Rekordregen in New York: IDA oder Ex-IDA?

Tagesmenge vom 2. September 2021 für New York City und Umgebung in mm

Gleich vorweg: Ich zweifle nicht am Klimawandel als Ursache für die Rekordmengen. Hier geht es um meteorologisch korrekte Darstellungen. Stellvertretend für zahlreiche Medienberichte hier die deutsche Tagesschau (abgerufen am 6.09.21, 09:30) zum Starkregenereignis in New York und Umgebung in der Nacht vom Mittwoch, 1. September, auf Donnerstag, 2. September 2021.

“ […] Die Ausläufer von Hurrikan „Ida“ haben den Großraum New York binnen kürzester Zeit schwer getroffen. […] „Über 5000 Haushalte sind ohne Strom“, sagte Bürgermeister Bill de Blasio. Dies sei ein harter Schlag von Hurrikan „Ida“. […] „Unglaublich diese Mengen. Und die waren nicht vorhergesagt. Das ist ernüchternd. Es zeigt, wie unvorhersehbar das Wetter wird. Wie gewaltig, wie schnell“ […]“

In New York-City (Central Park) fielen bis 02 UTC in einer Stunde 80mm. Der Höhepunkt war zwischen 20 Uhr und 21 Uhr lct (02-3 UTC). Im südwestlich gelegenen Linden (New Jersey) fielen in Summe 166mm innerhalb von 9 Stunden. Im Umkreis von rund 50km fielen verbreitet um 50mm Niederschlag innerhalb von wenigen Stunden.

Ich störe mich hier an zwei Formulierungen: 1. war IDA zum Zeitpunkt des Starkregens kein Hurrikan mehr. Laut Archiv des NHC (National Hurricane Center) in Miama wurde das Tief als „Remnants of IDA“ tituliert, also Reste des Tropensturms. Die letzte Ausgabe war am Donnerstag, 02. September 2021 um 5 Uhr AM EDT (Eastern Time, 6 Stunden vor unserer Sommerzeit, also Mittwoch, 23 Uhr MESZ). 2. könnte man jetzt diskutieren, ob die Übersee-Redakteure aus „Remnants“ Ausläufer gemacht haben. Ausläufer ist kein meteorologischer Fachbegriff – meistens sind damit Fronten gemeint. Tropenstürme haben allerdings keine Fronten im engeren Sinn (von inner und outer eyewall abgesehen). Der Begriff „remnants of a tropical storm“ beschreibt meist einen Tropensturm, der sich in Auflösung oder im Übergang in ein extratropisches Tief befindet.

Die grundsätzliche Frage, die sich hier also stellt – wie tropisch waren die Eigenschaften des Tiefs, das über New York zog, zum Zeitpunkt des Starkregens?

Auf den ersten Blick erinnert mich die Wetterentwicklung an Hurrikan SANDY im Oktober 2012, der ebenfalls New York betraf (Fallstudie auf wetteran.de)

Entwicklung von IDA:

Verlauf von IDA von der Entstehung im Atlantik über den Landfall bei New Orleans, die Auflösung über dem Osten der USA bis zur Umwandlung im Nordatlantik (Quelle)

Phasendiagramm von IDA (Chronologie) von Entstehung bis Tod (Zoom)

Das Phasendiagramm sagt aus, ob das Tief rein tropische Eigenschaften (hochreichend warmer Kern, rechts oben), tropische Anteile (seichter warmer Kern, rechts unten) oder extratropische Eigenschaften (hochreichend kalter Kern, links unten) besitzt. In diesem Fall sieht man schön die Entwicklung von rein tropisch (Hurrikan) zu extratropisch. Der Übergang fand genau am 1. und 2. September statt, d.h., in der Nacht mit dem verheerenden Starkregen wandelte sich der ehemalige Tropensturm in ein Tief mit außertropischen Eigenschaften (Fronten!) um. Insoweit gibt es also tatsächlich Parallelen zu SANDY, aber die synoptische Lage war eine ganz andere, weil SANDY damals als Hurrikan über dem dem Atlantik von Südosten her auf die US-Küste traf, während IDA schon Tage vorher Landfall begangen hatte und über das Festland New York erreichte.

Beteiligung einer Kaltfront am Unwettergeschehen

Der Übergang von Tropensturm zu Ex-Tropensturm mit Fronten ist auch in den Bodenwettermeldungen sichtbar:

Bodenwettermeldungen am 2. September, 03:58 MESZ, Zeitpunkt des Starkregens (Quelle)

Um 2 UTC (04 Uhr MESZ) lag das Bodentief genau über New York mit ausgeprägter Bodenkonvergenz. Die Windspitzen erreichten verbreitet 60-80 km/h, einzelne Stationen auch über 90 km/h.

Luftdruckänderung über 3 Stunden („isallobarische Druckänderung“) im Großraum New York, 2 Uhr MESZ (links) und 6 Uhr MESZ (rechts), Quelle: kachelmannwetter.com

Die dreistündigen Druckänderungen zeigen einen kräftigen Druckfall um 2 Uhr MESZ sowie einen moderaten Druckanstieg um 06 Uhr, was auf einen Kaltfrontdurchgang hinweist.

Taupunkte am Donnerstag, 02.09.2021, 04 Uhr MESZ

Noch deutlicher wird der frontogenetisch geprägte Niederschlag in der Verteilung der Taupunkte. Hier gibt es von Südwest nach Nordost einen klaren Feuchte-Gradienten von präfrontal (Südströmung) 22 bis 25°C und postfrontal (Nordströmung) 14-19°C. Die Luft wurde mit Frontpassage also deutlich trockener – was für die Passage eines Hurrikans nicht erwartbar wäre.

Taupunkte in den USA, 02.09.21, 04 Uhr MESZ

Noch eindeutiger zeigt sich dieser Feuchtegradient im Überblick, mit dem Rückgang der Werte von hohen 20ern (rot) auf moderate 10er (grün) im Osten der USA.

Wetterballon-Aufstiege südwestlich und nordöstlich von New York City, jeweils 00 UTC, Quelle: University of Wyoming

Beide Aufstiege zeigen enorme Mengen an niederschlagbarem Wasser (PWAT), beide Aufstiege erreichen 44mm. In Newport, was noch präfrontal lag (Bodentaupunkt 24°C) zudem labil bis in die hohe Troposphäre und hohe Sättigungsmischungsverhältnisse mit über 18 g/kg – zum Vergleich: Die Flutkatastrophe von Westdeutschland am 14. Juli 2021 hatte etwas mehr als 12 g/kg.

Interessant ist hier aber der Rückgang der relativen Feuchte oberhalb von etwa 400 hPa, da ist die Atmosphärenschicht in Charleston staubtrocken, in Newport doch etwas feuchter.

Wasserdampfbild am Donnerstag, 02.09.2021, 04 Uhr MESZ (20 Uhr CDT)

Die Diskrepanz erklärt sich im Wasserdampfbild: Frontrückseitig wird von Kanada her deutlich trockenere und etwas kühlere Luft in der Höhe nach Süden transportiert, wo Charleston voll drin liegt. Newport befindet sich hingegen noch in der feuchteren und wärmeren Luftmasse unter dem kompakte Wolkenschirm, der sehr hochreichend ist (grün). New York City liegt genau unter dem Gewittercluster, der nach Süden hin anbaut.

Auch hier wieder ein interessantes Detail: Ausgehend von der enorm trockenen Luft (rot) strömt eine schmale Zunge von trockener Höhenluft von Süden heran, unmittelbar davor entstehen die Gewittercluster. Auch das ist typisch für Tiefdruckgebiete in den gemäßigten Breiten, Dry Intrusion (Prozess) bzw. Dryslot (Zustand) genannt. Diese trockene Luft in der Höhe schiebt sich über die feuchtwarme am Boden und erzeugt große Mengen an potentieller Instabilität. Die Hebung wird durch die Front bzw. dem Höhentrog bereitgestellt:

500 hPa Geopotential (schwarz), relative Topographie (farbig) und Bodendruck (hPa, weiß),
Donnerstag, 02.09., 00 UTC (links) und Sonntag, 29.08., 06 UTC (rechts), Quelle

Am Donnerstag liegt Ex-IDA klar auf der Vorderseite eines breiten Höhentroges, der von Kanada bis Florida reicht. Trogvorderseiten produzieren Hebung (aufsteigende Luftmassen). Zum Vergleich: Am Sonntag – vor Landfall – hatte IDA noch einen hochreichend warmen Kern (siehe Phasendiagramm oben), mit starker Isobarendrängung am Boden, aber hoher Schichtdicke in der Höhe (Höhenhoch und Bodentief). Schon aus diesen beiden Karten ist ersichtlich, dass zum Zeitpunkt der Starkniederschläge über New York bereits eine Umwandlung in ein außertropisches Tief stattfand.

Radarreflektivität im Großraum New York am 01.09.21, 08 Uhr pm CDT (= 02.09.21, 04 MESZ) Quelle: weather.us

Das Radarbild zeigt ein linienhaftes kräftiges Niederschlagsecho von Nord nach Süd über New York. Die Linienstruktur deutet auf Starkwind hin (beobachtet), die kräftigen Echos auf hohe Regensummen.

Obergrenzen der Gewitterwolken um 07.50 pm CDT (03:50 MESZ) – Quelle

Die Wolkenobergrenzen lagen kurzzeitig bei 50 000 Fuß (FL500, 15,2km) – ein extremer Wert! In Mitteleuropa erreichen die Obergrenzen bei hochsommerlichen Gewitterlagen um FL420, sonst liegen sie meist bei FL300 bis FL350 – das deutet auf enorme Vertikalgeschwindigkeiten hin.

Einfluss des Klimawandels

Am Tag vor dem Starkregenereignis lagen die Meeroberflächenwassertemperaturen um 2-3°C höher als im Durchschnitt – durchaus konsistent mit der westdeutschen Flutkatastrophe, wo das Mittelmeer ebenfalls 2-3°C zu warm war. Da während dem Starkregen in New York Südostwinde wehten, die feuchtwarme Luft vom Meer her advehierten, konnte die höhere absolute Feuchte auch „verarbeitet“ werden.

Diese merkliche Zunahme an absolutem Wassergehalt in der Atmosphäre führt immer wieder Rekordmengen weltweit.

Anomalie der Oberflächenwassertemperatur am 1. September 2021 (Quelle)

Zusammenfassung:

Hurrikan IDA hat sich über dem Festland der USA zu einem Tropensturm abgeschwächt. Als er entlang der Ostküste der USA nordostwärts zog, geriet er auf die Vorderseite eines moderat ausgeprägten Höhentrogs. Dadurch wurde die Umwandlung in ein außertropisches Tiefdruckgebiet („Extratropical Transition“) in Gang gesetzt.

Shapiro-Keyser-Zyklone IDA (Entwicklungsstadium III)

Der sehr breite Warmfront/Okklusionskopf sorgte für flächig Starkregen an der Nordseite des Bodentiefs. Die Kaltfront zog in mehreren Staffeln mit linienhaft angeordneten Gewittern durch. Insgesamt ähnelt diese Frontkonfiguration jener einer Shapiro-Keyser-Zyklone, welche typisch für Tiefdruckgebiete ist, die aus ehemaligen Tropenstürmen hervorgehen, z.B. LESLIE am 13. Oktober 2018 vor der Küste Portugals (meine Fallstudie). Für eine Kaltfrontpassage sprechen der linienartig angeordnete Druckanstieg nach Durchgang der Gewitterlinien, der markante Rückgang der relativen Feuchte (Taupunktsgefälle), der Rückgang der Lufttemperatur und auch die deutlich trockenere Luft in der oberen Atmosphäre, die frontrückseitig herangeführt wurde.

Im Phasendiagramm fand die Umwandlung ebenfalls vor dem 2. September statt, mit Übergang von einem hochreichend warmen Kern zu einem hochreichend kalten Kern.

Zu den niederschlagsverstärkenden Faktoren zählt ganz sicher das ungewöhnlich warme Atlantikoberflächenwasser. Mit dem starken Südostwind fand hier ein effektiver Feuchtefluss statt. Die bodennahen Taupunkte lagen präfrontal verbreitet über 22°C. Die Mischungsverhältnisse mit 18 g/kg nochmal deutlich über jenen vom 14. Juli 2021 in Westdeutschland (um 12 g/kg). Die trockene Höhenluft vom kanadischen Festland überlagerte die feuchtwarme Bodenschicht und erzeugte hohe potentielle Instabilität. Mit der Trogvorderseite und der frontogenetischen Querzirkulation an der Kaltfront wurde die Luft massiv gehoben. Das Resultat waren extrem hochreichende Gewitterwolken bis 15200m Höhe. Das erklärt die Rekordmengen in New York City von 80 Litern pro Quadratmeter in nur einer Stunde.

Pressetechnisch korrekt ausgedrückt hätte es heißen müssen:

„Der ehemalige Tropensturm IDA überquerte als kräftiges Tiefdruckgebiet New York City. Mit der Kaltfront zogen Gewitterlinien durch. Dabei kam es zu unwetterartigem Starkregen und teils schweren Sturmböen.“

Gleichwohl hier ein Tagesrekord aufgestellt wurde, würde es mich nicht wundern, wenn die hochaufgelösten Wettermodelle das Potential für Starkregen gezeigt haben. Doch selbst bei korrekten Prognosen – wie soll man eine Millionenstadt dieser Größe auf verhältnismäßig kleinräumige Extremniederschläge adäquat vorbereiten?

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