Durch das Überfliegen atmosphärischer Flüsse wollen Wissenschaftler die Vorhersagen verbessern

Der Begriff „atmosphärischer Fluss“ mag luftig und ätherisch klingen, aber diese massiven, sich schnell bewegenden, durchnässten Stürme können so hart treffen wie ein Güterzug. Seit Dezember wird der Westen der USA von atmosphärischen Flüssen hintereinander überschwemmt, der jüngste überschwemmte den Bundesstaat am 15. März und eine weitere Prognose wird den Bundesstaat in der kommenden Woche treffen. Diese mächtigen Wasserdampfströme kommen mit starken Winden, heftigen Regenfällen und dickem Schnee, Laichüberschwemmungen, Erdrutschen und Lawinen.

So groß sie auch sind, diese Stürme sind überraschend schwer vorhersehbar. Eine Wochenwarnung ist das Beste, was Prognostiker jetzt tun können.

Ein Team von Wissenschaftlern versucht, das zu ändern. Allein in den letzten Monaten haben sie mehr als drei Dutzend Aufklärungsmissionen in die Stürme geflogen. Sie haben Dutzende von Wetterballons hoch in die Stratosphäre geschossen, von denen jeder Instrumente trägt, um Temperatur, Feuchtigkeit, Luftdruck und Wind zu messen. Und die Wissenschaftler haben Unmengen von Daten verarbeitet und Hunderte von Computersimulationen durchgeführt, um vorherzusagen, wann der nächste atmosphärische Fluss eintreffen wird und wie intensiv er wahrscheinlich sein wird.

Das Ziel dieser Bemühungen, sagt das Team, ist es, die Vorhersagen zu verbessern, den Menschen auf dem Weg der Stürme mehr Zeit zu geben, sich auf Überschwemmungen vorzubereiten, und letztendlich Wege zu finden, um das Wasser für die trockeneren Monate der Region zu verwalten.

Es ist eine große Aufgabe, besonders während der diesjährigen scheinbar unerbittlichen Sturmflut. „Wir sind hier gehämmert worden: Dezember, Januar, Februar, März“, sagt Meteorologe Marty Ralph. „Es war eine lange und aktive Saison.“

Allein im Dezember und Januar schlugen neun atmosphärische Flüsse unerbittlich auf den Westen der Vereinigten Staaten und Kanada ein und brachten Rekordregen und -schnee über die Region. Laut dem US National Environmental Satellite Data and Information Service fielen allein auf Kalifornien über 121 Milliarden Tonnen Wasser.

Und diese Aufgabe wird wahrscheinlich noch herausfordernder, angesichts der anhaltenden Unsicherheit darüber, wie sich atmosphärische Flüsse in Intensität und Häufigkeit ändern werden, wenn sich der Planet weiter erwärmt.

Flüsse am Himmel

Atmosphärische Flüsse sind lange, schmale Bänder aus kondensiertem Wasserdampf, typischerweise etwa 1.500 Kilometer lang und 500 Kilometer breit (SN: 11.02.11). Die Bäche bilden sich oft in den Tropen über warmem Ozeanwasser und schlängeln sich durch den Himmel, wobei sie riesige Mengen an Wasser transportieren. Ein atmosphärischer Fluss kann im Durchschnitt das bis zu 15-fache Wasservolumen an der Mündung des Mississippi transportieren. Wenn diese Stürme über Land kommen, können sie dieses Wasser als Regen oder Schnee freisetzen.

Während atmosphärische Flüsse willkommenes Wasser in eine ausgetrocknete Region bringen können, sind sie auch „die primäre, fast ausschließliche“ Ursache für Überschwemmungen an der US-Westküste, sagt Ralph.

2013 gründeten er und seine Kollegen das Center for Western Weather and Water Extremes (CW3E) an der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla, Kalifornien. Die Gruppe erstellte daraufhin das erste Wettermodell, das auf die Vorhersage atmosphärischer Flüsse an der Westküste der USA zugeschnitten war. In diesem Jahr erstellte das Team auch eine atmosphärische Flussintensitätsskala, die die Ereignisse nach Größe und Wassermenge ordnet.

Um ihre Vorhersagen über Landung und Intensität zu verbessern, sammelt das Team Daten von treibenden Ozeanbojen, Wetterballons und Flugzeugen. Die Gruppe nahm sogar die Hilfe der Hurrikan-Jäger der US Air Force in Anspruch – am bekanntesten dafür, dass sie von Juni bis November in die Augen tropischer Wirbelstürme flogen – um Luftaufklärung durchzuführen (SN: 18.05.12).

Die von den Flugzeugen gesammelten Daten füllen eine wichtige Informationslücke, sagt Anna Wilson. Sie ist eine Scripps-Atmosphärenwissenschaftlerin, die auch die Feldforschung für CW3E leitet. Wetterballons sind die Arbeitspferde der Wettervorhersage, aber sie werden über Land gestartet, und „es ist wichtig zu sehen, was vorher passiert [an atmospheric river] trifft auf Land“, sagt Wilson.

Satelliten können wertvolle atmosphärische Daten über dem Ozean liefern, aber sie können im Allgemeinen nicht durch Wolken und starke Niederschläge sehen, beides charakteristische Merkmale atmosphärischer Flüsse. Und atmosphärische Flüsse hängen tief in der Troposphäre, dem untersten Teil der Erdatmosphäre, was es für Satelliten noch schwieriger macht, sie auszuspionieren.

Während jeder Flugmission lassen die Flugzeuge Instrumente, sogenannte Dropsonden, fallen, die beim Fallen Temperatur-, Feuchtigkeits-, Wind- und andere Daten sammeln. Seit dem 1. November haben die Jäger 39 Missionen in die atmosphärischen Flüsse geflogen, sagt Wilson.

Im Westen der USA kommen atmosphärische Flüsse in der Regel von Januar bis März an. Aber das ist nicht wirklich der Beginn der atmosphärischen Flusssaison in dieser Region: Atmosphärische Flüsse landen früher im Jahr, im Spätherbst, im pazifischen Nordwesten. Ein solcher Sturm verwüstete diese Region im November 2021 und löste eine tödliche Serie von Überschwemmungen und Erdrutschen aus.

„Dieser Sturm hat nicht nur Menschen, sondern auch der Wirtschaft geschadet“, sagt Ralph und verursachte „tausendjährige Überschwemmungen, die mitten in einem ernsthaften Problem in der Lieferkette Eisenbahnlinien zerstörten“.

Nach diesem Ereignis erhielten CW3E und ihre Partner die Finanzierung, um die Flugzeugaufklärungsflüge am 1. November zu beginnen, zwei Monate früher als diese Missionen in der Vergangenheit begonnen hatten.

Wie wirkt sich der Klimawandel auf atmosphärische Flüsse aus?

Abgesehen von den Herausforderungen beim Sammeln von Daten bei der Vorhersage dieser Stürme ist es auch schwierig, die vielen Faktoren zu entwirren, die in sie einfließen, von warmen tropischen Gewässern bis hin zu großräumigen Wettermustern wie der südlichen Oszillation von El Niño. Wie sich eine Erwärmung der Welt auf diese Stürme auswirken wird, ist ebenfalls ungewiss, sagt Ralph.

„Eine Sache, die man im Hinterkopf behalten sollte, ist, dass der Treibstoff eines atmosphärischen Flusses Wasserdampf ist. Es wird vom Wind vorangetrieben, geformt durch das Temperaturgefälle zwischen den Polen und dem Äquator“, sagt er.

Atmosphärische Flüsse werden auch oft mit außertropischen Wirbelstürmen in Verbindung gebracht, Stürme in mittleren Breiten, die durch die Kollision kalter und warmer Wassermassen entstehen. Solche Wirbelstürme können mit einem atmosphärischen Fluss interagieren und ihn vielleicht mitziehen. Ein solcher sich schnell bildender „Bombenzyklon“ trug dazu bei, einen atmosphärischen Fluss anzutreiben, der Kalifornien im Januar durchnässte.

Die globale Erwärmung kann zwei möglicherweise gegenläufige Auswirkungen auf atmosphärische Flüsse haben: Wärmere Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen, was mehr Treibstoff für die Stürme bedeutet. Aber die Pole erwärmen sich auch schneller als die äquatorialen Regionen, was den Temperaturunterschied zwischen den Regionen verringert und die Winde schwächen kann.

„Aber was wir feststellen, ist, dass es selbst bei diesem reduzierten Gefälle immer noch Zeiten gibt, in denen sich Wirbelstürme bilden können“, sagt Ralph. Und diese Stürme ernähren sich von der Zunahme des Wasserdampfs. Das, sagt er, könnte in Zukunft größere und länger anhaltende atmosphärische Flüsse bedeuten.

Einige Studien deuten darauf hin, dass der Klimawandel nicht unbedingt die Anzahl atmosphärischer Flüsse erhöhen wird, aber er könnte ihre Variabilität erhöhen, sagt Wilson. „Wir haben möglicherweise häufigere Wechsel zwischen sehr, sehr, sehr feuchten Jahreszeiten und sehr, sehr, sehr trockenen Jahreszeiten.“ Generell kann ein wärmeres Klima dazu führen, dass dem Boden schneller Wasser entzogen wird.

Dieses hin- und hergehende Szenario dürfte das Wassermanagement im Westen der USA, wo atmosphärische Flüsse bereits Segen und Fluch zugleich sind, zu einer noch größeren Herausforderung machen. Dennoch „sind wir sehr hoffnungsvoll“, sagt Wilson, dass die Daten letztendlich bei der komplizierten Wasserwirtschaft der Region helfen werden, indem sie beispielsweise den Planern genügend Zeit geben, Wasser sicher aus den Stauseen abzulassen, bevor sie überschwemmt werden.

Die Ereignisse sorgen auch für bis zu die Hälfte des jährlichen Niederschlags in der Region, bringen dringend benötigtes Wasser in ausgetrocknete Ländereien und füllen die Schneedecke in den hohen Bergen, einem weiteren Süßwasserreservoir, auf. Die diesjährigen Stürme „haben viel dazu beigetragen, die Dürre in der Landschaft wiederherzustellen“, sagt Ralph, haben die Landschaft „begrünt“ und viele kleinere Stauseen wieder aufgefüllt.

Aber „Dürre ist eine komplizierte Sache“, sagt Ralph (SN: 16.4.20). Die historisch niedrigen Wasserstände in größeren Stauseen im Westen, wie Lake Powell und Lake Mead, werden nicht so schnell ersetzt. „Es wird weitere nasse Jahre wie dieses brauchen, um sich zu erholen.“