Extremwetter aus der Stratosphäre

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Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt über der Tr

Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt über der Tropossphäre und bildet einen Teil der Homosphäre. ( NASA)

Die ETH-Klimaforscherin Daniela Domeisen hat den Einfluss der Stratosphäre auf extreme Wetterereignisse dokumentiert. Von der Bandbreite möglicher Einflüsse ist sie überrascht. Was es für die Klimaforschung und Langfristwetterprognosen heisst, sagt sie im Interview.

ETH-News: In Ihrer neuen Studie haben Sie viele Beispiele von Wetterextremereignissen zusammengetragen, welche mit Vorgängen in der Stratosphäre gekoppelt sind. Bislang hiess es jedoch immer, dass die Erderwärmung solche Extremereignisse fördert. Gilt das nicht mehr?
Daniela Domeisen: (lacht) Doch, das gilt noch. Die Wissenschaft wusste allerdings seit längerem, dass die Stratosphäre, also die Schicht zwischen 15 und 50 Kilometer über dem Erdboden, auch einen Einfluss auf das Wetter auf der Erdoberfläche hat. Aber die wenigsten haben darüber gesprochen, dass die Stratosphäre auch Extremereignisse verursachen und beeinflussen kann. Das wollten wir mit unserer Studie herausschälen.

Können Sie Beispiele geben für Extremereignisse, die mit der Stratosphäre zusammenhängen?
Am besten untersucht ist das Phänomen von extremen Kältewellen auf der Nordhalbkugel. Diese können auftreten, wenn sich der Polarwirbel in der Stratosphäre plötzlich erwärmt und zerfällt, wie dies gerade im Moment geschieht. Ein weiteres Beispiel ist eine Folge von schweren Stürmen, die im Februar 2020 immer auf die gleiche Region in England trafen. Das führte zu schweren Überschwemmungen. Auffallend daran war, dass die Stürme die gleiche Zugbahn hatten. Dieses Phänomen hängt direkt mit der Stratosphäre zusammen: Der Polarwirbel war im Februar aussergewöhnlich kräftig und hat die Zugbahn stabilisiert. Dadurch nahmen die Stürme den gleichen Weg, während sich gewöhnlich die Zugbahnen häufig ändern. Wir fanden zudem auch Hinweise darauf, dass die Stratosphäre die extremen Waldbrände in Australien beeinflusste, Mini-Hurrikane im Nordmeer hervorrief und so weiter.

Waren Sie über die Vielzahl von solchen Extremereignissen überrascht?
Ja! Das ist die Botschaft der Studie. Im Lauf unserer Nachforschungen stiessen wir auf immer mehr Hinweise darauf, dass Wetterkapriolen an die Stratosphäre gekoppelt sind.

Wieso sind fast nur Regionen der Nordhemisphäre betroffen? Gibt es auf der Südhemisphäre weniger solche Ereignisse?
Das ist ein «publication bias»: über Extremereignisse auf der Nordhemisphäre gibt es viel mehr Studien als über solche auf der Südhalbkugel. Die Waldbrände in Australien sind ein prominentes Beispiel für ein Südhalbkugel-Ereignis. Der Polarwirbel über der Südhemisphäre fiel früher als üblich in sich zusammen. Das förderte die extremen Brände. Dazu kommt, dass auf der Nordhalbkugel mehr Menschen leben als auf der Südhemisphäre, da sie weniger Landmassen aufweist. Wie stark die Stratosphäre Südamerika oder das südliche Afrika beeinflusst, darüber wissen wir kaum etwas.

Wie funktioniert die Kopplung zwischen Stratosphäre und der Troposphäre, wo das Wetter stattfindet?
Die Kopplung nach oben geschieht vor allem über grossskalige Wellen in der Atmosphäre, welche von Bergen und von Temperaturunterschieden zwischen Land und Meer ausgelöst werden. Diese Wellen stören in der Stratosphäre die Winde und können so stark sein, dass sie den Polarwirbel auf etwa 30 km Höhe mit typischen Windgeschwindigkeiten von über 200 km/h zerstören können. Weniger klar ist, wie das Signal aus der Stratosphäre zurück an die Erdoberfläche gelangt. Danach beobachten wir häufig Erwärmungen von mehreren Grad Celsius in der unteren Stratosphäre auf einer Höhe von 10-15 km. Und das hat einen Einfluss auf unser Wetter. Aber wie solch ein Ereignis einen Sturm über England lenkt, verstehen wir noch nicht in Detail.

Daniela Domeisen ist seit 2017 Professorin für Atmosphärische Vorhersagbarkeit am Institut für Atmosphäre und Klima der ETH Zürich.

Wissen Sie, wie sich die Stratosphäre in Zukunft entwickeln wird?
Nein, das wissen wir nicht. Heutige Klimamodelle weisen ganz unterschiedliche Tendenzen aus, von einer wärmeren Stratosphäre bis hin zu einer kälteren. Wir können aber abschätzen, dass die Stratosphäre für etwa 10 Prozent des Wettergeschehens im Winter verantwortlich ist. Die Stratosphäre könnte den Klimawandel in der Nordhemisphäre sogar dämpfen, so dass die Klimaerwärmung ohne den Einfluss der Stratosphäre vielleicht noch extremer wäre.

Was ist das Ziel Ihrer Forschung?
Eines der Ziele ist, Langfristprognosen für das Wetter zu erstellen, das heisst für mehrere Wochen oder Monate. Eine Quelle solcher Vorhersagbarkeit ist die Stratosphäre auf Grund ihres Einflusses auf unser Wetter. Wir können zwar anhand eines Stratosphärenereignisses nicht das Wetter auf den Tag genau für die nächsten Wochen vorhersagen. Aber wir können Wahrscheinlichkeiten angeben, etwa für Kälteund Hitzewellen. Verstärken sich beispielsweise die Winde in der Stratosphäre, wird es wahrscheinlicher, dass es in den darauffolgenden Wochen über Nordeuropa mehr Stürme geben wird. Im Moment ist der Polarwirbel aber gerade extrem schwach.

Demnach wird es noch länger dauern, bis solche Daten in Langzeit-Prognosen von Wetter-Apps einfliessen?
Die Wettermodelle simulieren die Stratosphäre bereits, allerdings noch nicht gut genug. Dies führt weiterhin zu Fehlprognosen. Bei den normalen kurzfristigen Wettervorhersagen von mehreren Tagen haben wir viel mehr Erfahrung, denn sie wurden über Jahrzehnte verifiziert und verbessert. Bei längeren Zeitskalen wissen wir im Moment noch viel weniger, und dafür müssen wir die globalen Zusammenhänge auf der Erde verstehen, nicht nur die Vorboten unseres Wetters über dem Nordatlantik. Wir arbeiten in unserer Forschung daran, diese Zusammenhänge zu verstehen, um diese Erkenntnisse dann in Wetterund Klimamodelle einfliessen zu lassen.

Was müssen Sie als Nächstes erforschen, um die Wetterprognosen anhand von Stratosphärenereignissen zu verbessern?
Wir müssen zuerst die Kopplung zwischen der Stratosphäre und unserem Wetter besser verstehen. Zwar wissen wir: Wenn in der Stratosphäre etwas geschieht, erkennen wir oft einen Effekt auf der Erdoberfläche. In einem Drittel der Fälle sehen wir hingegen nichts. Das verstehen wir nicht. Die Frage ist, ob die entsprechenden Stratosphärenereignisse oder die Kopplung zur Erdoberfläche in diesen Fällen zu wenig stark waren. Es ist auch möglich, dass das Wetter über der Erdoberfläche zu chaotisch war und keine Gelegenheit hatte, auf das Stratosphärenereignis entsprechend zu reagieren. Es kommt auch darauf an, wie lange die untere Stratosphäre das Signal aufrechterhält. Ich verstehe diese Schicht als Signalgeberin, die auf die Troposphäre einwirkt. Wenn das Wetter das Signal aufnimmt, dann kann dessen Einfluss relativ lange, das heisst über mehrere Wochen, anhalten.

Welches sind Ihre nächsten Projekte?
Ich möchte die Regionen, für die langfristige Vorhersagen schwierig zu treffen sind, besser erforschen. Dazu gehören unter anderem Europa und Teile von Südamerika. Zudem wissen wir noch sehr wenig über in der Forschung unterrepräsentierte Regionen in Afrika, Asien, und Südamerika. Dazu haben wir Projekte zu Brasilien und in Südafrika gestartet. Wir wollen herausfinden, ob wir Prozesse abbilden können, die noch nicht in den Modellen enthalten sind oder die wir besser in die Modelle integrieren können, mit numerischen Methoden oder Maschinellem Lernen, verknüpft mit einem verbesserten Prozessverständnis. Zudem wollen wir weitere Extremereignisse finden, für welche wir langfristige Vorhersagbarkeit generieren können. Für Hitzeund Kältewellen wissen wir bereits viel über die Zusammenhänge mit dem Wetter und die Auswirkungen auf den Menschen. Daneben gibt es aber auch Hinweise auf einen Einfluss der Stratosphäre und anderer Prozesse auf weitere Extreme, beispielsweise Einflüsse auf die Luftqualität oder Starkregen-Ereignisse, welche sich extrem auf den Menschen auswirken.

Literaturhinweis

Domeisen DIV, Butler AH. Stratospheric drivers of extreme events at the Earth’s surface. Commun Earth Environ 1, 59 (2020). Doi: 10.1038/s43247-020-00060-ze

Peter Rüegg