen dem stratosphärischen Polarwirbel und Wetterprozessen wie Kältewellen ist derzeit noch nicht geklärt und es bedarf noch weiterer Forschung, um den genauen Mechanismus aufzudecken. Daher besteht keine Notwendigkeit, dicke Kleidung herauszuholen, wenn Sie Veränderungen im arktischen Wirbel bemerken. Sie sollten dennoch den Wetterbericht verfolgen. Da der Aufspaltungsprozess des Polarwirbels den oben genannten Veränderungen des kalten Wirbels sehr ähnlich ist, möchte ich hier ein Plädoyer für den stratosphärischen Polarwirbel halten: Erkennt nicht den falschen Wirbel, wir sind nicht auf der gleichen Ebene!

2. Globale Erwärmung: Ich kann von Natur aus warmherzig, aber auch kaltherzig sein.

„Ist 2024 nicht das heißeste Jahr?“, „Warum ist es in einem warmen Winter so kalt?“ …

Anders als der allgemeine globale Erwärmungstrend besteht das Wetter aus „Stimmungsschwankungen“ der Atmosphäre in kurzen Zeiträumen und wird von vielen Faktoren beeinflusst. Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung ist das globale Klimasystem zunehmend instabil und turbulenzanfällig geworden, und die Häufigkeit und Intensität extremer Wetter- und Klimaereignisse haben zugenommen.

So ist beispielsweise bei der globalen Erwärmung der Erwärmungstrend in der Arktisregion weitaus stärker als im globalen Durchschnitt, wodurch sich der Temperaturunterschied zwischen den Polen und den mittleren Breiten verringert. Zu dieser Zeit entwickeln sich Störungen im Westwindgürtel schnell und bilden großräumige Schwankungen, die sich von Norden nach Süden über die mittleren und hohen Breitengrade und von Osten nach Westen über die halbe Erde erstrecken. Nahe der Tieflinie der Schwankung bewegt sich kalte Luft aus den Polarregionen und hohen Breiten nach Süden und verursacht die heftigsten Schneestürme und Kältewellen. In der Nähe der Gratlinie der Schwankung kann warme Luft aus den mittleren und niedrigen Breiten direkt in die höheren Breiten und sogar in die Polarregionen gelangen, wodurch die Temperatur in den Polarregionen die in den mittleren Breiten übersteigt[7].

Quellen:

[1] Waugh, DW, Sobel, AH, & Polvani, LM (2017). Was ist der Polarwirbel und wie beeinflusst er das Wetter? Bulletin der Amerikanischen Meteorologischen Gesellschaft, 98(1), 37-44. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00212.1

[2] Manney, GL, Butler, AH, Lawrence, ZD, Wargan, K., & Santee, ML (2022). Was steckt in einem Namen? Zur Verwendung und Bedeutung des Begriffs „Polarwirbel“. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL097617. https://doi.org/10.1029/2021GL097617

[3] Den arktischen Polarwirbel verstehen (https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/understanding-arctic-polar-vortex)

[4] Der Polarwirbel wird Sie dazu bringen, einen Pullover anzuziehen. Habt Angst. Habt große Angst. (https://www.climate.gov/news-features/blogs/enso/polar-vortex-going-make-you-put-sweater-be-afraid-be-very-afraid)

[5] Ist der Polarwirbel die Ursache für den Kaltluftausbruch in den USA? (https://www.climate.gov/news-features/blogs/polar-vortex/polar-vortex-causing-us-cold-air-outbreak)

[6] Baldwin, MP, & Dunkerton, TJ (2001). Stratosphärische Vorboten anomaler Wetterverhältnisse. Science, 294, 581−584. https://doi.org/10.1126/science.1063315

[7] Es war ein warmer Winter. Warum ist die jüngste Kältewelle trotzdem so heftig? (https://mp.weixin.qq.com/s/koZ3D4SPEA4ymQlI57eJhg)