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Langfristige Vorhersage des Winterwetters?

Ein neues Wettervorhersagemodell ist offenbar in der Lage aus den Wetterbedingungen im Herbst vorherzusagen, ob der darauffolgende Winter kalt wird oder eher milde ausfällt.

Das neue Modell mit dem Namen sCast dient der saisonalen Langfristwettervorhersage  und wurde von dem US-amerikanischen Meteorologen Judah Cohen und seinen Kollegen bei dem privaten Wetterdienst und Klimaforschungsunternehmen Athmospheric Environmental Research Inc.(AER, http://www.aer.com/) in Lexington Massachusetts entwickelt. sCast nimmt als Ausgangspunkt ihrer Vorhersage die Schneebedeckung von Sibirien im Herbst.

Fällt im Oktober überdurchschnittlich viel Schnee, so sorgt die entsprechend ausgedehnte Schneedecke für besonders tiefe bodennahe Temperaturen. Das sich in dieser zeit aufbauende Kältehoch über Sibirien gewinnt dann überdurchschnittlich an Stärke. Das sibirische Kältehoch blockiert den von Westen nach Osten gerichteten troposphärischen Jetstream, der dann stark mäandert (Rossby-Wellen) und zwingt so die von ihm mitgeführten Tiefdruckwirbel zu grossen Umwegen. Die Zirkulation wird dadurch ausgesprochen meridional. Die Rossby-Wellen pflanzen sich nach oben hin zur Stratosphäre fort und versetzten den zum Polarwirbel gehörenden stratosphärischen Jetstream in Schwingungen. Die Windgeschwindigkeiten gehen immer weiter zurück bis rund 3 Monaten der Stratosphärenjet so instabil wird, dass Warmluft in die Stratosphäre über der Polarregion vorstossen kann. Diese Stratosphärenerwärmung (major warming) findet  also im Januar des Folgejahres statt und führt zum Zusammenbruch des Polarwirbels, der sich dann in zwei Wirbel aufspaltet (Polarwirbelsplit). Damit fällt ein wichtiger Antriebsmotor für den troposphärischen Jetstream aus, so dass er zunehmend mäandert, seine Windgeschwindigkeiten sinken und er sich weiter nach Süden verlagert.

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Der dem Wettervorhersagemodell sCast zugrundeliegende Mechanismus. Erklärungen im Text. Quelle: http://www.nsf.gov/news/

Die somit vorherrschende meridionale Zirkulation begünstigt Kaltluftausbrüche (Tröge und Kaltlufttropfen) gen Süden. In den betroffenen Regionen (Europa, Asien, östliches Nordamerika) gibt es dann einen kalten Winter. In einigen Gegenden der nördlichen Breiten fallen die Winter aber durch die im Gegenzug nach Norden vorstossende Warmluft relativ mild aus.

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Beispiel einer gelungenen Vorhersage durch sCast. Quelle: Judah Cohen, http://www.aer.com/

Das Modell sCast hat sich schon bei immerhin 7(!) langfristigen Winnterwettervorhersagen und auch bei der Auswertung von 33 (!) Simulationen von Wintern der Vergangenheit bewährt.

Anhang 1 : Dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete

In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel (und der Südhalbkugel) treffen (sub)tropische Warmluft und polare Kaltluft  direkt aufeinander. Der Temperaturgradient zwischen beiden Luftmassen erzeugt auch einen mit zunehmender Höhe immer mehr anwachsenden Druckgradienten, da warme Luft sich (vertikal) mehr ausdehnt als kalte Luft, Daraus resultiert ein polwärts gerichteter Höhenwind, der unter dem Einfluss der Erdrotation  zu einem Westwind abgelenkt wird und sich bis zum Boden hin durchsetzt. In der oberen Troposphäre bildet sich wegen des hier besonders hohen Druckgradienten ein Starkwindband, der  troposphärische Jetstream, der ab einer kritischen Geschwindigkeit zu mäandern beginnt (Rossby-Wellen). In den Wellentälern (Höhentrögen) wird polare Kaltluft äquatorwärts, in den Wellenbergen (Hochkeilen, Rücken) tropische Warmluft polwärts transportiert (meridionaler Transport).

Mit den bei wachsenden Windgeschwindigkeiten immer häufiger auftretenden Turbulenzen entwickeln sich (unter der Einwirkung der Erdrotation) aufwärtsgerichtete dynamische Tiefdruckwirbel (Cyclonen) und abwärtsgerichtete dynamische Hochdruckwirbel (Anticyclonen). Innerhalb der Cyclonen wird die Luft gehoben und kühlt dabei ab, so dass sich bei ausreichender Luftfeuchtigkeit viele Wolken bilden können (Schlechtwetter). Bei den Anticyclonen verhält es sich genau umgekehrt (Schönwetter).

Beide Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Die Cyclonen bewegen sich mit der Höhenströmung in Richtung Osten und sorgen unter ihren Zugbahnen (zusammen mit Zwischenhochs) für ein mildes, aber auch wechselhaftes Wetter. 

Bei einem sehr stark mäandernden Jetstream bricht die Höhenströmung oft teilweise zusammen, so dass sich cyclonale und anticyclonale Wirbel abspalten können (Cut Off). Später erneuert sich die Höhenströmung aber polwärts wieder.

Es verhält sich bei dem Jetstream und seinen Wirbeln so ähnlich wie bei einem Fluss mit Stromschnellen, die immer dann auftreten, wenn das Gefälle zunimmt oder Felsblöcke  das Flussbett verengen. In den Stromschnellen (turbulente Strömung) bilden sich Wirbel, die mit der Strömung davongetragen werden. Was beidem Fluss das wechselnde Gefälle, ist beim Jetstream der ebenfalls wechselnde Temperaturgradient (und damit Druckgradient) zwischen tropischer Warmluft und polarer Kaltluft. Die Rolle der das Flussbett verengenden Felsblöcke übernehmen hohe Gebirge, welche die Höhenströmung ebenfalls spürbar einengen.

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Eine Strömung wird durch Wirbelbildung an einem Hindernis turbulent. Quelle: http://web.physik.rwth-aachen.de/

Cyclonen beziehen ihre Energie nicht nur aus ihrem Jetstream, sondern auch aus der latenten Wärme (Kondensationswärme), die bei der Wolkenbildung  frei wird. Die Cyclonen ihrerseits übertragen wieder einen Teil ihrer Energie  an ihren Jetstream.

Anhang 2: Polarwirbel

Über beiden Polen der Erde bilden sich in der Stratosphäre abwärtsgerichtete, kalte Tiefdruckwirbel, welche bis in die mittlere Troposphäre hinabreichen, die Polarwirbel.

Die Stratosphäre ist die nächsthöhere Atmosphärenschicht oberhalb der Troposphäre, in welcher sich die meisten Wettervorgänge abspielen. Die Stratosphäre enthält nur wenig Wasserdampf, dafür aber grössere Mengen Ozon, das die für das Leben gefährlichen Anteile der von der Sonne eintreffenden Ultraviolettstrahlung absorbiert. Dadurch ist die Stratosphäre immer deutlich wärmer als die obere Troposphäre.

Ein Polarwirbel kann sich nur bilden, wenn die Stratosphäre über den Polen ausreichend kalt ist. Während der Polarnacht nehmen die jeweils betroffenen Polarwirbel an Stärke zu. Dann ist der stratosphärische Temperaturgradient auf der Nordhalbkugel besonders hoch. Dieser treibt den Stratosphärenjetstream am äusseren Rand des Polarwirbels an, welcher wiederum ein Antriebsmotor des troposphärischen Jetstreams ist.

Ein starker Polarwirbel begünstigt eine eher polnähere (nördlichere), zonale Zirkulation (entlang der Breitengrade), ein schwacher und erst recht ein gespaltener Polarwirbel dagegen eine polfernere (südlichere) meridionale Zirkulation (entlang der Längengrade).

Quellen: http://www.nsf.gov/, http://www.sciencedaily.com/

Jens Christian Heuer

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