Donner und Blitz, starke Winde, heftiger Regen und Hagel werden viele Provinzen treffen. Warum kommt es dieses Jahr so ​​häufig zu schwerem Konvektionswetter?

Vor kurzem kam es erneut zu großflächigen, schweren Konvektionswetterereignissen im Norden Chinas, in weiten Teilen Nordostchinas und in den Gebieten südlich des Jangtsekiang, die mit starken Winden, Gewittern und Niederschlägen einhergingen.

Quelle: China Weather Network Weibo (13. Juni)

Nehmen wir Peking als Beispiel. Am Abend des 11. Juni herrschte in Peking schweres konvektives Wetter und 164 Wetterstationen maßen maximale Windgeschwindigkeiten von bis zu Stufe 8.

Situation vor Ort

(Fotoquelle: Red Star News)

Vor etwas mehr als zehn Tagen, am Nachmittag des 30. Mai, kam es auch in Peking zu heftigen Konvektionswetterereignissen, und zwar zu den stärksten Konvektionswinden und Regenfällen, die Peking seit vier Jahren erlebt hatte. Zu diesem Zeitpunkt war nicht genügend Wasserdampf in der Luft und der Regensturm dauerte nur sehr kurz. Allerdings brachte er in allen Teilen der Stadt kurzzeitig schwere Stürme der Stufe 8 bis 10 mit sich, und fünf Wetterstationen registrierten Sturmböen der Stufe 12. Viele große Bäume wurden entwurzelt und der Alte Sommerpalast musste wegen dringender Reparaturarbeiten geschlossen werden. Das schwere konvektive Wetter verursachte in Peking starke Winde, heftigen Regen und Blitze. Was also ist schweres konvektives Wetter?

Karte extremer Winde in Peking

(Fotoquelle: Beijing Meteorological Bureau)

Teil 1

Starke Konvektion: Unterschätze mich nicht, ich bin wirklich stark

Schweres konvektives Wetter ist ein allgemeiner Begriff für katastrophales Wetter, das durch starke vertikale Luftbewegungen verursacht wird. Hierzu zählen die bereits erwähnten Gewitter, Starkwinde, kurzzeitig auftretenden Starkregenfälle, aber auch Hagel, Tornados, Downbursts etc.

Für starke Konvektion gelten eigene Kriterien. In den Wettervorhersagen meines Landes bezieht sich kurzfristiger starker Regen auf Regenfälle von nicht weniger als 20 mm pro Stunde, Gewitterwinde über der Stufe 8 oder 17 m/s, einen Hageldurchmesser von nicht weniger als 5 mm oder das Auftreten eines Tornados.

Obwohl die physikalischen Mechanismen für die Entstehung verschiedener Arten von schwerem konvektivem Wetter nicht genau gleich sind, erfordern die meisten von ihnen die Koordination von Energie, Wasserdampf und Auslösebedingungen und entstehen unter einer instabilen Struktur mit trockenen und kalten oberen Schichten der Atmosphäre und warmen und feuchten unteren Schichten.

Um eine einfache Analogie zu verwenden: Wenn sich zwei sanfte, extrovertierte ENFP-Welpen treffen, entsteht oft eine friedliche und einladende Atmosphäre. Allerdings haben die beiden besonders unvereinbare Persönlichkeiten – der eine heiß, der andere kalt –, was eine gewaltige Zerstörungskraft mit sich bringt. Personen im Umkreis von 8 Kilometern müssen den Kampf mit Vorsicht beobachten.

Bei starkem konvektiven Wetter ist es in der bodennahen Umgebung oft sehr heiß und es kann sich leicht Energie in der Atmosphäre ansammeln. Wenn kalte Luft auf irgendeine Weise aus großen Höhen eindringt, haben die leichten Luftmassen in niedrigeren Höhen höhere Temperaturen und eine geringere Dichte, während die Luftmassen in großen Höhen niedrigere Temperaturen und eine höhere Dichte aufweisen. Daher wollen die leichten nach oben steigen, während die schweren nach unten sinken wollen, was leicht zu einer vertikalen Bewegung der Luft führt.

Die heftige Bewegung kalter und warmer Luft wird eine Reihe von Kettenreaktionen auslösen. Nehmen wir als Beispiel ein typisches Gewitter + kurzzeitigen starken Regen: Während die warme Luft beim Aufsteigen allmählich abkühlt, kondensiert Wasserdampf zu Wassertropfen und bildet Cumulonimbuswolken. Die Wolkentröpfchen im Inneren der Wolken kollidieren und verschmelzen zu größeren Partikeln, wodurch am Himmel Eiskristalle entstehen. Sie liegen eng aneinander, blockieren das Eindringen des Sonnenlichts und brechen es, was zu dem Phänomen führt, dass mitten am Tag „dunkle Wolken auf die Stadt drücken und drohen, sie zu zerstören“.

Die Eiskristalle in den Wolken reiben sich aneinander und drücken sich zusammen, wodurch Elektrizität entsteht, die die Luft durchdringt, und donnernde Blitze über den Himmel zucken. Wenn sich die Regentropfen bis zu einer bestimmten Menge angesammelt haben und die Luftströmungen in der Höhe ihr Gewicht nicht mehr tragen können, fallen sie als Regen oder bilden sogar Hagel. Beim Abstieg nehmen sie Wärme auf und verdunsten, wodurch die Temperatur sinkt. Durch diesen Heiß-Kalt-Zyklus beginnt die Luft in Bodennähe zu strömen und es bilden sich starke Winde. Je größer der Temperaturunterschied zwischen den oberen und unteren Schichten ist, desto intensiver ist dieser Prozess.

Wird ein Downburst ausgelöst, kann innerhalb eines Augenblicks ein starker, nach unten gerichteter Luftstrom erzeugt werden. Der Luftstrom breitet sich in alle Richtungen aus und erzeugt einen starken Wind parallel zum Boden. Je näher am Boden, desto stärker die Windgeschwindigkeit. Die maximale Windgeschwindigkeit am Boden kann Stufe 15 erreichen. Der starke Wind in Peking dieses Mal hängt damit zusammen.

Schematische Darstellung der Entstehungsstruktur von Gewitterwolken

(Fotoquelle: China Weather Network)

**Auch der Wasserdampfgehalt hat großen Einfluss auf das Katastrophenrisiko. **Wenn in dem Gebiet mit starker Konvektion die Temperatur hoch, der Wasserdampf jedoch niedrig ist, kommt es nicht zu anhaltendem und großflächigem Starkregen. So betrug beispielsweise die durchschnittliche Niederschlagsmenge in Peking am 30. Mai zwischen 13:00 und 17:00 Uhr 3,4 mm. Wenn jedoch ausreichend Wasserdampf vorhanden ist, können sich leicht rekordverdächtige extreme Regenfälle bilden.

Von 8:00 bis 14:00 Uhr am 4. Mai waren neun Städte in Guangdong in den Top Ten der Niederschlagsrangliste der nationalen Wetterstationen. Zhuhai erlebte einen Superregen mit einer Niederschlagsmenge von 100,8 mm in 29 Minuten und die Niederschlagsintensität in einer halben Stunde war vergleichbar mit dem 720-mm-Starkregen in Zhengzhou.

Am 19. Mai um 03:00 Uhr erreichte der Niederschlag im Hafen Longmen in Qinnan, Qinzhou, Autonome Region Guangxi Zhuang, 189,6 mm und brach damit den Niederschlagsintensitätsrekord für die gesamte Region Guangxi. Der gleitende 60-Minuten-Niederschlag (die kumulierte Niederschlagsmenge über eine Stunde Dauerregen) übertraf den einstündigen Niederschlag und den gleitenden 60-Minuten-Niederschlag während des starken Regens vom 7.20. in Zhengzhou. Die kumulierte Niederschlagsmenge vom 18. Mai, 08:00 Uhr, bis zum 19. Mai, 08:00 Uhr, erreichte 610,5 mm.

Niederschlagsmenge der automatischen Station Guangxi in den 24 Stunden vor 16:00 Uhr am 19. Mai 2024

(Fotoquelle: Guangxi Meteorological Bureau, China Meteorological Enthusiasts)

Möglicherweise ist Ihnen auch aufgefallen, dass starke Konvektion kein großes Problem darstellt. Es gehört zu den klein- und mittelräumigen Wettersystemen. Die Reichweite seiner Auswirkungen beträgt oft wenige bis zweihundert Kilometer. Es ist außerdem ungeduldig und hat eine Lebensdauer von mehreren Stunden bis über zehn Stunden. Die kürzere Variante dauert möglicherweise nur ein paar Minuten. Man kann sagen, dass es in Eile kommt und geht. Sein Temperament ist wechselhaft. Es kommt im Frühling, Sommer, Herbst und Winter heraus, um am Spaß teilzunehmen. Es liebt es auch, verschiedene BUFFs zu stapeln. „Calling the wind, rain and thunder“ ist die Hintergrundmusik, die bei seinem Erscheinen mitspielt.

Aufgrund seiner enormen Zerstörungskraft ist seine Wirkung nur noch von Taifunen, Erdbeben und Überschwemmungen übertroffen und man kann ihn als eine Tötungswaffe kleinen Ausmaßes bezeichnen. Die heftige Konvektion verursachte innerhalb weniger Stunden schwere Sachschäden und forderte zahlreiche Todesopfer. Viele Städte werden möglicherweise lange brauchen, um sich davon zu erholen. Am frühen Morgen des 31. März 2024 kam es in der Stadt Nanchang in der Provinz Jiangxi zu starken Winden, Gewittern und heftigen Regenfällen. Durch den Downburst und die Verengung des Kanals kamen in der Stadt Nanchang vier Menschen ums Leben und mehr als zehn Menschen wurden verletzt.

Fotos vor Ort von starkem Wind, Gewitter und heftigen Regenfällen in Nanchang, Provinz Jiangxi

(Fotoquelle: Jiangxi TV Metropolitan Scene)

Teil 2

Was sind die Merkmale von schwerem konvektivem Wetter in meinem Land?

In meinem Land kommt es vor allem zwischen April und September zu starker Konvektion, insbesondere nachmittags in der östlichen Region, und ist normalerweise mit kalten Wirbeln, wolkenlosen Regenfronten und Taifunen verbunden, die an Land gehen. Darunter **kommt es am häufigsten zu kurzzeitigen Starkregenfällen, Gewitter und starke Winde treten vor allem im Norden und in der Provinz Guangdong auf, Hagel tritt häufiger in Bergregionen und Hochebenen auf und **die Wahrscheinlichkeit von Tornados ist extrem gering, mit einer jährlichen Häufigkeit von weniger als einem Zehntel der Häufigkeit in den Vereinigten Staaten.

Abbildung: Verteilungseigenschaften verschiedener Arten starker Konvektion in China. (a) Häufigkeit kurzfristiger Starkniederschlagsereignisse mit einer stündlichen Niederschlagsmenge von >= 20 mm von April bis September (%); (b) Räumliche Verteilung der normalisierten Gewitterwinde von 2010 bis 2014 (Einheit: Anzahl der Ereignisse pro Station pro Zeiteinheit); (c) Durchschnittliche jährliche Hagelhäufigkeitsverteilung von 1980 bis 2015; (d) Häufigkeit von Tornados

(Bildquelle: Referenz 1)

Was die langfristigen Veränderungen betrifft, so zeigte die Anzahl der Gewittertage und Blitztage von April bis Oktober zwischen 1961 und 2013 einen stabilen und deutlich abnehmenden Trend mit einer Reduktionsrate von -2,6 Tagen/Jahrzehnt bzw. -6,5 Tagen/Jahrzehnt. Am deutlichsten war der Abwärtstrend in Südchina. Auch die relative Luftfeuchtigkeit in der unteren Troposphäre und die vertikale Windscherung in einer Entfernung von 0–6 km nahmen in den meisten Teilen des chinesischen Festlands deutlich ab. Die konvektive effektive potentielle Energie, die relative Knappheit von Wasserdampf, die abgeschwächte vertikale Windscherung und die erhöhte atmosphärische Stabilität könnten die Gründe für die Abnahme der Anzahl von Gewitter- und Blitztagen sein.

Räumliche Verteilung der durchschnittlichen Anzahl von Gewittertagen in der warmen Jahreszeit von 1961 bis 2013 (a), Anomalietrend der netzgemittelten Anzahl von Gewittertagen (b) und Anomaliereihe der nationalen durchschnittlichen Anzahl von Gewittertagen (c)

(Bildquelle: Referenz 3)

**Allerdings zeigten Häufigkeit und Intensität kurzfristiger Starkniederschläge, insbesondere stündlicher Extremniederschläge, einen deutlich zunehmenden Trend. **Im Vergleich zu 1970–1999 war der feuchtere Trend extremer Niederschläge in den Jahren 2000–2018 häufiger und intensiver. Die aussagekräftigsten Ergebnisse wurden in Südchina und Ostchina erzielt (die Ergebnisse variieren leicht, je nachdem, welcher Index für extreme Niederschläge ausgewählt wurde). Im Allgemeinen weisen schwere konvektive Ereignisse eine zunehmende Tendenz auf.

Abbildung: Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des extremen Niederschlagsindex R95pw1hr (stündlicher Niederschlag > 95. Perzentil der Regenstunde des Gesamtniederschlags) an (a) sieben Flusseinzugsgebietsstationen in China; b) räumliche Verteilung des langfristigen Trends (1970–2018); (c) Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Index für extreme Niederschlagsmengen am nächsten Tag an allen Stationen im Zeitraum 1970–1999 (Zinnoberrot) und 2000–2018 (Mittelcyan).

(Bildquelle: Referenz 2)

Teil 3

Starke Konvektion: Wie schwierig ist es, genau darüber zu berichten?

Können wir das Risiko vermeiden, indem wir eine starke Konvektion im Voraus vorhersagen, da diese so schlimm ist? Leider war die Vorhersage schwerer Konvektion schon immer ein schwieriger Punkt bei globalen Vorhersageoperationen , und die Vorhersagefähigkeit für schwere konvektive Notfälle, die durch lokale kleinräumige konvektive Systeme verursacht werden, ist immer noch relativ gering. Unter anderem ist die Vorhersagefähigkeit für Gewitter, Stürme und Hagel weitaus geringer als die für kurzfristige starke Regenfälle. Auf dem Gipfeltreffen der Weltorganisation für Meteorologie am 27. Mai 2023 wurde die Vorhersage von Niederschlägen innerhalb von drei Stunden als eines der wichtigsten ungelösten wissenschaftlichen Probleme aufgeführt.

Jährliche Prognoseleistungsbewertungen für die 12- und 24-Stunden-Vorhersagen des National Weather Service für Gewitter, kurzzeitige starke Niederschläge, böige Winde (d. h. Gewitterstürme) und Hagel von 2010 bis 2018.

(Bildquelle: Referenz 1)

**Dies liegt einerseits daran, dass das Nowcast-Intervall von 0-2 Stunden der Schlüsselzeitraum für die Vorhersage von kleinem und mittlerem schwerem konvektivem Wetter ist. **Derzeit basieren herkömmliche Wettervorhersagen noch immer auf numerischen Prognosemodellen. Die Zeit- und Raumskalen schwerer konvektiver Wetterereignisse sind zu klein, sodass es für ein globales Modell schwierig ist, die subtilen Änderungen in einem größeren Raster zu erfassen. Gerade aufgrund der hohen Anforderungen an die zeitliche und räumliche Auflösung ist es für Modelle schwierig, diese Aufgabe zu erfüllen.

Andererseits sucht man immer nach objektiven Gesetzmäßigkeiten in den Ereignissen, die man kennt. Schwere konvektive Wetterereignisse treten jedoch viel seltener auf als allgemeine Wetterprozesse. Für die wissenschaftliche Forschung stehen zu wenige Fälle zur Verfügung und die Mechanismen ihres Auftretens und ihrer Entwicklung sind noch nicht klar, was die Hürde für die Aufdeckung ihrer plötzlichen Gesetzmäßigkeiten zweifellos höher legt.

Tatsächlich gibt es in meinem Land seit 2009 einen Dienst zur Vorhersage von Unwettern durch Konvektion. Mit der Einführung der neuen Generation von Doppler-Wetterradaren in China, dem Start der Wettersatelliten der Fengyun-Serie seit 1998, dem Aufbau eines chinesischen Blitzortungsnetzes und der Fertigstellung einer großen Zahl automatischer Wetterstationen seit dem Jahr 2000 hat die Forschung zu Unwettern durch Konvektion große Fortschritte gemacht.

Derzeit werden Warnsignale für schweres konvektives Wetter 43 Minuten im Voraus herausgegeben, aber bis genaue Vorhersagen möglich sind, ist es noch ein weiter Weg. Lösen Sie daher bei starker Konvektion automatisch die Ausweichfähigkeit aus.

Wichtigste Methoden der Wetterbeobachtung

(Bildquelle: Referenz 1)

Teil 4

Wird es in Zukunft mehr schweres Konvektionswetter geben?

Aufgrund der besonderen geografischen Lage meines Landes hinterlassen Wetterkatastrophen jedes Jahr tragische Spuren. Laut Statistiken der Meteorological Disaster Database des National Climate Center haben Wetterkatastrophen in den letzten 30 Jahren (1991–2020) in China jährlich durchschnittlich 3.039 Todesopfer (einschließlich Vermisster) und direkte wirtschaftliche Verluste von 258,4 Milliarden Yuan verursacht.

Eine Tatsache, die nicht ignoriert werden kann, ist, dass Ereignisse mit „geringer Wahrscheinlichkeit, aber großer Auswirkung“, wie etwa schweres konvektives Wetter, in Zukunft wahrscheinlicher auftreten werden – extreme Wetter- und Klimaereignisse werden häufiger und schwerwiegender.

Insbesondere mit der Klimaerwärmung erhöht sich die Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre und der globale Wasserkreislauf intensiviert sich weiter. Auf globaler Ebene äußert sich dies in einer Zunahme der Gesamtniederschlagsmenge und einer Verschärfung der Niederschlagsextreme (IPCC).

In Zukunft könnte die Zunahme extremer Niederschläge in China größer sein als die durchschnittlichen Niederschläge, und die Variabilität wird zunehmen, was bedeutet, dass die globale Erwärmung das Klimasystem variabler und ungleichmäßiger macht oder machen wird. Im Durchschnitt werden sich die extremen Niederschläge in China, insbesondere im Osten, mit einer Rate von 6,52 % (5,22 % – 8,57 %) pro 1 °C globaler Erwärmung verstärken. Gleichzeitig werden stündliche Extremniederschläge in Ostchina künftig häufiger und intensiver auftreten und extrem starke Winde in Zentral- und Südostchina könnten leicht zunehmen. Wir haben gerade das „heißeste Jahr der Geschichte“ im Jahr 2023 hinter uns gebracht und zu Beginn des Jahres 2024 wurde ein neuer Temperaturrekord nach dem anderen auf der Erde aufgestellt. Derzeit liegen fünf Klima-Kipppunkte in der „Gefahrenzone“ und wurden oder werden bald überschritten, während die verbleibenden elf Kipppunkte als „wahrscheinlich“ aktiviert eingestuft werden. Wenn die entscheidende Schwelle von einem stabilen Zustand zum anderen für das globale oder regionale Klima überschritten wird, werden die Auswirkungen unermesslich sein.

„Rekorde brechen“ wird zur „neuen Normalität“ und es ist Zeit, sich aktiv anzupassen – zumindest alle Fenster fest zu schließen, bevor man zur Arbeit geht, wenn die nächste schwere Konvektion vorhergesagt wird.

Globale Verteilungskarte der Klima-Kipppunkte, mit Symbolen, die die Kipppunkte darstellen, die bei diesem Erwärmungsszenario wahrscheinlich aktiviert werden.

(Bildquelle: McKay et al., 2022, Science)

Quellen:

1. Zhang, XL, JH Sun, YG Zheng, et al., 2020: Fortschritte bei der Vorhersage von Unwettern in China seit den 1950er Jahren. J. Meteor. Res., 34(4), 699–719.

2. Li, Xin und Zhang, Ke und Bao, Hongjun und Zhang, Hengde. (2022). Klimatologie und Veränderungen der stündlichen Niederschlagsextreme über China zwischen 1970 und 2018. Wissenschaft der Gesamtumwelt. 839. 156297.

3.Xue, X., Ren, G., Xu, X., Sun,

4. Zhang, W., Zhou, T., 2020. Zunehmende Auswirkungen extremer Niederschläge auf die Bevölkerung in China im Zuge der globalen Erwärmung. SCIENCE BULLETIN 65, 243–252.

5.Tang, J., Lu, Y., Wang, S., Guo, Z., Lu, Y. & Fang, J. (2023). Projektion stündlicher Extremniederschlagsmengen mithilfe des WRF-Modells über Ostchina. Journal of Geophysical Research: Atmosphären, 128, e2022JD036448.

6.Zhao,

7. Weltorganisation für Meteorologie: Klima in Asien 2023

8. Guangming Daily: Die Möglichkeiten zur Katastrophenwetterüberwachung und Frühwarnung werden weiter verbessert

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Half Lazy, Not Lazy (Institut für Atmosphärenphysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

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