Ein Hoch auf die Stratosphäre

Stratosphärische Zirkulationen wie die Quasi-Biennale Oszillation
könnten mehr Einfluss auf unser Wetter haben, als bisher vermutet.
Dazu gibt es neue wissenschaftliche Erkenntnisse.

Die quasi-zweijährige Schwingung oder auch Quasi-biennale Oszillation
(QBO) ist eine periodische Umkehr des zonalen Windes (Windkomponente
in West-Ost-Richtung oder umgekehrt, also entsprechend West- oder
Ostwinde) in der äquatorialen Stratosphäre der Erde. Sie tritt in
einer Höhe von rund 16 bis 40 Kilometern mit einem Maximum bei circa
20 bis 25 Kilometern Höhe auf. Die Periode schwankt dabei seit Beginn
der Beobachtungen im Jahr 1953 zwischen 22 und 34 Monaten, wobei die
mittlere Periode 27 Monate beträgt.

In einer aktuellen wissenschaftlichen Studie (veröffentlicht am
18.05.2020, für fachlich Interessierte hier im Originaltext zu lesen:
https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-020-05285-4) werden
u.a. Zusammenhänge der QBO mit troposphärischen Strömungsmustern im
europäisch-atlantischen und pazifischen Raum aufgezeigt.

Hierfür wurden Datensätze und Radiosondenbeobachtungen von zonalen
Winden in einem Zeitraum von 1958 bis 2016 untersucht. Ziel dabei
war, den Einfluss der QBO auf die Ausdehnung von stratosphärischen
Anomalien des so genannten Northern Hemispheric Annular Mode (NAM)
bis in die Troposphäre in seiner positiven und negativen Phase zu
analysieren. Die NAM oder auch Arktische Oszillation (AO) entsteht
durch ausreichend große Temperaturdifferenzen zwischen den sehr
kalten Polarregionen und den eher gemäßigten mittleren Breiten. Die
NAM ist eng an die Nordatlantische Oszillation (NAO) gekoppelt,
welche ihrerseits die europäisch-atlantische Komponente dieser
übergeordneten Nordhemisphärischen Zirkulation genauer beschreibt.
Die NAO sowie die AO werden deshalb oft für den nordhemisphärischen
Winter definiert, wo sie die größte Persistenz und Amplitude der
Anomalie aufweisen (siehe auch hier:
https://www.dwd.de/DE/service/lexikon, Stichwort NAO / NAO-Index).

Während der positiven Anomalie-Phase des NAO-Index herrscht über den
höheren Breiten relativ tiefer Luftdruck einerseits und relativ hoher
Luftdruck über dem zentralen Nordatlantik, dem östlichen Nordamerika
und Westeuropa andererseits. In der negativen Phase stellen sich
gegenteilige Anomalien über den jeweiligen Regionen ein.

Die Ergebnisse der Studie zeigen nunmehr, dass die durchschnittliche
Anzahl negativer NAM bzw. NAO-Anomalien während der Ostwindphase der
QBO (East QBO oder kurz EQBO) deutlich höher ist als die während des
Westwindphase der QBO (WQBO), was eng mit der Ausdehnung der
stratosphärischen NAM-Signale bis in die Troposphäre zusammenhängt.
Das führt während der EQBO zu einer Abkühlung über Eurasien und
Nordamerika. Der Einfluss der WQBO auf NAM-Anomalien ist in etwa dem
der EQBO entgegengesetzt.

Die erhöhte Häufigkeit negativer NAM-Signale während der EQBO wird
hauptsächlich durch folgende Faktoren verursacht. Erstens erzwingt
die EQBO einen anomalen, polwärts gerichteten Transport von
Luftmassen in der mittleren und unteren Stratosphäre sowie eine
anomale Absinkbewegung und damit verbundene Erwärmung in der polaren
Stratosphäre. Zweitens sind die von der Troposphäre in die
Stratosphäre eintretenden, nach oben gerichteten Wellenflüsse (und
Wellenausbreitung als Ergebnis so genannter Impuls- und Wärmeflüsse)
unter der EQBO größer. Das führt zu Ostwind-Anomalien in der polaren
Stratosphäre und die Ausdehnung negativer NAM-Signale bis in die
Troposphäre zurück. Schließlich erzwingen anomale, polwärts
gerichtete Wellenflüsse unterhalb des Druckniveaus von 100 hPa (etwa
in 16 km Höhe) ebenso die Entwicklung negativer NAM-Signale in der
unteren Stratosphäre und Troposphäre.

Die EQBO-induzierten Anomalien der troposphärischen Zirkulation
können zu positiven Anomalien des Luftdrucks (relativ hoher
Luftdruck) über dem subtropischen Atlantik führen. Das wiederum führt
zu einem anomalen Wellenzug, der subpolare positive
Luftdruckanomalien über dem europäisch-atlantischen Sektor forciert.
Die pazifischen, EQBO-induzierten positiven Luftdruckanomalien in der
tropischen Troposphäre können dagegen anomale polwärts gerichtete
Wellenflüsse stimulieren, die negative Luftdruckanomalien (relativ
tiefer Luftdruck) in mittleren bis hohen Breiten erzwingen, wodurch
eine sinusförmige Welle (auch Planetare oder Rossby-Welle genannt)
rund um die Nordhemisphäre mit abwechselnd hohem und tiefem Luftdruck
verstärkt wird.
Die Mechanismen, unter denen die WQBO die Verstärkung von Planetaren
Wellen beeinflusst, ähneln denen, die für die EQBO diagnostiziert
wurden, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Die Ergebnisse der Studie gelten im Wesentlichen für den
nordhemisphärischen Winter (Datenanalyse von November bis
einschließlich März). In der Fachliteratur gibt es jedoch auch
Hinweise auf vergleichbare Einflüsse der QBO im nordhemisphärischen
Frühjahr.

Diese Einflüsse könnten etwas gemein haben mit der derzeit relativ
persistenten Großwetterlage im europäisch-atlantischen Raum, also der
ab Ende März 2020 bis dato geltenden Tendenz zur Verstärkung von
positiven Luftdruckanomalien über den subpolaren Breiten, hier
speziell im Nordatlantik (mit teils deutlich negativem NAO-Index,
siehe auch aktuell: https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao_index.ht
ml).

Dieser Umstand allein sollte als Motivation für vertiefende Studien
zur Untersuchung von möglichen Korrelationen troposphärischer
Zirkulationsmuster mit der entsprechenden QBO-Phase dienen (auch
jahreszeitlich differenziert). Diesem Ansinnen hat der weiter oben
zitierte Artikel erheblichen Vorschub geleistet.

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 26.05.2020

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