Extremwetter durch planetare Wellen?

Was haben die Oderflut 1997, die Elbeflut 2002, der Jahrhundertsommer 2003 und die russische Rekordhitze 2010 gemeinsam?

Antwort: jedes Mal haben sich die planetaren Wellen ungewöhnlich hoch aufgeschaukelt. Das zeigen wir in einem Paper, das im Februar in den Proceedings of the National Academy of Sciences erschienen ist. Diese planetaren Wellen zeigen sich zum Beispiel als Meander im Jetstream, der die Nordhalbkugel in mittleren Breiten in rund 7–12 km Höhe umkreist. Hier eine Animation vom NASA Goddard Space Flight Center:

Die folgende Grafik der Nord-Süd-Geschwindigkeiten in der Atmosphäre illustriert Phasen starker und schwacher planetarischer Wellen.

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Beobachtete Windgeschwindigkeit in ca. 9 km Höhe in Nord-Süd-Richtung. Das Bild zeigt einen Breitengradgürtel, nahe der Mitte ist Europa. Rote Bereiche zeigen nordwärtige Winde, blaue südwärtige. (In der Nähe der Oberfläche sehen die Muster ähnlich aus.)

Das obere Panel zeigt eine „normale“ Situation: recht schwache, unregelmäßige Wellen. das untere Panel zeigt den extremen Juli 2011 mit Rekordhitze in den USA: man sieht starke, regelmäßige Wellen. (Weitere Beispiele sind in unserem Paper abgebildet.) Dabei ist nicht nur die Amplitude der Wellen besonders groß, sondern die Wellen bleiben über längere Zeit nahezu ortsfest stehen. Dadurch kann dieselbe Wetterlage wochenlang anhalten – je nach Position der Welle kann das sonniges, heißes Wetter oder Regenwetter sein. Hitzewelle oder Hochwasser.

Wie war die Lage in den letzten Wochen? Ein großes Tiefdruckgebiet saß wochenlang an derselben Stelle und brachte Österreich, Tschechien und Süddeutschland Dauerregen. Die planetare Wellengrafik dazu sieht so aus:

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Grafik wie oben, aber für den Zeitraum 20. – 31. Mai 2013.

Man sieht wieder ein starkes Wellenmuster.

Unser Paper beschreibt den Mechanismus, wie es zum Aufschaukeln und Stillstand der Wellen kommt. Wellen oder Schwingungen gibt es immer, wenn man etwas aus einer Ruhelage auslenkt und eine Rückstellkraft dieses „Etwas“ wieder zur Ruhelage zurücktreibt, wo es aber über die Ruhelage hinaus schießt. Beispiel Pendel – die Rückstellkraft ist hier die Gravitation. Bei den von uns betrachteten Rossby-Wellen in der Atmosphäre findet die Auslenkung in Nord-Süd-Richtung statt und die Rückstellkraft entsteht dadurch, dass die Corioliskraft auf der rotierenden Erdkugel vom Breitengrad abhängt. Tim Palmer von der Oxford University erläutert das sehr schön in seinem Kommentar zu unserem Artikel in PNAS.

Aus den Gleichungen der Atmosphärendynamik kann man eine Wellengleichung herleiten, und für diese Wellengleichung gibt es Resonanzbedingungen. Wenn diese Resonanzbedingungen erfüllt sind können sich die Wellen aufschaukeln. Und wie wir durch eine Analyse der Wetterdaten seit 1980 zeigen, tun sie das auch. In diesem Datenzeitraum waren in fast allen Fällen von großer Wellenamplitude die Resonanzbedingungen erfüllt. Umgekehrt gab es nur wenige Situationen, in denen zwar Resonanzbedingungen herrschten, es aber trotzdem nicht zu hohen Wellenamplituden kam.

Hat das etwas mit der globalen Erwärmung zu tun?

Diese Frage können wir noch nicht mit Gewissheit beantworten. (Deshalb hatte ich im letzten Post hier geschrieben: „Hinzu kommen aber noch Veränderungen in der Häufigkeit oder Persistenz bestimmter Wetterlagen, die noch Gegenstand aktueller Forschung sind.“)

Es fällt zwar eine Häufung von solchen Resonanzereignissen in letzter Zeit auf – die Hälfte der Ereignisse im Untersuchungszeitraum 1980-2011 ist seit 2003 aufgetreten. Das könnte jedoch auch eine zufällige Häufung sein. Es gibt aber einige Hinweise darauf, dass sich die Resonanzbedingungen in den letzten Jahrzehnten verbessert haben (für die Wellen, nicht für uns), weil die Arktis sich stärker aufgeheizt hat als die Subtropen und daher das Temperaturgefälle zum Pol abgenommen hat. Möglicherweise ist das eine Erklärung für die Häufung von nie dagewesenen Extremereignissen im letzten Jahrzehnt. Palmer schreibt dazu in PNAS:

The implications of the article are clear: if the conditions that brought about resonance during 2003, 2010, and 2011 become more likely as a result of anthropogenic emissions of greenhouse gases, then Rossby wave resonance will be a key mechanism in accounting for future changes in extremes of weather.

Palmer weist auch auf das Paradoxon hin, das sich bei einer Wettersituation mit starken planetaren Wellen ergibt: in einer Region, wo die Luftmassen nordwärts strömen, ist es besonders warm – in der Nachbarregion eine halbe Welle weiter, mit südwärts gerichteter Luftströmung, dagegen besonders kalt. Der Laie wundert sich dort, wo denn die globale Erwärmung bleibt.

Derzeitige globale Klimamodelle können diesen Mechanismus der planetaren Wellen noch nicht richtig auflösen, weil die Gitter zu grob sind – was einfach an der begrenzten verfügbaren Computerkapazität liegt. Palmer schreibt dazu in PNAS:

This writer, for one, looks forward to the day when governments make the same investment in climate prediction as they have made in finding the Higgs boson. The Pethoukhov et al. study provides yet another reason why this investment is becoming more urgent.

 

Weblinks

Jeff Masters Wunderblog 9. Juni: Extreme Jet Stream Pattern Triggers Historic European Floods

Jeff Masters Wunderblog 3. Juli: Extreme Jet Stream Bringing U.S. Record Heat, Record Cold, and Flash Flooding

Focus Online: Analyse: Klimawandel unter Verdacht

The Conversation: Weather extremes: atmospheric waves and climate change

Inter Press Service: Killer Heat Waves and Floods Linked to Climate Change

Auch sehr lesenswert zur Flut: Viele Tropfen machen einen Fluss, von Scilogs-Kollegin Annelie Wendeberg

 

Fachliteratur

Coumou D, Rahmstorf S (2012) A decade of weather extremes. Nature Climate Change 2 (7):491-496. doi:10.1038/nclimate1452

Palmer TN (2013) Climate extremes and the role of dynamics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (14):5281-5282. doi:10.1073/pnas.1303295110

Petoukhov V, Rahmstorf S, Petri S, Schellnhuber HJ (2013) Quasiresonant amplification of planetary waves and recent Northern Hemisphere weather extremes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (14):5336-5341. doi:10.1073/pnas.1222000110

Rahmstorf, S & Coumou, D (2011) Increase of extreme events in a warming world. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 17905-17909, doi:10.1073/pnas.1101766108 .

 

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Stefan Rahmstorf ist Klimatologe und Abteilungsleiter am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und Professor für Physik der Ozeane an der Universität Potsdam. Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf Klimaänderungen in der Erdgeschichte und der Rolle der Ozeane im Klimageschehen.

15 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Interressanter Beitrag

    Sind diese Wellen auch für das Hochwasser in Deutschland zuständig? Könnt ja gut sein.
    Normalerweise interressiere ich mich ja nicht für diese Themen aber dieser Beitrag hat mich dazu verleitet ihn komplett durchzulesen. Supper interressanter und gut geschriebener Beitrag!

  2. Sonne und Mond

    Manchmal frage ich mich ob nicht der Stand von Sonne und Mond zueinander bzw. zur Erde auf das Wetter nicht mehr Einfluß hat als uns bewußt ist.

    Dass der Mond die Gezeiten bewirkt ist ja bekannt.
    Ich nehme an der Mond muß wohl auf die Luftströmung eine ähnliche Wirkung haben als auf das Wasser und damit bis zu einem gewisssen Grad auf das Wetter eine Auswirkung haben.
    Der Mondstand ändert sich zwar täglich, aber wo er sich zu welcher Tages- bzw. Nachtzeit befindet ändert sich ständig. In Zusammenwirkung mit der täglichen Erwärmung und Abkühlung mag das die Luftströmung allemal beeinflussen. Wäre doch möglich dass sich da unter bestimmten Voraussetzungen Luftströmungen ähnlich einer Schwingung aufschaukeln.

    Der Mond steht in jedem Jahr zu einer bestimmten Jahreszeit in Bezug auf die Erdumlaufbahn bzw. zum Sonnenstand anders. Auch das mag längerfristig die Luftströmung und damit das Wetter beeinflussen.

    Nicht dass ich es behaupte aber dass dies nicht unser mittel- bis längerfristiges Wetter von Jahr zu Jahr ändern sollte wundert mich schon.

  3. Das also ist die/eine Bedingung für die sogenannten Omega-Wetterlagen.

    Was sind denn die Resonanzbedingungen für die Wellen(gleichungen) in visualisierbare Gegenstände übersetzt?

    Steigende Temperaturen am Nordpol scheint es nicht deutlich genug zu sein, wie berichtet.

  4. Zitat:

    „Möglicherweise ist das eine Erklärung für die Häufung von nie dagewesenen Extremereignissen im letzten Jahrzehnt. Palmer schreibt dazu in PNAS“

    was bitte bedeutet NIE dagewesen?

    [Antwort: Gemeint ist: nie seit Beginn der meteorogischen Messreihen. Stefan Rahmstorf]

  5. Mond

    So abwegig scheint der „Monnd“ – Gedanke nicht zu sein, gibt es doch sogar aktuell
    ein Paper dazu
    (Ian R. G. Wilson and Nikolay S. Sidorenkov – The Open Atmospheric Science Journal, 2013, 7, 51-76)

  6. skeptisch

    ob diese NIE dagewesenen Extremwetter wirklich extremer waren, als über relativ zuverlässige Zeiträume von ca. 200a zurück. Wenn, dann vielleicht angesichts weniger Parameter wie hohe Temperatur, aber pauschal klingt das nicht wissenschaftlich und ist meines Wissens nach auch nicht haltbar. Sei es drum.
    Die sg. Planetaren Wellen: hmm, vergleichbar mit Henne und Ei irgendwie. Was bewirken die Planetaren Wellen am Boden bzw. wie steuern die Änderungen am Boden die Planetaren Wellen?
    Allgemein erfolgt global ein Wärmestrom von niederen Breiten Richtung polare Regionen. Kompensatorisch muss auch kalte Luft nach Süden auf der NHK strömen. Der Transport ist bei uns im Winter am stärksten, weil eben auch der T Gradient zwischen Pol und Äquator sein Maximum erreicht. Die Frage, ob ein geringerer T Gradient zu mehr meridionalen Lagen führt, ist nicht geklärt. Zum Einen führt ein starker Gradient zu häufiger Zyklogenese und erst aus diesen jungen Tiefdruckgebieten können manche „abtropfen“ und mehr od. weniger eigenständige Systeme bilden, welche eben über Tage und Wochen die Witterung prägen. Ein schwacher Gradient führt auch zu relativ flacher Druckverteilung und abgesehen von konvektiven Ereignissen im Sommer sind solche Lagen meist völlig „langweilig“ um es mal so zu formulieren. Die Aussage: ein wämerer Pol und der damit verbundenen kleinerer T Gradient nach Süden hin könnte die Häufung extremer Wetterlagen verstärken, ist synoptisch mehr als fraglich. Eher das Gegenteil erscheint konsequent.
    Übrigens sind auch die sg. Wellengleichungen nichts weiter als ein Näherungsversuch, um die Dynamik der Atmosphäre bzw. die Atmosphärengleichung an sich halbwegs aufzulösen. Das wird nie ganz gelingen, egal wie klein die Gitterpunkte wären, aber es mag sein, dass dieser Ansatz gewisse Resonanzen erklären kann, welche für eine mittelfristige Trendprognose über wenige Wochen einen weiteren Fortschritt bringen könnte. Aber Vorsicht: kommt es nun zu so einer „extremen“ Lage, verändern sich die Parameter schlagartig und zwar jene am Boden. Dürren erhöhen meist die Albedo ums Doppelte, Nässe veringert diese und sorgt freilich für weitere entscheidende Einflüsse, nicht nur auf die regionale Zirkulation. Also müssten alle zukünftigen Änderungen am Boden ebebfalls in die Ausgangsgleichungen eingehen und das ist bestenfalls ganz grob möglich und das wiederum ist mit ein Grund, warum Mittel und Langfristprognosen nur eher zufällig halbwegs passen. Klimamodelle sind davon weniger stark betroffen, wenngleich diese vergleichsweise in ganz kleinen Kinderschuhen stecken.

    [Antwort: Wissenschaft ist, wenn Sie Ihre narrativen Hypothesen mit Hilfe von Messdaten quantitativ überprüfen, wie wir es in unserem Paper mit den planetaren Wellen getan haben. Stefan Rahmstorf]

  7. Mangelnde UV Stralung…..

    … durch geringe Sonnenaktivität wird als Erklärung nicht in Erwägung gezogen ?

  8. Die Hypothese Warm = Gut, die von „Skeptiker“- Kreisen gern verbreitet wird, ist somit wohl nicht haltbar.

    Das letzte Zitat kann allerdings leicht dazu missbraucht werden zu zeigen, wie die „Alarmisten“ sich verschwören, um reich zu werden, oder den Sozialismus einzuführen, oder gleich beides zusammen!

  9. Danke für die

    Es war schön Sie mal real zu sehen und ihren Erklärungen zu folgen. Vielen Dank dafür.

    Was sagen Sie eigentlich zu dem Herrn vom FAZ Klimaticker der sich mit seinem Leugnertum hinter „Satire“ verschanzt.
    Ich halte ihn einfach für zu Feige um Farbe zu bekennen.

    http://www.faz.net/…llen-co2-wende-12212195.html

    Ich bewundere ihre Fähigkeit bei all den Anfeindungen ruhig zu bleiben. Mal sehen wie lange es dauert bis manche Wissenschaften wieder als „undeutsch“ oder heutzutage wohl eher als „kapitalismusfeindlich“ gebrandmarkt werden.

    MfG

  10. Antrieb der planetaren Wellen

    Wird das erwähnte Aufschaukeln der planetaren Wellen dadurch verursacht, daß mehr und mehr Energie in das Wellensystem übertragen wird? Wenn dem so ist, müsste es nach laienhaftem Verständnis hierfür eine externe Energiequelle geben, die resonant, aber ortsfest, mit den Rössby-Wellen mitschwingt und auf diese Weise laufend Energie in die Rössby-Wellen hineinpumpt. Ist es möglich, dem Laien zu erklären, um welche Energiequelle es sich dabei handelt? Ist es vielleicht sogar die erwärmte Barentssee, die uns während der letzten Monate mit dem unsäglichen Winterwetter beglückt hat?

    [Antwort: Vereinfacht gesagt ist die Energiequelle einfach die des Wetters, ständig wird in der Atmosphäre Variabilität erzeugt – die Energie wird aber gleichermaßen auch wieder dissipiert. Was diese Wellen betrifft: normalerweise laufen sie über die kritischen Breitengrade im Süden oder Norden hinaus und werden dort weggedämpft. Wenn Resonanzbedingungen herrschen, werden sie aber an diesen Breitengraden reflektiert fast ohne Energieverlust, daher wirken die mittleren Breiten dann wie ein Wellenleiter, in dem die Wellen gefangen sind und sich aufschaukeln. Also nicht weil mehr Energie zugeführt wird als sonst, sondern weil sie nicht verloren geht. So ähnlich wie in einem Glasfaserkabel, das auch ein Wellenleiter ist. Stefan Rahmstorf]

  11. Mehr Energie

    Ich finde die angestellten Überlegungen plausibel und sehe einen Zusammenhang mit dem Klimawandel. Insgesamt ist mehr Energie in der Atmosphäre, darum reichen warme Luftströmungen weiter in die Arktis, das führt lokal zu sehr großen Temperaturunterschieden, die Bedingung für das Aufschaukeln einer Welle ist gegeben. Da die teilweise ungewöhnlich großen Mengen Luftfeuchtigkeit wiederum eine große Trägheit wie Trägheitsmoment besitzen, führt das zum wochenlangen Abregnen an einem Ort, während woanders die Sonne scheint.

    Der Klimawandel ist gefährlich, viel gefährlicher, als die meisten bis heute zugeben wollen.

  12. Die Unterscheidung in „normales“ und „extremes“ Wetter oder Wetterlage ist vollkommen unsinnig.
    Das Wetter macht was es will. Dagegen kann man sich schützen durch einen Regenschirm, einen Mantel oder einem Dach über dem Kopf. Klima, von griechisch Neigung, ist lediglich ein statistischer Wert, berechnet auf einer 30 jährigen Wetteraufzeichnung. Ein Abstraktum, das nicht geschützt, gerettet oder gekillt werden kann. Man kann auch kein Obst, oder Werkzeug kaufen, nur Äpfel, Birnen, Apfelsinen etc. Oder einen Hammer, Schraubenzieher.
    Ob es in hundert Jahren 2, 3, 4 oder 5 Grad „auf der Erde“, also einem lediglich globalem statistischem Mittelwert, wärmer, oder kälter wird, ändert überhaupt nichts am Wetter. 2089 kann Pirna wieder unter Wasser stehen und das Rhein-Main-Gebiet unter Trockenheit leiden. Oder umgekehrt.