Hemisphärische asymmetrische Reaktion tropischer Wirbelstürme auf Verringerung von CO₂-Emissionen

Klimawandel abhängig von Antriebskräften, verläuft nicht einfach symmetrisch zwischen Perioden der CO₂-Zunahme und -Abnahme.

Tropische Wirbelstürme („TCs“) gehören zu den verheerendsten Naturgefahren für Küstenregionen, und ihre Reaktion auf menschliche Aktivitäten ist von großer sozioökonomischer Bedeutung. Bislang ist nicht bekannt, wie tropische Wirbelstürme auf den Klimawandel reagieren; das erschwert die Gestaltung von Anpassungsmaßnahmen, so Chao Liu et al. am 01.04.2024 in ihrem Artikel „Hemisphärische asymmetrische Reaktion tropischer Wirbelstürme auf Verringerung von CO₂-Emissionen“ in npj Climate and Atmospheric Science: „Unter Verwendung von Experimenten mit Netto-Null- und Negativ-Kohlenstoffemissionen zeigen wir eine robuste hemisphärisch-asymmetrische hysteretische TC-Reaktion auf CO₂-Reduktionen. Während der Dekarbonisierungsphase nimmt die Häufigkeit von HiTCewellen auf der nördlichen Hemisphäre noch mehrere Jahrzehnte lang ab, während die Ozeane der südlichen Hemisphäre abrupt in einen stürmischeren Zustand übergehen, wobei die Zeitskalen von den Details der Emissionsminderung abhängen.

Solche systematischen Veränderungen werden weitgehend auf die planetarische Neuordnung der vertikalen Windscherung und der Aufwärtsbewegung in mittleren Höhenlagen zurückgeführt, die mit der hysteretischen Südwärtswanderung der intertropischen Konvergenzzone verbunden ist und durch die atlantische meridionale Umwälzzirkulation und El-Niño-ähnliche Veränderungen des mittleren Zustands unterstützt wird. Der hemisphärische Kontrast in der Reaktion auf TC deutet auf vielversprechende Vorteile für den Großteil der Weltbevölkerung durch menschliche Maßnahmen zur Eindämmung der Treibhausgas-Erwärmung hin, kann aber auch regionale sozioökonomische Ungleichheiten verschärfen, indem er beispielsweise kleine Inselstaaten auf offenem Meer in der südlichen Hemisphäre stärker unter Druck setzt, sich an TC-Risiken anzupassen.

TCs sind äußerst folgenreiche Wettersysteme, welche die Küstenregionen der Welt bedrohen. Viele Merkmale von Wirbelstürmen, wie die Häufigkeit ihrer Entstehung, ihre Intensität und die Niederschlagsmenge, um nur einige zu nennen (siehe Knutson et al. für die darin enthaltenen Verweise), werden sich im Zuge der Erwärmung durch Treibhausgase voraussichtlich verändern, wenn auch mit unterschiedlichem Maß an Zuverlässigkeit. Unter diesen hat die TC-Häufigkeit aufgrund ihrer engen Beziehung zu anderen TC-Kennzahlen und des geringen Vertrauens in zukünftige Veränderungen die meiste Aufmerksamkeit erhalten. Daher ist ein besseres Verständnis der Zyklogenese im Zusammenhang mit dem Klimawandel eine wesentliche Grundlage für zuverlässige Zukunftsprognosen und regionales TC-Risikomanagement und -Anpassung.

Die großräumigen atmosphärischen und ozeanischen Zirkulationen (z. B. Meeresoberflächentemperatur SST, vertikale Windscherung usw.) modulieren den synoptischen Zyklogeneseprozess, und ihre Beziehung wird in der Regel in Zyklogenese-Umweltindikatoren oder verschiedenen Arten von empirischen Genese-Potenzial-Indizes (GPIs) erfasst, die in der Regel konstruiert werden, indem wichtige Umweltfaktoren mit der beobachteten TK-Häufigkeitsklimatologie in Beziehung geseTCt werden. Somit können die künftigen Veränderungen der TC-Häufigkeit weitgehend aus den Veränderungen der TC-bezogenen Umweltfaktoren abgeleitet werden.

In diesem Zusammenhang hat der größte Teil der vorhandenen Literatur einen Rückgang der globalen TC-Häufigkeit unter Treibhausgas-Erwärmungsszenarien projiziert, wenn auch mit erheblicher Abhängigkeit vom jeweiligen Einzugsgebiet und mit Streuungen zwischen den Modellen, während einige andere einen entgegengesetzten, zunehmenden Trend vorgeschlagen haben, der von Downscaling-Techniken, Modellauflösungen und Modellphysik abhängt. Die Diagnose deutet darauf hin, dass dynamische Zirkulationsfaktoren (z. B. vertikale Windscherung und mitteltroposphärischer Aufwärtsmassenstrom) und damit verbundene GPIs konsistentere Reaktionen auf prognostizierte künftige TC-Häufigkeitsänderungen zeigen, während unidirektionale Zunahmen absoluter thermodynamischer Faktoren (z. B. SST-basierte maximale potenzielle Intensität) oft andere einflussreiche dynamische Effekte verdecken. TC-bezogene dynamische Faktoren werden physikalisch durch Klimazustände auf planetarischer Ebene in den tropischen Ozeanen eingeschränkt, wie z. B. das tropisch-pazifische SST-Muster, die intertropische Konvergenzzone (ITCZ) und ihre Erscheinungsformen in den Walker- und Hadley-Zirkulationen.

Dennoch ist es für die heutigen Klimamodelle nach wie vor eine große Herausforderung, einen Konsens über das detaillierte Ausmaß und die strukturellen Veränderungen der SST und der regionalen atmosphärischen Zirkulation zu erzielen, was die quantitative Bewertung der Rolle der einzelnen Klimamodi bei der Steuerung globaler TC-Häufigkeitsänderungen in einem sich verändernden Klima erschwert.

Der rasche Klimawandel der vergangenen Jahrzehnte hat zu einem wachsenden Interesse an Klimareaktionen im Rahmen von Abmilderungsszenarien geführt, deren Verwirklichung eine massive Verringerung der Quellen oder Erhöhung der Senken von Kohlenstoffemissionen erfordert. Dennoch wird selbst ein rascher Abbau des atmosphärischen CO₂ die Auswirkungen des Klimawandels nicht sofort beseitigen, da sich das Hysteresephänomen aus den trägen und inhärent langen Anpassungszeitskalen des Klimasystems ergibt. Mit anderen Worten, der Klimawandel ist abhängig von den Antriebskräften und verläuft nicht einfach symmetrisch zwischen Perioden der CO₂-Zunahme und -Abnahme.

Unter Verwendung verschiedener hypothetischer CO₂-Abbauszenarien wurde das Hysteresephänomen bei der Oberflächentemperatur, den Niederschlägen, dem Meeresspiegel, der ITCZ, der Hadley-Zirkulation, dem Monsun, der Atlantischen Meridionalen Umwälzzirkulation (AMOC), der El Niño-Südlichen Oszillation und vielen anderen Elementen des Erdsystems festgestellt, wobei die Hysteresezeitskala von einigen Jahrzehnten bis zu Jahrhunderten reicht. Die Allgegenwärtigkeit der Klimahysterese legt nahe, dass ihre Auswirkungen bei der Gestaltung von Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels und zur Anpassung an den Klimawandel unbedingt berücksichtigt werden müssen, was ein besseres Verständnis der damit verbundenen Probleme erfordert.

Während die bereits dokumentierte Hysterese der tropischen Hintergrundzustände theoretisch die TC-Aktivität beeinflussen kann, wurde den TC-Reaktionen unter Abschwächungsszenarien weniger Aufmerksamkeit geschenkt, ganz im Gegensatz zu den ausführlich untersuchten TC-Veränderungen unter Erwärmungsbedingungen. Im Vergleich zur Vorbereitung auf die langsame Entwicklung des langfristigen Mittelwerts erfordert die Anpassung an TC-Risiken andere Strategien, da die TC zwar nur von kurzer Dauer sind, aber auf regionaler Ebene sehr konzentrierte verheerende Auswirkungen haben. Darüber hinaus bietet das Milderungsszenario eine hervorragende Gelegenheit, unser derzeitiges Verständnis der großräumigen Kontrolle der Häufigkeit von TC in einem sich ändernden Klimahintergrund durch einen Vergleich mit den Bedingungen unter Erwärmung zu vertiefen. In unserer Studie konzentrieren wir uns in erster Linie auf die Häufigkeitsreaktion der globalen TC-Entstehung auf die CO₂-Entfernung, indem wir eine Reihe von CO₂-Minderungsexperimenten (d. h. Null- und Negativemissionen) mit dem neuesten Community Earth System Model 2 (CESM2) durchführen und die kritische Rolle der südwärts gerichteten ITCZ-Wanderung bei der Gestaltung der hemisphärisch-asymmetrischen Hysteresereaktion der TC-Häufigkeit während der Dekarbonisierung hervorheben…

Diskussion

In dieser Studie untersuchten wir unter zwei hypothetischen kohlenstoffneutralen und kohlenstoffnegativen Szenarien die globalen Reaktionen der Häufigkeit der TK-Entstehung und fanden ein ausgeprägtes Hystereseverhalten der globalen TC-Häufigkeit bei sinkenden CO₂-Emissionen. Diese hysteretische Reaktion zeigt sich in einem interhemisphärischen asymmetrischen Muster während der Dekarbonisierungsphase, mit einer übertriebenen hysteretischen Abnahme in der NH und einem schnellen negativen bis positiven Überschwingen in der SH. Diese hysteretischen/überschießenden Veränderungen in der TC-Bildung werden hauptsächlich durch die Anpassungen der atmosphärischen Zirkulation auf globaler Ebene durch die mitteltroposphärische Aufwärtsbewegung und vertikale Windscherung bestimmt. Beide dynamischen Faktoren sind mit einer hysteretischen Südwärtswanderung der ITCZ verbunden, die durch den AMOC-induzierten interhemisphärischen thermischen Kontrast und eine El-Niño-ähnliche pazifische SST-Änderung unterstützt wird.

Unsere Ergebnisse zu den ITCZ-TC-Verbindungen im Zusammenhang mit dem Klimawandel stimmen mit früheren Erkenntnissen überein, die auf saisonalen Zeitskalen in idealisierten Aquaplanet-Simulationen, auf interannuellen Zeitskalen in Beobachtungen und in Fällen von TC-Entstehung als Reaktion auf Vulkanausbrüche ermittelt wurden. Insbesondere kann die Gültigkeit der physikalischen Zusammenhänge zwischen ITCZ und TC in unserer realistischeren Erdsystemmodellkonfiguration hier Einblicke in die Quellen der modellübergreifenden Unsicherheit bei zukünftigen TC-Häufigkeitsprojektionen in einem sich erwärmenden Klima geben, wenn man bedenkt, dass zukünftige Projektionen der ITCZ-Lage aufgrund bekannter Modellverzerrungen und zahlreicher konkurrierender Prozesse eine beträchtliche modellübergreifende Vielfalt aufweisen. Daher wäre ein weiterer Schritt zum Verständnis der Modulationseffekte der ITCZ auf die TK-Häufigkeit, der damit verbundenen physikalischen Ursachen für die modellübergreifende Streuung in historischen Simulationen und ihrer Bedeutung für künftige TK-Veränderungen ein weiteres interessantes und wichtiges Thema, das in Zukunft an anderer Stelle erforscht werden sollte.

Zusätzlich zu dem in unserer Studie untersuchten CO₂ beeinflussen auch anthropogene Aerosole die globale TC-Entstehung. Beispielsweise trägt die größere Aerosolemission in der nördlichen Hemisphäre in der Vergangenheit auch zu einem interhemisphärischen thermischen Kontrast bei, der die Häufigkeit von TC beeinflusst, wie in unserem Fall der CO₂-Minderung. In Anbetracht der Tatsache, dass sich die anthropogenen Kohlenstoffemissionen und die Aerosolverschmutzung in ihren Quellen weitgehend überschneiden, könnte die künftige Verringerung der Kohlenstoffemissionen auch mit einer saubereren Luftqualität einhergehen, was zu einer umgekehrten interhemisphärischen TC-Reaktion wie im historischen Zeitraum führen und somit den CO₂-induzierten Hystereseeffekt auf die TC-Häufigkeit global oder zumindest regional mehr oder weniger ausgleichen könnte. Dies wird durch eine neuere Studie85 gestützt, die darauf hindeutet, dass die verbesserte Luftqualität über Europa und den Vereinigten Staaten in den letzten Jahrzehnten die Häufigkeit von TC auf der Südhalbkugel deutlich verringert, dafür aber die Häufigkeit von Hurrikanen im Nordatlantik erhöht hat, wodurch unsere kohlenstoffbedingten Hystereseeffekte zum Teil ausgeglichen werden. Auch wenn unsere Schlussfolgerung nach wie vor zutrifft, da CO₂ die Hauptursache für den Klimawandel ist, ist es notwendig, in künftigen Studien jeden externen Einfluss separat zu berücksichtigen, um die TC-Hysterese realistischer zu prognostizieren.

Die TC-Gefährdung hängt nicht nur von der Häufigkeit der Zyklogenese ab, sondern auch von der Möglichkeit der TC-Exposition, der TC-Intensität und vielen anderen Statistiken. In Anbetracht der Tatsache, dass HiRAM nicht über eine Luft-See-Kopplung verfügt und die Auflösung unzureichend ist, um die Feinstruktur und Intensität von TCs aufzulösen, untersuchen wir hier die Veränderungen der aktiven TC-Tage und der maximalen potenziellen TC-Intensität, der theoretischen Obergrenze der TC-Intensität86, um einen Einblick in die TC-Risiken aus einer groben Perspektive zu gewinnen. Die Veränderungen der TC-Tage zeigen ein ähnliches und deutlicheres hemisphärisches asymmetrisches Muster im Vergleich zur Zyklogenese, was darauf hindeutet, dass die Kohlenstoffentfernung im Allgemeinen die TC-Belastung in der NH verringert, sie aber in der SH erhöht. Was die TC-Intensität betrifft, so nimmt die maximale potenzielle Intensität in den meisten Hauptentwicklungsregionen während der CO₂-Anstiegsphase zu, wodurch die TC-Risiken global erhöht werden indem die positiven Auswirkungen der gleichzeitigen TC-Häufigkeitsreduzierung zunichte gemacht werden8. Während der Dekarbonisierungsphase verschieben sich jedoch die positiven maximalen potenziellen Intensitätsänderungen allmählich in Richtung SH, entsprechend dem Muster der relativen SST-Erwärmung, was darauf hindeutet, dass intensive Stürme in SH häufiger werden könnten.

Es ist zu beachten, dass wir einen niedrigen Windschwellenwert (d. h. 17,5 m/s) verwenden, um die aktiven Sturmtage für alle TK zu bewerten, ohne ihre Kategorien aufgrund der HiRAM-Beschränkung weiter zu unterteilen. Dies kann sich von dem Fall zerstörerischer Landfall-TKs unterscheiden, deren Statistiken von der Küstenumgebung beeinflusst werden und typischerweise größere Varianz und Unsicherheiten aufweisen. Außerdem sind die regionalen TC-Veränderungen in den einzelnen Einzugsgebieten komplizierter. Beispielsweise ist der größte Teil des Hystereseanstiegs in den SH-TK-Statistiken auf den offenen Ozean beschränkt, weniger jedoch auf die Küstenregionen sowohl im Südpazifik als auch im südlichen Indischen Ozean, während ein großer Teil der australischen Küste dazwischen aufgrund der abwärtsgerichteten zonalen Walker-Zirkulationen ebenfalls weitgehend von dem Anstieg der TC-Exposition abgeschirmt ist. Diese regionalen Besonderheiten führen zu Projektionsunsicherheiten und erfordern weitere detaillierte Studien auf feineren regionalen Zielskalen, um die Veränderungen der TC-Risiken für die Abschwächung des Klimawandels genau zu quantifizieren.

Ausgehend von den obigen Ausführungen hat die TC-Hysterese wichtige sozioökonomische Auswirkungen. Aus globaler Sicht verschiebt die Verringerung der Kohlenstoffemissionen die Erholung der globalen TC-Häufigkeit von einem rückläufigen Trend und verschafft der Menschheit so einen zusätzlichen Puffer, um TC-Katastrophen abzumildern und sich an sie anzupassen. Dies stellt einen vielversprechenden kurzfristigen sozioökonomischen Nutzen menschlicher Maßnahmen zur Abschwächung der Treibhausgas-Erwärmung dar, insbesondere wenn man bedenkt, dass die NH einen großen Teil der dicht besiedelten und wirtschaftlich wohlhabenden Regionen der Welt enthält, die für TC-Gefahren anfällig sind. Auf regionaler Ebene haben die hemisphärisch unterschiedlichen TC-Reaktionen auch den potenziellen negativen Nebeneffekt, dass sie die regionalen sozioökonomischen Ungleichgewichte verschärfen. So reagieren beispielsweise die Entwicklungsländer in den kleinen Inselstaaten im offenen Ozean des Südpazifiks und des südindischen Ozeans empfindlicher auf den Klimawandel, sind aber weniger anpassungsfähig als die nordamerikanischen Länder, was von der Anfälligkeit der Landwirtschaft und der Infrastruktur sowie dem Bildungs- und Finanzniveau der Länder abhängt. Mit anderen Worten, undifferenzierte globale Maßnahmen zur Eindämmung des Klimawandels werden diese regionalen Ungleichheiten zwischen Entwicklungs- und Industrieländern wahrscheinlich noch verschärfen.

->Quelle:

Originalpublikation: Chao Liu, Soon-Il An, Jiuwei Zhao, Seok-Woo Son, Fei-Fei Jin & Ruifen Zhan: Hemispheric asymmetric response of tropical cyclones to CO₂ emission reduction, in npj Climate and Atmospheric Science, 01.04.2024, Open access