Weltenwetter

Kalte Winter und El Nino

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Der kalte Winter 2009/10 wird häufig als ein Indiz dafür wahrgenommen, daß die globale Erwärmung zu Ende geht.

Trotz fortdauernder Treibhausgasemissionen (CO2, CH4) werde es seit einigen Jahren wieder kälter (zumindest aber nicht mehr wärmer), so wird immer wieder behauptet, und der letzte Rekordwinter sei der vorläufige Höhepunkt dieser Entwicklung. Als Ursache wird die tatsächlich bemerkenswert geringe Sonnenaktivität der letzten Jahre genannt. Wenn es so weitergehe, dann drohe der Menschheit vielleicht sogar eine ungemütliche Kälteperiode.

Temperaturanomalien 

Betrachtet man allerdings die globalen Temperaturen während des letzten kalten Winters 2009/10 (auf der Nordhalbkugel), so ergibt sich ein überraschendes Bild.

Auf der Internetseite des Goddard Institute for Space Studies der NASA kann der Besucher ganz leicht aus den dort vorliegenden GISS-Daten eine Karte der globalen Temperaturanomalien oder -trends selbst erstellen. Dabei kann er zu vergleichende Zeiträume und die Auflösung der Karte frei wählen.

Vergleicht man die Wintermonate Dezember, Januar und Februar 2009/2010 mit der klimatischen Referenzperiode 1961-1990, so fällt auf, daß es in den meisten Regionen positive (!) Temperaturanomalien gab, und das trotz der schwachen Sonne! Auffällig sind aber Kälteinseln auf der Nordhalbkugel in Nordamerika, Asien und Westeuropa, genau dort wo es den langanhaltenden, kalten und schneereichen Winter ja auch tatsächlich gab.

Bei einem Vergleich mit der Karte der Temperaturanomalien für den ausgesprochen milden Winter 2007/08 sieht man dann auch deutliche Unterschiede:

In Westeuropa, Asien, Afrika und dem Pazifik sind die Temperaturanomalien beinahe spiegelverkehrt zum letzten Winter.

Ein ähnliches Bild erhält man auch dann, wenn über einen längeren Zeitrum von 1991-2008 gemittelt wird. Der milde Winter 2007/2008 war also kein zufälliger positiver Ausreisser, sondern eher typisch für diese Jahre:

Umso bemerkenswerter die Wintermonate 2009/10. Auch global gesehen, war es da vergleichsweise kühl. Trotzdem war es aber eben doch noch überdurchschnittlich warm, wenn man die klimatische Referenzperiode 1961-1990 als Maßstab anlegt. Die schwache Sonne hat die Erwärmung zwar abschwächen, aber nicht verhindern können!

ENSO und NAO

Einen interessanten Erklärungsansatz für den kalten Winter ergaben die Untersuchungen von Prof. Brönnimann (ETH Zürich) über die meteorologischen Fernwirkungen von El Nino und la Nina (El Nino Southern Oscillation ENSO), einer Druckschaukel über dem tropischen Pazifik auf den europäischen Raum. Dabei befasste er sich u.a. mit einer spektakulären Folge von Extremwintern in den Jahren 1940-1942. Diese Kältewinter hatten bekanntlich historische Auswirkungen, denn sie trugen entscheidend zum Scheitern des Rußlandfeldzuges der deutschen Wehrmacht im 2.Weltkrieg bei. So brachte der extreme Kälteeinbruch im Winter 1941/42 die deutsche Offensive erstmals zum Stillstand, kurz vor Moskau. Die unzureichend ausgerüsteten Wehrmachtssoldaten erfroren zu Zehntausenden.

El Nino Southern Oscillation (ENSO)

La Nina-Phase: Sehr starke Passatwinde treiben das warme pazifische Oberflächenwasser westwärts, wodurch an den Westküsten Nord- und Südamerikas kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser hervorquillt und der Pazifik in weiten Bereichen kühler wird.

El Nino-Phase: Sinkt der Druckgradient zwischen Subtropenhochs und dem äquatorialen Wärmetief der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) im Westpazifik, so werden die Passate schwächer. Dann strömt das im Westpazifik aufgestaute warme Oberflächenwasser nach Osten zurück, wodurch die Wasseroberfläche des Pazifik grossflächig wärmer wird (El Nino). Quelle: http://www.soest.hawaii.edu/MET/Enso/

Brönnimann fand eine sehr plausible Erklärung für diese außergewöhnlich kalten Winter über einen Zusammenhang zwischen ENSO (El Nino Southern Oscillation) und NAO (North Atlantic Oscillation); vgl. Nature 431, 21.Oktober 2004.

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO): In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (positiver Index, NAO +) verstärken ein kräftiges Islandtief und Azorenhoch den Jetstream, so daß dieser nur wenig mäandert. Es entstehen viele Sturmtiefs, die mit der westlichen Luftströmung (Westwindzone, Westdrift) Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen (zonale Luftzirkulation). Die Winter sind milde. Nur wenige Sturmtiefs erreichen den Mittelmeerraum, wo es daher überwiegend trocken bleibt. Kalte Winter in Ostkanada und Grönland. Aus dem  Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels wehen kräftige Nordostpassate, die an der westafrikanischen Küste eine ablandige Meeresströmung erzeugen. Durch hervorquellendes kaltes Tiefenwasser sinken die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik, so daß weniger latente Wärme für die Bildung tropischer Wirbelstürme zur Verfügung steht. Der starke, nur schwach mäandernde Jetstream schliesst die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so daß nur selten  Kaltluftvorstöße in den Süden vorkommen.

In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (negativer Index, NAO -) verhält sich alles genau umgekehrt: Schwaches Islandtief und Azorenhoch; ein geschwächter, deutlich stärker mäandernder Jetstream und nur wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei entstehenden blockierenden Hochs (Hochdruckblockade) werden immer wieder Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort ist es nun deutlich feuchter, während es in West- und Mitteleuropa überwiegend trocken bleibt. Vermehrte Kaltluftausbrüche im Winter infolge des stärker mäandernden Jetstreams (meridionale Zirkulation). Kalte Winter in Europa, dagegen milde Winter in Ostkanada und Grönland durch Warmluftvorstösse nach Norden. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen auch die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Quelle: http://airmap.unh.edu/

Ein ausgeprägtes El Nino Ereignis mit deutlich erhöhten Wassertemperaturen im äquatorialen Pazifik sorgte über eine gesteigerte Wasserverdunstung (vermehrte Zufuhr latenter Wärme) für eine Intensivierung der konvektive Prozesse der tropischen Hadley-Zirkulation.

Die latente Wärme wird bei der Wolkenbildung als Kondensationswärme freigesetzt und durch die intensivierte Hadley-Zirkulation in der oberen Troposphäre vermehrt polwärts transportiert. Ein erhöhter meridionaler Wärmetransport bewirkt eine deutlich äquatornähere Frontalzone (Polarfront) mit einem ebenfalls deutlich stärkeren Temperatur- und Druckgradienten. Das bedeutet einen verstärkten Antrieb für den Jetstream, aus dessen turbulenter Strömung die außertropischen Tiefdruckwirbel hervorgehen. Es bildet sich ein deutlich ausgeprägteres Aleutentief, welches wiederum vermehrt feuchtwarme Meeresluft in das nordwestliche und arktische Amerika befördert. Das schwächt den ansonsten im Winter starken Temperaturgegensatz zwischen Festland (Nordamerika, Kanada) und nordwestlichem Atlantik deutlich ab. Das Aufeinandertreffen von kontinentaler Kaltluft und der vom Golfstrom angewärmten Meeresluft ist aber für den Aufbau der nordatlantischen Frontalzone (Polarfront) ganz entscheidend, so daß sich über dem Nordatlantik weniger und schwächere Tiefdruckwirbel bilden, wovon auch das Island-Tief betroffen ist.

Die Nordatlantische Oszillation (NAO), eine Druckschaukel über dem Nordatlantik, kippt in die negative Phase, was gleichbedeutend ist mit einer ausgeprägt meridionalen Zirkulation. Blockierende Hochdruckgebiete über Europa zwingen die nordatlantischen Tiefdruckwirbel auf deutlich südlichere Zugbahnen. Sie erreichen nun den Mittelmeerraum oder sogar Nordafrika. In den ausgedehnten nahezu wolkenfreien Hochdruckzonen kühlt die Luft immer weiter ab. Das meridionale Zirkulationsmuster begünstigt Vorstösse polarer Kaltluft aus nördlichen und östlichen Richtungen bis weit in den Süden. Im Gegenzug gelangt aber auch (sub)tropische Warmluft hoch in den Norden. Aus diesem Grund wechseln kalte und warme Zonen entlang der Breitengrade einander ab.

Die ausgeprägt meridionale Zirkulation betrifft aber nicht nur den troposphärischen Jetstream, sondern beeinflusst auch den darüber befindlichen stratosphärischen Jetstream. Infolgedessen schwächt sich der Polarwirbel deutlich, was wiederum die meridionale Zirkulation (negative Phase der Nordatlantischen Oszillation NAO – ) verstärkt und verstetigt („Gedächtnis der Stratosphäre“). Deshalb ist der Winter nicht nur kalt sondern auch langandauernd.

Schauen wir nun noch auf die Karte der Temperaturanomalien für die Extremwinter 1940-1942 und vergleichen noch einmal mit dem letzten Winter 2009/2010:

Globale Temperaturanomalien während der Extremwinter von 1940-42 (links) und während des ebenfalls recht kalten Winters 2009/10 (rechts).

Beide Muster ähnelt einander schon bemerkenswert, wenn man bedenkt, daß es sich bei der Atmosphäre und ihrem Wetter um ein ausgesprochen chaotisches System handelt.

Sowohl in den Wintern 1940-1942 als auch im Winter 2009/10 gab es deutliche „Kälteinseln“ über Europa und Asien, deren Fläche allerdings 1940-42 noch größer war. So gehörte damals das gesamte komplette China und Japan dazu und auch Osteuropa, wo es im letzten Winter dagegen überdurchschnittlich warm war.

In beiden Fällen gab es ein womöglich auslösendes El Nino – Ereignis.

Bleibt dann noch die Frage, warum nicht auf  jedes El Nino ein kalter Winter mit negativem NAO-Index folgte.

Brönnimann erklärt dies mit vorangehenden Vulkanausbrüchen, deren Auswirkungen den Effekt von EL Nino auf  die Nordatlantische Oszillation (NAO) maskierten:

Bei Vulkanausbrüchen gelangen nämlich winzige Ascheteilchen bis in die Stratosphäre, wo sie das Sonnenlicht absorbieren. Dadurch erwärmen sich die im Winter sonnenbeschienene Bereiche der Stratosphäre, wodurch der im Winter ausgeprägte stratosphärische Temperaturgradient zwischen dunkler Polarregion (Polarnacht) und den hellen mittleren Breiten zunimmt. Das verstärkt den stratosphärischen Jet und den Polarwirbel, welche ihrerseits verstärkend auf den troposphärischen Jetstream wirken. Die Folge ist eine eher zonale Zirkulation mit verstärkter Bildung von ostwärts ziehenden Tiefdruckwirbeln, die milde und feuchte Luft nach Europa bringen. Die Nordatlantische Oszillation (NAO) verharrt (überwiegend im positiven Modus und verstetigt den milden Winter in Europa.

Fazit

Es spricht also sehr viel dafür, daß der langanhaltend kalte Winter 2009/10, ebenso wie die extremen Winter von 1940-42, auf ein El Nino -Ereignis zurückgehen.

Das muss aber nicht heissen, daß die Sonne aus vollkommen aus dem Spiel ist, denn es gibt Hinweise dafür, daß ENSO von der Sonnenaktivität beeinflusst wird (Science Daily und Malberg). Eine geringere Sonnenaktivität könnte über eine abgeschwächte Hadley-Zirkulation die Passatwinde abflauen lassen, was dann wiederum einen El Nino auslöst.

Bemerkenswert bleibt aber die trotz der noch andauernden Schwächeperiode der Sonnenaktivität nach wie vor, global gesehen, positive  Temperaturanomalie. Man vergesse auch nicht, daß bei allen Ähnlichkeiten der kalte Winter 2009/10 verglichen mit den Extremwintern 1940-42 ausgesprochen moderat war. Außerhalb der Kälteinseln des Winters 2009/10 auf der Nordhalbkugel gab es andernorts sogar vereinzelt neue Wärmerekorde.  Für all das kann eigentlich nur die fortdauernde Zunahme der Treibhausgase (CO2, CH4) verantwortlich sein.

Jens Christian Heuer

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Written by jenschristianheuer

April 15, 2010 um 8:11 pm

Veröffentlicht in Klimaforschung, Klimawandel

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