Extremwetter aus der Stratosphäre

ETH-News: In Ihrer neuen Studie haben Sie viele Beispiele von Wetterextremereignissen zusammengetragen, welche mit Vorg?ngen in der Stratosph?re gekoppelt sind. Bislang hiess es jedoch immer, dass die Erderw?rmung solche Extremereignisse f?rdert. Gilt das nicht mehr?
Daniela Domeisen: (lacht) Doch, das gilt noch. Die Wissenschaft wusste allerdings seit l?ngerem, dass die Stratosph?re, also die Schicht zwischen 15 und 50 Kilometer ¨¹ber dem Erdboden, auch einen Einfluss auf das Wetter auf der Erdoberfl?che hat. Aber die wenigsten haben dar¨¹ber gesprochen, dass die Stratosph?re auch Extremereignisse verursachen und beeinflussen kann. Das wollten wir mit unserer Studie heraussch?len.

K?nnen Sie Beispiele geben f¨¹r Extremereignisse, die mit der Stratosph?re zusammenh?ngen?
Am besten untersucht ist das Ph?nomen von extremen K?ltewellen auf der Nordhalbkugel. Diese k?nnen auftreten, wenn sich der Polarwirbel in der Stratosph?re pl?tzlich erw?rmt und zerf?llt, wie dies gerade im Moment geschieht. Ein weiteres Beispiel ist eine Folge von schweren St¨¹rmen, die im Februar 2020 immer auf die gleiche Region in England trafen. Das f¨¹hrte zu schweren ?berschwemmungen. Auffallend daran war, dass die St¨¹rme die gleiche Zugbahn hatten. Dieses Ph?nomen h?ngt direkt mit der Stratosph?re zusammen: Der Polarwirbel war im Februar aussergew?hnlich kr?ftig und hat die Zugbahn stabilisiert. Dadurch nahmen die St¨¹rme den gleichen Weg, w?hrend sich gew?hnlich die Zugbahnen h?ufig ?ndern. Wir fanden zudem auch Hinweise darauf, dass die Stratosph?re die extremen Waldbr?nde in Australien beeinflusste, Mini-Hurrikane im Nordmeer hervorrief und so weiter.

Waren Sie ¨¹ber die Vielzahl von solchen Extremereignissen ¨¹berrascht?
Ja! Das ist die Botschaft der Studie. Im Lauf unserer Nachforschungen stiessen wir auf immer mehr Hinweise darauf, dass Wetterkapriolen an die Stratosph?re gekoppelt sind.

Wieso sind fast nur Regionen der Nordhemisph?re betroffen? Gibt es auf der S¨¹dhemisph?re weniger solche Ereignisse?
Das ist ein ?publication bias?: ?ber Extremereignisse auf der Nordhemisph?re gibt es viel mehr Studien als ¨¹ber solche auf der S¨¹dhalbkugel. Die Waldbr?nde in Australien sind ein prominentes Beispiel f¨¹r ein S¨¹dhalbkugel-Ereignis. Der Polarwirbel ¨¹ber der S¨¹dhemisph?re fiel fr¨¹her als ¨¹blich in sich zusammen. Das f?rderte die extremen Br?nde. Dazu kommt, dass auf der Nordhalbkugel mehr Menschen leben als auf der S¨¹dhemisph?re, da sie weniger Landmassen aufweist. Wie stark die Stratosph?re S¨¹damerika oder das s¨¹dliche Afrika beeinflusst, dar¨¹ber wissen wir kaum etwas.

Wie funktioniert die Kopplung zwischen Stratosph?re und der Troposph?re, wo das Wetter stattfindet?
Die Kopplung nach oben geschieht vor allem ¨¹ber grossskalige Wellen in der Atmosph?re, welche von Bergen und von Temperaturunterschieden zwischen Land und Meer ausgel?st werden. Diese Wellen st?ren in der Stratosph?re die Winde und k?nnen so stark sein, dass sie den Polarwirbel auf etwa 30 km H?he mit typischen Windgeschwindigkeiten von ¨¹ber 200 km/h zerst?ren k?nnen. Weniger klar ist, wie das Signal aus der Stratosph?re zur¨¹ck an die Erdoberfl?che gelangt. Danach beobachten wir h?ufig Erw?rmungen von mehreren Grad Celsius in der unteren Stratosph?re auf einer H?he von 10-15 km. Und das hat einen Einfluss auf unser Wetter. Aber wie solch ein Ereignis einen Sturm ¨¹ber England lenkt, verstehen wir noch nicht in Detail.

Wissen Sie, wie sich die Stratosph?re in Zukunft entwickeln wird?
Nein, das wissen wir nicht. Heutige Klimamodelle weisen ganz unterschiedliche Tendenzen aus, von einer w?rmeren Stratosph?re bis hin zu einer k?lteren. Wir k?nnen aber absch?tzen, dass die Stratosph?re f¨¹r etwa 10 Prozent des Wettergeschehens im Winter verantwortlich ist. Die Stratosph?re k?nnte den Klimawandel in der Nordhemisph?re sogar d?mpfen, so dass die Klimaerw?rmung ohne den Einfluss der Stratosph?re vielleicht noch extremer w?re.

Was ist das Ziel Ihrer Forschung?
Eines der Ziele ist, Langfristprognosen f¨¹r das Wetter zu erstellen, das heisst f¨¹r mehrere Wochen oder Monate. Eine Quelle solcher Vorhersagbarkeit ist die Stratosph?re auf Grund ihres Einflusses auf unser Wetter. Wir k?nnen zwar anhand eines Stratosph?renereignisses nicht das Wetter auf den Tag genau f¨¹r die n?chsten Wochen vorhersagen. Aber wir k?nnen Wahrscheinlichkeiten angeben, etwa f¨¹r K?lte- und Hitzewellen. Verst?rken sich beispielsweise die Winde in der Stratosph?re, wird es wahrscheinlicher, dass es in den darauffolgenden Wochen ¨¹ber Nordeuropa mehr St¨¹rme geben wird. Im Moment ist der Polarwirbel aber gerade extrem schwach.

Demnach wird es noch l?nger dauern, bis solche Daten in Langzeit-Prognosen von Wetter-Apps einfliessen?
Die Wettermodelle simulieren die Stratosph?re bereits, allerdings noch nicht gut genug. Dies f¨¹hrt weiterhin zu Fehlprognosen. Bei den normalen kurzfristigen Wettervorhersagen von mehreren Tagen haben wir viel mehr Erfahrung, denn sie wurden ¨¹ber Jahrzehnte verifiziert und verbessert. Bei l?ngeren Zeitskalen wissen wir im Moment noch viel weniger, und daf¨¹r m¨¹ssen wir die globalen Zusammenh?nge auf der Erde verstehen, nicht nur die Vorboten unseres Wetters ¨¹ber dem Nordatlantik. Wir arbeiten in unserer Forschung daran, diese Zusammenh?nge zu verstehen, um diese Erkenntnisse dann in Wetter- und Klimamodelle einfliessen zu lassen.

Was m¨¹ssen Sie als N?chstes erforschen, um die Wetterprognosen anhand von Stratosph?renereignissen zu verbessern?
Wir m¨¹ssen zuerst die Kopplung zwischen der Stratosph?re und unserem Wetter besser verstehen. Zwar wissen wir: Wenn in der Stratosph?re etwas geschieht, erkennen wir oft einen Effekt auf der Erdoberfl?che. In einem Drittel der F?lle sehen wir hingegen nichts. Das verstehen wir nicht. Die Frage ist, ob die entsprechenden Stratosph?renereignisse oder die Kopplung zur Erdoberfl?che in diesen F?llen zu wenig stark waren. Es ist auch m?glich, dass das Wetter ¨¹ber der Erdoberfl?che zu chaotisch war und keine Gelegenheit hatte, auf das Stratosph?renereignis entsprechend zu reagieren. Es kommt auch darauf an, wie lange die untere Stratosph?re das Signal aufrechterh?lt. Ich verstehe diese Schicht als Signalgeberin, die auf die Troposph?re einwirkt. Wenn das Wetter das Signal aufnimmt, dann kann dessen Einfluss relativ lange, das heisst ¨¹ber mehrere Wochen, anhalten.

Welches sind Ihre n?chsten Projekte?
Ich m?chte die Regionen, f¨¹r die langfristige Vorhersagen schwierig zu treffen sind, besser erforschen. Dazu geh?ren unter anderem Europa und Teile von S¨¹damerika. Zudem wissen wir noch sehr wenig ¨¹ber in der Forschung unterrepr?sentierte Regionen in Afrika, Asien, und S¨¹damerika. Dazu haben wir Projekte zu Brasilien und in S¨¹dafrika gestartet. Wir wollen herausfinden, ob wir Prozesse abbilden k?nnen, die noch nicht in den Modellen enthalten sind oder die wir besser in die Modelle integrieren k?nnen, mit numerischen Methoden oder Maschinellem Lernen, verkn¨¹pft mit einem verbesserten Prozessverst?ndnis. Zudem wollen wir weitere Extremereignisse finden, f¨¹r welche wir langfristige Vorhersagbarkeit generieren k?nnen. F¨¹r Hitze- und K?ltewellen wissen wir bereits viel ¨¹ber die Zusammenh?nge mit dem Wetter und die Auswirkungen auf den Menschen. Daneben gibt es aber auch Hinweise auf einen Einfluss der Stratosph?re und anderer Prozesse auf weitere Extreme, beispielsweise Einfl¨¹sse auf die Luftqualit?t oder Starkregen-Ereignisse, welche sich extrem auf den Menschen auswirken.