Regional increases in tornadic activity through midcentury due to global warming

Der Himmel über dem amerikanischen Mittleren Westen und Südosten ist seit langem ein Schauplatz für extremes Wetter, wo warme, feuchte Luft aus dem Golf von Mexiko mit kühlerer, trockenerer Luft kollidiert, um mächtige Gewitter zu entfachen. Manchmal entwickeln sich diese Stürme zu Tornados, gewaltigen Trichterwinden, die ganze Gemeinschaften verwüsten können. Seit Jahrzehnten beobachten Wissenschaftler die historische Aufzeichnung dieser Ereignisse und bemerken eine rätselhafte Verschiebung: Während die Gesamtzahl der Tage mit mindestens einem Tornado abgenommen hat, ist die Anzahl der Tage mit vielen Tornados gleichzeitig gestiegen. Dies deutet darauf an, dass die Atmosphäre unter den richtigen Bedingungen anfälliger dafür wird, Cluster von Stürmen statt nur isolierter Einzelereignisse zu produzieren. Die große Frage für die Zukunft ist, ob ein wärmer werdender Planet diese gefährlichen Cluster häufiger, intensiver machen oder deren Lage verschieben wird. Um dies zu beantworten, müssen Forscher über einfache Wetterberichte hinausblicken und die unsichtbaren Zutaten untersuchen, die einen Tornado möglich machen, wie etwa die in der Atmosphäre gespeicherte Energie und die Art und Weise, wie sich die Winde mit der Höhe verändern.

Ein Forschungsteam hat sich dieser Frage gestellt, indem es ein hochmodernes digitales Labor aufgebaut hat, um die Zukunft der Tornado-Aktivität in den Vereinigten Staaten zu simulieren. Anstatt sich auf breite, niedrig aufgelöste Klimamodelle zu verlassen, die zu grob sind, um einzelne Stürme zu erfassen, verwendete das Team eine Technik namens konvektionserlaubende dynamische Verfeinerung (convection-permitting dynamical downscaling). Diese Methode nimmt großräumige Klimadaten und zoomt auf eine Auflösung von drei Kilometern heran, was es dem Computer ermöglicht, die Entstehung und Rotation von Gewittern explizit aufzulösen. Das Team führte diese hochauflösenden Simulationen unter Verwendung von Daten aus acht verschiedenen globalen Klimamodellen durch, die zwei unterschiedliche Zwanzigjahresperioden abdecken: die jüngere Vergangenheit von 1995 bis 2014 und ein Zukunftsszenario von 2040 bis 2059 unter einem Pfad hoher Emissionen. In diesen Simulationen sagt der Computer nicht einen spezifischen Tornado an einem spezifischen Datum voraus; stattdessen identifiziert er „Proxys“, also spezifische Merkmale der simulierten Stürme – wie rotierende Aufwinde in Bodennähe und starke Radar-Echos –, die auf eine hohe Wahrscheinlichkeit für die Bildung eines Tornados hindeuten. Durch das Zählen dieser Proxys konnten die Forscher kartieren, wo und wann Tornado-ähnliche Aktivitäten in einer wärmeren Welt wahrscheinlich auftreten werden.

Die Ergebnisse dieser Simulationen zeichnen ein klares Bild einer sich verändernden Landschaft. Die Studie prognostiziert, dass die Tornado-Aktivität in einer breiten Region, die sich vom Golf von Mexiko nach Norden durch den Mittleren Westen bis in den Nordosten erstreckt, signifikant zunehmen wird. In der historischen Periode reproduzierten die Simulationen erfolgreich das bekannte Muster der Tornado-Aktivität, mit der höchsten Häufigkeit im Südosten und einem saisonalen Höhepunkt im Frühling. Als das Team in die Zukunft blickte, stellte es fest, dass die Anzahl dieser Tornado-Proxys im Vergleich zur historischen Basislinie im Südosten um fast 30 Prozent und im Nordosten um über 50 Prozent ansteigen würde. Die dramatischsten Zunahmen werden während der Frühlings- und Wintermonate erwartet. Darüber hinaus verschiebt sich der Zeitpunkt der Haupttornado-Saison; die Simulationen deuten darauf hin, dass der jährliche Höhepunkt ein bis zwei Wochen früher eintrifft, also von Mitte Mai auf Ende April vorverlegt wird. Diese Verschiebung impliziert, dass sich das Zeitfenster des höchsten Risikos für die Gemeinschaften in diesen Regionen im Jahr früher öffnet.

Die Studie untersuchte auch die Natur dieser zukünftigen Stürme, insbesondere im Hinblick auf „Ausbrüche“ (outbreaks), also Tage, an denen eine große Anzahl von Tornado-Proxys gleichzeitig auftritt. Die Simulationen deuten darauf hin, dass diese Ausbruchstage häufiger vorkommen werden, obwohl die Zunahmenrate pro Grad globaler Erwärmung in der Zukunft im Vergleich zur historischen Periode relativ geringer ausfallen soll. Interessanterweise wird zwar die gesamte Fläche, die von diesen Ausbrüchen bedeckt wird, voraussichtlich wachsen, aber die Dichte der Tornados innerhalb dieses Gebiets nimmt möglicherweise nicht zu. Dies deutet darauf hin, dass zukünftige Ausbrüche zwar eine größere geografische Fläche abdecken könnten, aber nicht unbedingt aus dichter gedrängten Schneisen der Verwüstung bestehen. Die Forscher stellten auch fest, dass die jährliche Variabilität dieser Ereignisse wahrscheinlich zunehmen wird, was bedeutet, dass einige Jahre weit mehr Aktivität aufweisen könnten als andere, was eine Ebene der Unvorhersehbarkeit in die zukünftigen Risikobewertungen bringt.

Was treibt diese Veränderungen an? Der primäre Motor hinter der prognostizierten Zunahme ist ein Überfluss an konvektiver verfügbarer potenzieller Energie, kurz CAPE. Vereinfacht gesagt repräsentiert CAPE die Menge an Energie, die in der Atmosphäre zur Verfügung steht, um aufsteigende Luftströmungen zu speisen. Die Simulationen zeigen, dass die Atmosphäre mit der Erwärmung des Planeten mehr Hitze und Feuchtigkeit speichern kann, insbesondere aus dem Golf von Mexiko. Dies schafft eine Umgebung mit höherem CAPE, was eine Schlüsselzutat für schwere Gewitter ist. Die Studie verknüpft diese Zunahme mit einer Verschiebung der Pfade großer Wettersysteme, der sogenannten Sturmbahnen (storm tracks), die sich nach Osten bewegen und intensivieren. Diese Verschiebung hilft dabei, mehr warme, feuchte Luft in den zentralen Teil der USA zu transportieren, was den Boden für häufigere und energiereichere Stürme bereitet. Obwohl die Studie nicht die Intensität einzelner Tornados vorhersagt, legt die Physik nahe, dass unter diesen Bedingungen auch stärkere Tornados möglich sind.

Die Erkenntnisse bieten einen entscheidenden Referenzpunkt für Katastrophenschutzbehörden, Infrastrukturplaner und Gemeinschaften in den verwundbarsten Teilen der USA. Die Forschung bestätigt, dass die in der Vergangenheit beobachteten Trends – wonach die Tornado-Aktivität in Clustern auftritt und sich verschiebt – unter Szenarien hoher Emissionen wahrscheinlich anhalten werden, mit einer prognostizierten Zunahme der Aktivität in einem breiten Gebiet. Indem sie identifiziert, dass sich das Risiko nach Norden ausweitet und die Saison früher beginnt, liefert die Studie handlungsrelevante Informationen für die langfristige Klimaanpassung. Sie unterstreicht, dass, obwohl die Gesamtzahl der Tornadotage nicht überall steigen mag, die Tage, an denen viele Tornados gleichzeitig einschlagen, in einer wärmer werdenden Welt immer häufiger werden, was ein Überdenken der Vorbereitung auf und des Umgangs mit diese gewaltigen Kräfte der Natur erfordert.