Was bestimmt die asymmetrische Struktur der Intertropischen Konvergenzzone?
Rund ein Drittel des globalen Niederschlags fällt in einem schmalen tropischen Regenband, in der Intertropischen Konvergenzzone (ITCZ). Sie versorgt Hunderte Millionen von Menschen mit Süßwasser. Was genau sich im Innern der ITCZ abspielt und welche Mechanismen ihre Position letztlich bestimmen, ist aber noch nicht gut verstanden. In der ITCZ treffen die Passatwinde aus der nördlichen und südlichen Hemisphäre aufeinander. Diese Konvergenz lässt feuchte Luftmassen aufsteigen und sorgt für starke Wolkenbildung und heftigen Niederschlag. Doch anders als dieses Bild vermuten lassen könnte, stellt sich die innere Struktur der ITCZ in Beobachtungen asymmetrisch dar. Wie diese Asymmetrie entsteht, haben Forschende am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) nun mithilfe von globalen sturmauflösenden Simulationen untersucht.
In ihrer Studie betrachteten Divya Sri Praturi und Bjorn Stevens die ITCZ über dem Atlantik und dem östlichen Pazifik während des Sommers der Nordhemisphäre. Während dieser Zeit liegt die ITCZ nördlich des Äquators. Wie vorhergehende Arbeiten der MPI-M-Forschenden Julia Windmiller und Bjorn Stevens gezeigt hatten, vollzieht sich das Aufsteigen und Abregnen von Luftmassen in einem recht breiten Bereich, wobei die Struktur der ITCZ asymmetrisch ist insofern, dass der stärkste Niederschlag in der Nähe des südlichen Randes auftritt. Die neue Studie von Praturi und Stevens liefert nun eine Erklärung für diese Struktur. Sie basiert auf der Untersuchung hochaufgelöster Simulationen, die mit dem Klimamodell ICON im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten und vom MPI-M geleiteten Projekts nextGEMS erstellt wurden.
„Mit dieser Simulation zu arbeiten war sehr spannend, da sie keine konvektive Parametrisierung verwendet. Deshalb können darin die atmosphärische Zirkulation und die Konvektion unmittelbar aufeinander einwirken, was es ermöglicht, die kausalen Zusammenhänge besser zu verstehen. Wir betrachten die beobachtete Asymmetrie aus der Perspektive der Winde und der Impulsbilanz“, so Praturi.
Impulsbilanz erklärt asymmetrische Struktur der ITCZ
Der Analyse zufolge erzeugt der Umstand, dass die maximale Meeresoberflächentemperatur zu dieser Jahreszeit nördlich des Äquators auftritt, Druckgefälle über den Äquator hinweg. Diese saugen Luftmassen aus dem Süden an. Praturi und Stevens zeigen, dass diese Druckgefälle stärker werden, wenn die Luftmassen den Äquator überqueren. Die Westwinde, die es bräuchte, um die Gefälle über die Corioliskraft auszugleichen, fehlen jedoch. Dieses Kräfteungleichgewicht beschleunigt die südlichen Luftmassen nördlich des Äquators. Aufgrund der Erdrotation lenkt die Corioliskraft die Südostwinde im Uhrzeigersinn ab, und die Winde drehen nach Südwesten. Der breitengradparallele Westwind kann nun die Druckgefälle ausgleichen, und die Luftmassen werden abgebremst. Das erlaubt ihnen aufzusteigen, was zu starker Konvektion mit intensiven Regenfällen in den Südwinden führt und den sogenannten südlichen Rand der ITCZ bildet.
Diese Vorgänge der Beschleunigung und Verlangsamung treten in den nördlichen Passatwinden nicht auf. Stattdessen werden positive Druckunterschiede hier durch die Coriolis-Kraft aufgrund östlicher zonaler Winde und durch Reibung ausgeglichen. Die Konvergenz dieser nördlichen Passatwinde ist daher weniger intensiv als die Konvergenz in den südlichen Passatwinden.
Frühere Studien gingen davon aus, dass die Konvektion durch Trägheitsinstabilitäten in der Atmosphäre verursacht wird. Die Analyse von Praturi und Stevens legt jedoch nahe, dass es zwar eine solche instabile Region gibt, die stärksten Niederschläge jedoch nördlich davon auftreten.
„Wir konnten zeigen, dass diese Instabilität nicht die Ursache für die Konvektion ist. Daher bestimmt sie auch nicht die Lage der ITCZ“, erklärt Praturi. Stattdessen lasse sich die Struktur rein aus der Impulsbilanz erklären. „Durch unsere sturmauflösenden ICON-Simulationen hatten wir die Möglichkeit, die Hypothesen zu testen und die relevanten Mechanismen klar zu identifizieren.“
Die Studie liefert wertvolle Einblicke in die dynamischen Mechanismen, die die ITCZ prägen, und liefert neue Erkenntnisse darüber, wie weit die ITCZ in einer sich erwärmenden Welt, in der sich die Muster der Meeresoberflächentemperatur voraussichtlich ändern werden, nach Norden wandern könnte. Sie erscheint auch zu einem guten Zeitpunkt, denn die Daten aus der jüngsten ORCESTRA-Kampagne, welche vom MPI-M geleitet wurde, lassen sich nun verwenden, um die Ideen zu testen, die mithilfe der Simulationen entwickelt wurden.
Originalpublikation
D. S. Parturi and B. Stevens (2025): On the meridional asymmetry of the poleward-displaced intertropical convergence zone. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 2025; e70043. DOI: 10.1002/qj.70043
Kontakt
Dr. Divya Sri Praturi
Max-Planck-Institut für Meteorologie
divya-sri.praturi@mpimet.mpg.de
Prof. Dr. Bjorn Stevens
Max-Planck-Institut für Meteorologie
bjorn.stevens@mpimet.mpg.de