Polarluft auf Abwegen

Die USA ächzen unter eisiger Kälte bis hinunter in den Süden von Texas. Mindestens dreißig Menschen kamen ums Leben, Millionen sind ohne Strom. Auch bei uns in Deutschland ist gerade eine Kältewelle vorübergegangen, und im Januar gab es einen historischen Schneesturm in Madrid. Was ist da los?

Temperatur am 15. Februar. Grafik: NASA

Zwei konkurrierende Effekte beeinflussen unsere nördlichen Winter:

#1. Die globale Erwärmung.

#2. Zunehmende polare Kaltluftausbrüche durch Störungen des stratosphärischen Polarwirbels.

Auf lange Sicht gewinnt #1 – unsere Winter werden wärmer.
Das ist zu erwarten, da #2 nur gelegentlich auftritt, und die Polarluft wird ja ebenfalls wärmer.

Bereits vor drei Jahren habe ich hier erläutert, was der stratosphärische Polarwirbel über der Arktis mit Kaltluftausbrüchen auf angrenzende Kontinente zu tun hat – und kürzlich wieder im Spiegel. Datenanalysen belegen, dass gestörte Polarwirbelzustände mit Polarluftausbrüchen und damit Kälteextremen in Eurasien oder den USA verbunden sind.

Der Jetstream umschließt die Kaltluft. Darstellung der Washington Post
Schöne Darstellung der US-Rekordkälte von Thomas Ronge vom Alfred Wegener Institut

Kälteeinbrüche in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre werden vom stratosphärischen Polarwirbel auf zwei unterschiedliche Arten beeinflusst.
Eine objektive Clusteranalyse der verschiedenen Polarwirbelzustände durch Marlene Kretschmer und Kollegen zeigt, dass Cluster 4 mit Kälte in den USA, Cluster 5 dagegen mit Kälte in Eurasien verbunden ist.

Beobachtete Temperaturabweichungen, die während der Phasen auftreten, in denen die Form des Polarwirbels zu Cluster 4 bzw. Cluster 5 gehört. Grafik aus Kretschmer et al. 2018.

Nehmen diese Cluster in ihrer Häufigkeit zu? Die Reanalysedaten zeigen, dass dies im Zeitraum 1979-2018 der Fall ist. Und das kann erklären, warum sich die eurasischen Winter nicht stärker erwärmt haben.

Luftdruckmuster und Häufigkeit (1979-2018) von Cluster 4 und 5. Grafik aus Kretschmer et al. 2018.

Wir können natürlich nicht ausschließen, dass das einfach nur an zufälligen Wetterschwankungen liegen könnte. Andererseits gibt es plausible Mechanismen, die diese zunehmende Polarwirbelinstabilität mit der Erwärmung der Arktis und dem Meereisverlust verbinden. Die Analyse kausaler Wirkungsnetzwerke (eine Datenkorrelationsmethode, die in der Lage ist, kausale Zusammenhänge herauszukitzeln) legt nahe, dass das tatsächlich der Fall ist.

Kausalnetz zwischen der Meereisbedeckung der Barents-Kara-See (BK-SIC) und der Atmosphärendynamik. Grafik aus Kretschmer et al. 2016.

Den Einfluss der Barents-Kara-See Eisdecke habe ich schon 2013 hier im Blog diskutiert. Und Daniel Lingenhöhl hat ihn 2014 bei Spektrum.de geschildert. Sein Fazit damals:

Angesichts der fortgesetzten Eisschmelze in der Region erwarten die Klimatologen auch zukünftig weitere heftige Wintereinbrüche.

Darüber hinaus zeigt die Analyse von 35 Klima-Modellen der CMIP5-Generation, dass der Effekt des Meereisverlustes, obwohl er in den Modellen schwächer ist als in den Beobachtungsdaten, “die gesamte projizierte Ensemble-Mittelwert-Schwächung des stratosphärischen Polarwirbels erklären kann”.

Mit anderen Worten: sowohl die Beobachtungsdaten als auch die Klimamodelle weisen auf einen Einfluss der arktischen Eisschmelze und damit der globalen Erwärmung auf die Instabilität des Polarwirbels hin.

Weblinks

Mein Spiegel-Kommentar Achtung, Wetterstörung!

New York Times: Climate change may be why frigid weather has slid so far south, experts say.

Studien

Cohen, J. et al. Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather. Nature Geoscience 7, 627-637 (2014). doi:10.1038/ngeo2234

Cohen, J., Pfeiffer, K. & Francis, J. A. Warm Arctic episodes linked with increased frequency of extreme winter weather in the United States. Nat Commun 9, 869 (2018). doi:10.1038/s41467-018-02992-9

Cohen, J. et al. Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather. Nature Geoscience 7, 627-637 (2014). doi:10.1038/ngeo2234

Garfinkel, C. I., Son, S. W., Song, K., Aquila, V. & Oman, L. D. Stratospheric variability contributed to and sustained the recent hiatus in Eurasian winter warming. Geophys Res Lett 44, 374-382 (2017). doi:10.1002/2016GL072035

Jaiser, R., Dethloff, K., Handorf, D., Rinke, A. & Cohen, J. Impact of sea ice cover changes on the Northern Hemisphere atmospheric winter circulation. Tellus Series a-Dynamic Meteorology and Oceanography 64 (2012). doi:1159510.3402/tellusa.v64i0.11595

Francis, J. A., Vavrus, S. J. & Cohen, J. Amplified Arctic warming and mid-latitude weather: new perspectives on emerging connections. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change, e474 (2017). doi:10.1002/wcc.474

Kretschmer, M., Coumou, D., Donges, J. F. & Runge, J. Using Causal Effect Networks to Analyze Different Arctic Drivers of Midlatitude Winter Circulation. Journal of Climate 29, 4069-4081 (2016). doi:10.1175/jcli-d-15-0654.1

Kretschmer, M., Cohen, J., Matthias, V., Runge, J. & Coumou, D. The different stratospheric influence on cold-extremes in Eurasia and North America. npj Climate and Atmospheric Science 1 (2018). doi:10.1038/s41612-018-0054-4

Kretschmer, M., Laurie Agel, Mathew Barlow, Eli Tziperman, Judah Cohen. More-persistent weak stratospheric polar vortex states linked to cold extremes. Bulletin of the American Meteorological Society (2018). doi:10.1175/BAMS-D-16-0259.2)

Kretschmer, M. & Matthias, V. The Influence of Stratospheric Wave Reflection on North American Cold Spells. Monthly Weather Review 148, 1675-1690 (2020). doi:10.1175/mwr-d-19-0339.1

Kretschmer, M., Zappa, G. & Shepherd, T. G. The role of Barents–Kara sea ice loss in projected polar vortex changes. Weather and Climate Dynamics 1, 715-730 (2020). doi:10.5194/wcd-1-715-2020

 

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.

16 Kommentare

  1. Zitat:

    unsere Winter werden wärmer.
    Das ist zu erwarten, da #2 [polare Kaltluftausbrüche] nur gelegentlich auftritt, und die Polarluft wird ja ebenfalls wärmer.

    Frage: Langfristig nimmt also der Temperaturunterschied zwischen hohen und mittleren Breiten ab. Bedeutet das, dass das europäische Wetter einförmiger wird, mit längeren gleichbleibenden Wetterlagen (z.B. 12 Wochen Sommerhitze oder 10 Wochen trübes Winterwetter) ? Oder weiss man das noch nicht?

  2. Der Jetstream umschließt die Kaltluft.

    Ist der Jetstream also das atmosphärische Pendant zum Zirkumpolarstrom um die Antarktis?

    Woraus sich die Frage ergäbe, was das bedeutete – vor allem hinsichtlich dessen, das dieses eine im Ozean und das andere in der Atmsophäre stattfindet. Das es stattfindet, mag sich im Mindesten daraus ergeben, das sich die Erde um ihre eigene Achse dreht.
    Das Phänomenale daran ist also, das dazwischen (zwischen dem Ozean und der höheren Atmosphärenschicht) nun also andere Verhältnisse bestehen, und im Falle von “Unregelmäßigkeiten” plötzlich vom Extremwetter gesprochen wird.

    Kleiner Seitenhieb darauf, das eine eindeutige Winterwetter-Lage” plötzlich als Extremwetter erklärt wird:

    was der stratosphärische Polarwirbel über der Arktis mit Kaltluftausbrüchen auf angrenzende Kontinente zu tun hat

    Zu anderen Zeiten nannte man das schlicht Winter und nicht Extremwetter.

    Insofern wäre zu erklären, wieso sich diese Wetterlagen nicht in einer Konstanz ergeben, sondern in Kurzen Schüben eine extreme Änderung ergeben.

    Mit Starkregen-Ereignissen ist es ja ebenso.

    Rein energetisch muß man hier einen hohen Spannungsaufbau konstatieren, dessen regelmäßige Entladung durch einen Widerstand verhindert wird, und dann zu noch höherer negativen Entropie (Negentropie) führt – also hohem Spannungsaufbau

    Allerdings wäre “Klimawandel” als Antwort kaum hinreichend.

    • Die Antarktische Oszillation der Südhalbkugel (AAO) ist stärker und langlebiger als die die Arktische Oszillation, weil die Region der Westwindzone zwischen 40 und 50 Grad südlicher Breite kaum durch Landmassen gebremst werden. Drei Minuten Google. Und dass, was jetzt in Nordamerika abgeht, ist auch im letzten Jahrtausend aus Extremwinter durchgegangen.

  3. >> Auf lange Sicht gewinnt #1 – unsere Winter werden wärmer.
    Das ist zu erwarten, da #2 nur gelegentlich auftritt, und die Polarluft wird ja ebenfalls wärmer. <<

    # 3
    Gleichzeitig zu solch Wintereinbrüchen in Nordamerika oder Eurasien, welche auf die zunehmende Polarwirbelinstabilität zurückzuführen sind, ist es dafür anderswo auf der Welt gleichzeitig überdurchschnittlich warm – nicht nur in der Arktis. Korrekt?

      • :-), Danke, offtoppic, aber habe mitgeschnitten, dass der IPCC anno 2007 die Feuer in Australien in Szenarien abgebildet hat, welche seit 2019 verheerende Ausmaße haben. Weiß, dass der “Cold Blob*” im Atlantik auch schon vorher in Projektionen zu sehen war. Kann mich erinnern, in meiner Jugend im letzten Jahrtausend einen SPIEGEL-Artikel gelesen zu haben, dass es in Brandenburg trockener würde.

        Würde gerne noch viele mehr Beispiele haben, auf die verlinken kann icke, in denen die Klimawissenschaft darauf verweist, wie verdammt oft und verdammt richtig sie gelegen hat. Wie genau und seit wann mit welchen Konsens sind Kälteeinbrüche wo durch den schlingernden Polarwirbel von der Klimaforschung in Modellen erstellt worden? Siehste, wieder die Kurve zum Thema gekriegt. 🙂

        *https://scilogs.spektrum.de/klimalounge/qa-zum-golfstromsystem-und-dem-cold-blob-im-atlantik/

  4. Kaltluftausbrüche im Winter und Hitzewellen im Sommer. Schwierige Kombination, nicht zuletzt auch für Land- und Forstwirte. Hier in Nordfinnland halten manche die globale Klimaerwärmung (in Finnland doppelt so schnell wie im globalen Schnitt) für eine gute Sache, da die Vegetationsperiode sich verlängert und der Wald in Lappland und anderswo schneller wächst. Auf der anderen Hand wird der hiesige Winter hier immer kürzer (Ruosteenoja et al. Int J Climatol 2020;1-19) und in der Folge wird man in Sumpfgebieten dann wohl bald kaum mehr mit schwerem Gerät die Sumpfwälder erreichen können, weil der Sumpf nicht mehr gefroren ist.

    Über die Probleme, die die Waldbesitzer in Deutschland nach drei trockenen Jahren zu bewältigen haben, brauche ich wohl kein Wort zu verlieren. Oder die deutsche Landwirtschaft. Oder die Rheinschifffahrt… Ich wünsche Deutschland sehr, sehr, sehr viel Regen!

  5. Sorry, aber dieser Artikel bewegt sich im hochspekulativen Bereich und stärkt daher mein Vertrauen in die Klimawissenschaft eher nicht .

  6. Sehr geehrter Herr Rahmstorf,
    erst mal vielen Dank für Ihren Blog, der stellt einen seriösen Pol in der Wust der Misinformation im Internet dar. Ich weiß leider nicht, wie ich Sie sonst kontaktieren soll, daher auf diesem Weg: Unter dem youtube-Video ‘Klimaschau (Ausgabe 1)’ (der infamen cherry-picking-Sendereihe von Sebastian Lüning) werden Sie beschuldigt, der Titel Ihres Spiegel-Artikels ‘Das Golfstromsystem macht schlapp’ zeuge von ‘Overconfidence’, da im Artikel selbst nur Hinweise genannt werden, keine eindeutigen Belege.
    Könnten Sie mir vielleicht erklären, warum der Titel nicht so besonders gut zum Artikel passt?
    Vielen Dank!

    • Der Titel ist von der Redaktion und nicht von mir, er ist flapsig formuliert, aber er beschreibt richtig, worum es in dem Artikel geht, nämlich um die Abschwächung des Golfstromsystems. Meine Einschätzung zu solchen Fragen beruht immer auf meiner Gesamtsicht auf die Evidenz, was in der Regel auch Arbeiten umfasst, die noch nicht in der Fachliteratur erschienen sind sondern in der Fachcommunity auf Konferenzen etc. diskutiert werden.

    • Es handelt sich nicht um eine Studie sondern Korrespondenz, also eine Art Leserbrief. Gezeigt sind dort Winter-Mittelwerte von Temperatur und anderen Parametern – was belegt, was ich oben geschrieben habe, nämlich dass die globale Erwärmung siegt, das heißt die Winter wärmer werden. Der Polarwirbel ist in dieser Korrespondenz überhaupt nicht erwähnt und auch nicht die Arbeiten dazu u.a. von Marlene Kretschmer. Darum geht es gar nicht. Haben Sie es gelesen?

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