Wissenschaftler verbessern Langfristvorhersage von Tornados und Hagel in den USA

Wissenschaftler der Northern Illinois University arbeiten weiter an der Verbesserung der Wettervorhersage über einen längeren Zeitraum hinweg, indem sie Muster auf der halben Welt erkennen, die Wochen später die Wahrscheinlichkeit von hagel- und tornadoartigen Stürmen in den Vereinigten Staaten erhöhen werden.

Neue Forschungsergebnisse zeigen drei spezifische Ausrichtungen von atmosphärischen Phänomenen, die in Äquatornähe über dem maritimen Kontinent auftreten und die Wahrscheinlichkeit von Unwettern in den USA drei bis vier Wochen später erhöhen. Die Nutzung dieser Informationen zur Erstellung von Prognosen mit größerer Reichweite würde mehr Zeit für die Sensibilisierung für Unwetter bieten und möglicherweise Leben und Eigentum retten.

Bei der Durchsicht von Daten aus den Jahren 1979 bis 2019 fanden die Wissenschaftler 100 Fälle signifikanter Schwankungen der Madden-Julian Oscillation (MJO) – einer großen, sich ostwärts bewegenden Störung von Winden, Regen und Luftdruck – und suchten nach Korrelationen zu Unwettern in den USA Wochen später.

Während sich der MJO entlang des Äquators ostwärts bewegt, kann er sich abschwächen oder verstärken, wenn er die Inseln des maritimen Kontinents überquert, zu denen Indonesien und die Philippinen gehören. Von den 100 identifizierten MJO-Schwankungen wurden 53 dieser Sturmcluster stärker, als sie den maritimen Kontinent überquerten und in den Pazifischen Ozean eintraten, was zu Wellen in der Atmosphäre führte und schließlich die Zirkulationsmuster über Nordamerika veränderte.

„Diese 53 Ereignisse wiesen die größten Wahrscheinlichkeiten für eine Zunahme der Tornado- und Hagelaktivität in den USA in den folgenden drei bis vier Wochen auf“, sagte der Hauptautor der Studie, Douglas E. Miller, ein NIU-Postdoktorand. „Unterschiedliche MJO-Eigenschaften führten zu unterschiedlichen Zeitpunkten und Veränderungen der Unwetteraktivität“.

Die Studie, die gemeinsam mit dem NIU-Meteorologieprofessor Victor Gensini und Bradford Barrett vom U.S. Air Force Office of Scientific Research verfasst wurde, ist in der Zeitschrift Climate and Atmospheric Science der Nature Publishing Group veröffentlicht.

Die Forscher verwendeten maschinelles Lernen, um die Merkmale der 53 Sturmcluster nach Standort, Stärke und Ausbreitungsgeschwindigkeit zu unterscheiden. Zusammengesetzte Cluster wurden dann in eine von drei „Geschmacksrichtungen“ eingeteilt – schwach, langsam oder schnell.

Alle drei Typen erhöhten die Wahrscheinlichkeit einer Zunahme von Tornado- und Hagelereignissen in den USA, aber die verschiedenen Geschmacksrichtungen nahmen unterschiedliche Wege, sagte Miller, wobei die sich langsam ausbreitenden MJO-Cluster die beste „Chancenprognose“ für schwere konvektive Stürme in den Vereinigten Staaten boten.

„Unsere Arbeit zeigt Wege für eine bessere Vorhersage und ein besseres Verständnis dafür auf, wie die Cluster der Madden-Julian Oscillation die Häufigkeit von Tornados und Hagel in den USA beeinflussen“, so Miller. „Obwohl nicht Teil dieser Studie, haben wir in diesem Frühjahr zwei Ausbrüche maximaler Konvektion beobachtet. Jedes Mal konnten wir drei bis vier Wochen später eine Zunahme schwerer Unwetter in den USA feststellen.“

Frühere Forschungsarbeiten von Gensini von der NIU, der Pionierarbeit im Bereich der Vorhersage mit großer Reichweite geleistet hat, hatten MJO-Störungen als Einflussfaktor für Unwetter in den Vereinigten Staaten identifiziert. Im Jahr 2019 leitete er ein Team von Wissenschaftlern, die berichteten, dass sie den landesweiten Tornadoausbruch im Mai desselben Jahres genau vorhersagten – fast vier Wochen vor dessen Beginn. Während eines 13-tägigen Abschnitts in diesem Monat traten 374 Tornados auf, mehr als das Dreifache des Durchschnitts.

Gensini sagte, dass wiederkehrende MJO-Modi, wie sie in der neuen Studie identifiziert wurden, „Gelegenheitsvorhersagen“ darstellen, die eine bessere Vorhersagbarkeit der potenziellen Häufigkeit von Unwettern ermöglichen. Solche Gelegenheiten gibt es nicht immer, weil es oft kein erkennbares Muster gibt.

„Diese neue Arbeit hilft uns bei der Katalogisierung von Wettermustern, die diese Vorhersagemöglichkeiten bieten“, sagte Gensini. „Wir lernen, dass diese Konvektion eine ganze Reihe verschiedener Geschmacksrichtungen hat, wenn es darum geht, wie sich das gesamte Wettermuster über den Vereinigten Staaten aufbaut“.

MJO-Störungen treten nur ein- oder zweimal pro Frühjahr auf, so dass die Stichprobengröße für die neue Studie begrenzt war, so die Autoren.

„Der wichtigste Vorbehalt bei dieser Analyse ist die Stichprobengröße“, sagte Gensini. „Wir sind durch die Anzahl der Jahre in der Studie und die zeitliche Häufigkeit, mit der MJO-Ereignisse im nordamerikanischen Frühling auftreten, begrenzt. Würden die MJO-Ereignisse über Tausende von Jahren untersucht, würden sich wahrscheinlich mehr als drei Cluster herausbilden. Zukünftige Arbeiten könnten sich auf die Frage der Stichprobengröße konzentrieren, indem Klimamodell-Simulationen verwendet werden, die robustere Ergebnisse ermöglichen.

Die Forschungsarbeit wurde durch ein Stipendium der National Science Foundation für Gensini unterstützt, wobei die Rechenressourcen vom Center for Research Computing and Data der NIU bereitgestellt wurden.

Datum: Mai 18, 2022
Quelle: Universität Northern Illinois


Journal Reference:

  1. Douglas E. Miller, Vittorio A. Gensini, Bradford S. Barrett. Madden-Julian oscillation influences United States springtime tornado and hail frequencynpj Climate and Atmospheric Science, 2022; 5 (1) DOI: 10.1038/s41612-022-00263-5

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