Squall-Linien-Tornados sind heimtückisch, gefährlich und schwer vorherzusagen.

Meteorologin Thea Sandmael beobachtete, wie sich der Sturm näherte. Es war nahe genug, um eine rotierende Wolkenkuppel zu entdecken, die aus seinem dunklen Bauch auftauchte - das Anzeichen eines Tornados. Als sich die rotierende Masse 10 Minuten entfernt befand, hatten Sandmael und ihre Kollegen ihre Radargeräte abgeschaltet und ihren Posten evakuiert.

"Einfach weiterfahren", empfahl sie ihrem Kollegen am Steuer, der sich zu Recht darauf konzentrierte, den Geländewagen auf der abgelegenen Straße in Alabama zu lenken. Hinter ihnen fuhr ein weiterer Kollege in einem Lastwagen, der ihr sperriges Radargerät transportierte. Die Evakuierung war eine gute Entscheidung, überlegt sie: "Wir saßen auf der Westseite der Straße, und der Tornado kam genau an unserer Stelle runter."

Dies war nicht nur ein weiterer Tag, an dem Sandmael, vom Kooperativen Institut für Schwere und Auswirkungsreiche Wetterforschung und -operationen, oder CIWRO in Norman, Okla. (SN: 7/19/24), Tornados jagte. An diesem Tag waren sie und ihre Crew auf der Suche nach etwas Ungewöhnlichem: einem hinterlistigen Typ Tornado namens Squall Line Tornado.

Die meisten Tornados bilden sich in isolierten Stürmen, die Superzellen genannt werden (SN: 12/14/18). Diese Tornados sind die häufigsten, zerstörerischsten und am meisten untersuchte Klasse von Twisters. Squall Line Tornados hingegen entstehen entlang der Fronten langer Reihen von Stürmen, die als quasi-lineare konvektive Systeme bekannt sind, manchmal als QLCS oder Squall Lines bezeichnet. Sie sind im Allgemeinen weniger intensiv als Superzellen-Tornados, sagt die Atmosphärenwissenschaftlerin Karen Kosiba von der University of Illinois Urbana-Champaign. Aber, sagt sie, "das bedeutet nicht, dass sie nicht gefährlich sind."

Squall Line Tornados haben eine Tendenz zu überraschen. Sie sind flüchtig und entgehen oft der Erkennung, indem sie sich in den Zwischenzeiten zwischen den Scans der meisten Radarsysteme bilden und sterben. Sie sind auch schwer vorhersehbar, manifestieren sich plötzlich entlang von Sturmlinien, die Hunderte von Kilometern lang werden können. Und im Vergleich zu Superzellen-Tornados treten Squall Line Twisters häufiger in der kühlen Jahreszeit und in den dunklen Stunden der Nacht auf, wenn Tornados weniger erwartet werden (SN: 12/16/21).

Darüber hinaus sind Squall Line Tornados überproportional häufiger im Südosten der Vereinigten Staaten, einer Region, die besonders anfällig für Wirbelstürme ist. In den letzten 70 Jahren hat sich das Zentrum der tornadischen Aktivität des Landes - sowohl Superzellen als auch Squall Line - von den Great Plains in den Südosten verlagert (SN: 10/18/18). Die Region hat nicht nur eine dichtere Bevölkerung als die Great Plains, sondern sie enthält auch eine höhere Konzentration von leicht umstürzbaren mobilen und hergestellten Häusern.

In der neuen Tornado-Hochburg des Landes muss ein Squall Line Tornado nicht von großer Intensität sein, um eine ernsthafte Gefahr darzustellen. Um dieses Risiko zu verringern, haben Sandmael, Kosiba und Dutzende anderer Forscher sich für die Feldkampagne Propagation, Evolution and Rotation in Linear Storms — oder PERiLS — zusammengeschlossen. Während der späten Winter- und Frühjahrssaison 2022 und 2023 haben Teams im gesamten Südosten eine beispiellose Menge an Daten gesammelt.

Ihre Arbeit hat bereits aufgedeckt, dass Squall Line Tornados möglicherweise häufiger und gefährlicher sind als bisher angenommen. Glücklicherweise haben die Forscher möglicherweise auch Hinweise gefunden, die dazu beitragen könnten, diese Twisters etwas weniger überraschend zu machen.

Um einen Tornado zu erzeugen, sind bestimmte atmosphärische Zutaten erforderlich: eine Rotationsquelle, einen Hebemechanismus, um das Aufsteigen der Luft auszulösen, und etwas, um das Aufsteigen aufrechtzuerhalten.

Beginnen Sie zum Beispiel mit einer sich vorwärts bewegenden Kaltfront, die von unten heraufdrängt, um die Luft davor zu heben. Dies löst die Bildung eines Aufwindes aus. Um fortzudauern, benötigt dieser Aufwind, dass die Luft in Bodennähe eine gewisse Auftriebskraft hat, oder was Meteorologen Instabilität nennen. Und die geheime Zutat, die die Dinge ins Rollen bringt? Das ist der vertikale Windscher, oder eine Änderung der Geschwindigkeit der Winde mit zunehmender Höhe. Denken Sie an ein aufrechtes Paddelrad; wenn höhere Winde schneller sind und stärker auf die oberen Paddel drücken, dreht sich das Rad.

Neueste Beobachtungen deuten darauf hin, dass diese Zutaten auf unterschiedliche Weise gemischt werden können, um Tornados in Sturmlinien zu erzeugen, sagt NOAA-Atmosphärenwissenschaftler Anthony Lyza, der am CIWRO arbeitet. Nehmen Sie Instabilität, die oft als konvektiv verfügbare potenzielle Energie (CAPE) gemessen wird. CAPE wird manchmal als die Menge an Treibstoff beschrieben, die einem wachsenden Sturm zur Verfügung steht.

Nach Angaben der NOAA sind CAPE-Werte von 1.000 Joule pro Kilogramm normalerweise hoch genug, um starke Stürme anzutreiben. Aber "viele dieser Sturmlinien treten tatsächlich in einer Umgebung mit niedrigem CAPE, hohen [Wind]-Scherungen auf", sagt die Atmosphärenwissenschaftlerin Alexandra Anderson-Frey von der University of Washington in Seattle.

Zum Beispiel haben PERiLS-Forscher im März 2022 CAPE von nur etwa 500 Joule pro Kilogramm in einer Gewitterlinie über Mississippi und Alabama gemessen, die Dutzende von Tornados hervorgebracht hat. Und Lyza sagt, er habe Squall-Linientornados mit unterstützenden CAPE-Werten von nur 100 Joule pro Kilogramm gesehen. Diese niedrigen CAPE-Einstellungen zeigen Umgebungen auf, die in Bezug auf ihre Fähigkeit, Squall-Linien-Twister zu bilden, unteruntersucht wurden, sagt Anderson-Frey. Gleichzeitig hat neue Technologie mehr Squall-Linien-Tornados aufgedeckt. Im Gegensatz zur älteren Doppler-Radar-Technologie, die nur in horizontaler Dimension scannt, scannen neuere Dual-Polarisations-Radarinstrumente sowohl die vertikale als auch die horizontale Dimension. In den letzten zehn Jahren hat die Verbreitung der neueren Technologie die Erkennung von Squall-Linien-Tornados erhöht, sagt Lyza.

All dies, um zu sagen, dass Squall-Linien-Tornados anscheinend häufiger vorkommen als Forscher früher dachten. Vielleicht ist es daher weniger überraschend, dass sie möglicherweise auch gefährlicher sind als bisher angenommen.

An einem ruhigen Nachmittag im März 2022 tauchte Lyza auf einem ländlichen Gehöft im Noxubee County, Miss., auf. Einen Tag zuvor war ein Squall-Linientornado durch die Gegend gefegt, und Lyza war angekommen, um bei der Bewertung des Schadens für PERiLS zu helfen.

Etwas an der Szene schien ihm seltsam. Das Betriebsradar hatte nicht darauf hingedeutet, dass der Tornado besonders intensiv gewesen war. Aber Lyza beobachtete erhebliche Schäden an einem Haus auf dem Grundstück.

"Ein guter Teil des Dachbelags war weggeblasen, und eine komplette Außenwand des Hauses war herausgerissen worden," sagt Lyza. In der Nähe ruhten die Überreste eines Maschinenschuppens, der herausgerissen und auseinandergerissen worden war. Der Schuppen war mit 1,5 Meter langen Betonpfeilern im Boden verankert gewesen, erinnert sich Lyza.

"Wir waren ziemlich schockiert," sagt er. "Wir sind nicht unbedingt nach Noxubee County gegangen, um starke Tornadoschäden dort zu finden."

Die umfangreichen Schäden waren nicht die einzige Überraschung: "Wir bemerkten, dass der Tornado aus dem Südwesten in das Grundstück eindrang", sagt Lyza. Aber eine Spur beschädigter Bäume schien zu suggerieren, dass der Twister dann ostwärts für ein paar hundert Meter abbog, bevor er nach Nordosten abwich.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich ein Tornado dreht, aber bei hohen Geschwindigkeiten werden ihre Kurven breiter, genau wie Autos auf einer Autobahn. Dieser Tornado war mit etwa 100 Kilometer pro Stunde unterwegs, und dennoch schien sein Weg scharf abzubiegen.

Zum Glück war ein mobiles Radarfahrzeug nur vier Kilometer südlich eingesetzt worden. Seine Strahlen hatten den enigmatischen Tanz des Wirbelsturms erfasst, zusammen mit Hinweisen darauf, dass sein merkwürdiger Pfad von mehreren Wirbelstürmen geformt worden war: Tornados in einem Tornado.

"Das ist meines Wissens das Erste hier in Bezug auf einen [Squall-Linien-] Tornado," sagt Lyza.

Diese Subwirbel erschienen und verschwanden so schnell, dass ihre Entwicklung schwierig war, über die intermittierenden Radar-Scans zu verfolgen. "Bei einem einzigen Scan konnte ich glaube ich höchstens vier gleichzeitig sicher identifizieren", sagt Lyza. "Diese einzelnen Wirbel waren tatsächlich für die meisten Schäden verantwortlich, und der Haupttornado selbst war ziemlich schwach."

Forscher haben festgestellt, dass Squall-Linien-Tornados dazu neigen, breiter zu sein als Superzellen-Tornados; das könnte daran liegen, dass viele Haus-Subwirbel, spekuliert Lyza. Squall-Linien-Tornados neigen auch dazu, weniger effektiv als ähnlich intensive Superzell-Tornados darin zu sein, Trümmer in den Himmel zu schleudern. Das könnte daran liegen, dass diese Subwirbel so kurzlebig sind, dass "sie möglicherweise nicht die Gelegenheit haben, Trümmer so hoch zu heben", sagt Lyza.

Diese Subwirbel "erhöhen wahrscheinlich die maximale Intensität des Tornados", sagt Windingenieur Frank Lombardo von der University of Illinois Urbana-Champaign, der die Schäden auf dem Gelände zusammen mit Lyza bewertete. Die Windgeschwindigkeiten in einem Subwirbel können sich mit den Windgeschwindigkeiten des Haupttornados addieren, erklärt er.

Es ist schwer zu sagen, ob Subwirbel in Squall-Linien-Tornados aufgrund eines einzigen Falls häufig sind. Aber wenn sie das sind, "müssen wir unsere Tornado-Risikoberechnungen vielleicht überdenken", fügt Lombardo hinzu. "Wir haben ihre Intensität möglicherweise völlig unterschätzt."

Die Entdeckung, dass Squall-Linien-Tornados möglicherweise häufiger und heftiger sind als bisher angenommen, macht ihre Vorhersage noch dringlicher. Glücklicherweise haben der atmosphärische Wissenschaftler Todd Murphy von der University of Louisiana at Monroe und seine Kollegen von PERiLS möglicherweise einige dringend benötigte Hinweise gefunden.

Jahrzehntelang haben Forscher beobachtet, dass sich einige Squall-Linien beim Überqueren der Landschaft nach vorn wölbten, die Form eines Bogenschützen bildeten, und dass Tornados manchmal an der Spitze dieser Bögen entstehen. Später stellten Forscher fest, dass diese Tornados mit flachen, kleinräumigen Windwirbeln verbunden sind. Die Experten nannten sie Mesowirbel.

Wir können Squall-Linien gut vorhersagen - im Allgemeinen mit mehr Genauigkeit als andere Arten von Gewittern, sagt der Atmosphärenwissenschaftler Patrick Skinner von CIWRO. Aber die Vorhersage der eingebetteten Mesovortices ist sehr schwierig, sagt er. Darüber hinaus bilden nur einige Mesovortices Tornados, und die Forscher wissen nicht, warum das so ist.

Während der jüngsten PERiLS-Feldkampagne verwendeten Murphy und sein Team Lichtdetektion und -messung oder Lidar-Instrumente, um die Atmosphäre in den Stunden vor der Ankunft einer Squall-Linie zu überwachen. Diese Instrumente scannten den Himmel mit dünnen Laserstrahlen, die von Aerosolen reflektiert wurden, die als Windtracers fungierten.

"In der überwiegenden Mehrheit unserer Fälle zeigten die Lidar-Daten ziemlich abrupte Änderungen im Windprofil etwa 90 Minuten bevor die Squall-Linie den Standort erreichte," sagt Murphy. In verschiedenen Schichten der unteren Atmosphäre nahm der vertikale Windscher fest zu, was in der Squall-Linie mehr Rotation verursachte, erklärt er.

Und nicht nur der Windscher änderte sich dramatisch; alle PERiLS-Schlüsselzutaten für die Bildung von Tornados "können sich wirklich schnell innerhalb einer Stunde oder zwei vor der Ankunft einer Squall-Linie ändern", sagt Murphy.

Unter Verwendung von während PERiLS gesammelten Daten sowie 10 Jahren Radar-Daten, die vom National Weather Service gesammelt wurden, untersuchten Murphy und seine Kollegen, wie sich die Atmosphäre vor Mesovortices in Squall-Linien veränderte. Genauer gesagt analysierten sie die Windgeschwindigkeiten in verschiedenen Atmosphärenschichten vor Mesovortices, die Tornados bildeten und vor denen, die es nicht taten.

Vor tornadischen Mesovortices schien etwas mehr Windverwirbelung zu geben, sagt Murphy. Noch wichtiger war, dass es mehr Rotation gab, und dieses Merkmal war vor Squall-Linien, die mindestens fünf Wirbelstürme erzeugten, ausgeprägter.

Die Daten legen nahe, dass sich bestimmte Windstrukturen vor tornadischen Mesovortices aufstellen, sagt Murphy. Mesovortices bilden sich innerhalb von Aufwinden, die sich kontinuierlich entlang der gesamten Länge einer Squall-Linie bilden und auflösen. Wenn ein Aufwind auf Luft trifft und sich mit der nahe am Boden zirkulierenden Luft ausrichtet, kann der Aufwind die Zirkulation nach oben strecken und dazu bringen, dass sie schneller rotiert.

"Wir nennen es den Eiskunstlauf-Effekt", sagt Murphy und bezieht sich dabei auf das berühmte Beispiel eines Eislaufers, der sich schneller dreht, wenn beide Arme dicht am Körper gehalten werden. "Wenn Sie diese Rotation strecken", sagt er, "führt sie dazu, dass der Radius kleiner wird, aber die Rotation verstärkt sich."

Wenn Meteorologen die Bedingungen 60 bis 90 Minuten vor einer Squall-Linie überwachen und sich das Windprofil so entwickelt, sollten sie möglicherweise Warnungen herausgeben, sagt Murphy.

"Sobald es überprüft wurde", sagt er, "[dieses Signal] scheint ein klares betriebliches Zeichen zu sein, das der Wetterdienst wahrscheinlich verwenden kann."

Ein Großteil der während PERiLS gesammelten Daten wird noch analysiert, und in den kommenden Jahren könnten weitere handlungsrelevante Ergebnisse bekannt werden. Skinner arbeitet an NOAAs Warn-on-Forecast, einem Projekt zur Erhöhung der Vorlaufszeit für Vorhersagen von Tornados und anderen schweren Wetterereignissen (SN: 4/17/15). Er analysiert die PERiLS-Daten, um festzustellen, wie hoch die Auflösung der aktuellen Wetter-Simulationen sein muss, um Mesovortices in Squall-Linien genau darzustellen.

Es werden erhebliche Verbesserungen in unseren Wetter-Simulationen erforderlich sein, um tornadische Mesovortices so gut vorherzusagen, wie wir es bei Superzellen-Tornados können, sagt Murphy. Aber letztendlich, sagt er, "Ich denke, wir werden dorthin gelangen."