Werden Wetter und Klima in den mittleren Breiten durch die verstärkte Erwärmung der Arktis beeinflusst?

Viele Faktoren und Regionen können beeinflussen, wie sich das Wetter und das Klima der mittleren Breiten im Zuge der globalen Erwärmung verändert. Insbesondere die dramatischen Veränderungen in der Arktis und den Tropen üben einen konkurrierenden Einfluss auf die atmosphärische Zirkulation in den mittleren Breiten aus, der besser verstanden und quantifiziert werden muss. Dieses Tauziehen zwischen den Auswirkungen der Arktis und der Tropen spiegelt die Komplexität der verschiedenen Einflüsse auf die Variabilität in den mittleren Breiten wider.

Die Arktis hat sich in den letzten Jahrzehnten stärker erwärmt als die meisten anderen Regionen der Welt. Diese arktische Verstärkung – die übermäßige Erwärmung der Arktis im Vergleich zum globalen Mittelwert – geht mit einem noch nie dagewesenen Verlust des arktischen Meereises einher. Es wurde angenommen, dass die arktische Verstärkung durch die Verringerung des Temperaturkontrasts zwischen Äquator und Pol zu Veränderungen des Strahlstroms in der oberen Troposphäre, der planetarischen Wellen und der Zugbahnen von Stürmen führen könnte. Die tiefgreifenden Veränderungen in der Arktis scheinen zudem mit einer beobachteten Zunahme von Extremwetterereignissen in den mittleren Breiten einherzugehen. Die Winter in Nordamerika und Eurasien waren ungewöhnlich kalt, während die Winter in der Arktis relativ mild blieben. Insbesondere die ungewöhnliche Abkühlung im Winter über Eurasien wurde mit einer Erwärmung über der Barents- und Karasee in Verbindung gebracht. Dies ist ein Variabilitätsmuster, das als Warm Arctic Cold Siberia (WACS)-Muster bekannt ist (Abb. 1, linkes Bild).

Es ist umstritten, ob es sich beim WACS-Muster um ein Muster handelt, das durch externe Klimaantriebe gesteuert wird oder um eine Erscheinungsform der natürlichen Variabilität (Doblas-Reyes et al., 2021). Forschende des Max-Planck-Instituts für Meteorologie haben beobachtungsbasierte Analysen benutzt, um die Rolle von blockierenden Wetterlagen, auch Blocking genannt, als Bindeglied zwischen dem arktischen Meereisverlust und häufigeren Kältewellen in den mittleren Breiten auf verschiedenen Zeitskalen zu untersuchen. Das Wetter in den gemäßigten Klimazonen ist durch wechselhafte Bedingungen gekennzeichnet, die von Tief- und Hochdrucksystemen bestimmt werden. Sie sind für die Aufrechterhaltung des Energiegleichgewichts des Planeten wichtig. Diese Systeme bilden sich hauptsächlich über den Ozeanen und ziehen nach Osten, wodurch die bekannten Zugbahnen von Stürmen entstehen. Manchmal bewegen sich die Hochdrucksysteme nicht weiter, sondern verweilen stationär. So entsteht das Muster einer blockierenden Wetterlage, eines Blockings. Die Ostwärtsbewegung der Wettersysteme wird dadurch behindert; die Strömung dreht auf Ost und erhält zusätzlich eine starke meridionale (nord-süd) Komponente. Diese mit blockierenden Wetterlagen verbundenen Wetterstörungen können länger als eine Woche andauern. Infolgedessen kann die intensive und langanhaltende äquatorwärts gerichtete Advektion von Luftmassen polaren Ursprungs und die polwärts gerichtete Advektion von Luftmassen subtropischen Ursprungs über große Entfernungen extreme Kälteperioden im Winter bzw. schwere Hitzewellen im Sommer in den mittleren Breiten auslösen.

Die Analyse der Wissenschaftler*innen auf der Grundlage von Beobachtungs- und Reanalysedaten hat eine belastbare Verbindung zwischen dem Ural-Blocking (abgekürzt UB; großräumiges Hoch über dem Uralgebirge in Westsibirien) und dem WACS-Muster auf Zeitskalen von mehreren Tagen bis zu mehreren Wochen ergeben (Abb. 2, oberes Bild, Tyrlis et al., 2020). Überraschenderweise steuert das UB auf diesen Zeitskalen das Tempo des WACS; die Erwärmung über der Barents- und Karasee und die Abkühlung über Zentralasien erreichen ihren Höhepunkt 3 bis 5 Tage nach dem Einsetzen des UB (Abb. 2, linkes und mittleres Bild). Auch die Barents- und Karasee erwärmen sich und verlieren nach dem Einsetzen des UB an Meereis (Abb. 2, rechtes Bild). Das beobachtete Meereisdefizit in der Barents- und Karasee in den Wochen vor dem Beginn des UB ist statistisch unerheblich, wenn man den langfristigen Trend des Meereises herausrechnet. Der schnelle Auf- und Abbau der anomalen turbulenten Wärmeflüsse, die der Entwicklung der oberflächennahen Temperaturanomalien folgen, ist ein Hinweis darauf, dass die Variabilität des Meereises auf kurzen Zeitskalen von der Atmosphäre bestimmt wird (Tyrlis et al., 2020). Auf Zeitskalen von einigen Tagen bis mehreren Wochen hat das Meereisdefizit also keinen direkten Einfluss auf das Auftreten des UB, sondern entwickelt sich stattdessen als verzögerte Reaktion auf das UB. Die zwischenjährliche Variabilität von WACS ist ebenfalls stark mit dem UB verbunden.

Ein charakteristisches Beispiel für arktischen Meereisverlust, der durch die vom UB ausgelöste atmosphärische Zirkulation verursacht wird, ist der Herbst und Frühwinter 2016-2017. Dieser Zeitraum war von wiederholten Kältewellen über den mittleren Breitengraden Eurasiens, außergewöhnlich warmen Bedingungen und Meereisverlust in der Arktis sowie der für die Jahreszeit ungewöhnlichen Abschwächung des stratosphärischen Polarwirbels geprägt. Die Analyse von Beobachtungs- und Reanalysedaten hat Aufschluss über die dynamischen Bedingungen gegeben, die diese extremen Phänomene verursacht haben. Nach ungewöhnlich niedrigen Meereiskonzentrationen im Frühherbst über dem pazifischen Sektor der Arktis herrschten blockierende Hochdruckgebiete während des gesamten Herbstes über Eurasien vor. Die UB-Aktivität lag viermal über dem klimatologischen Niveau, und die blockierenden Wetterlagen traten in mehreren aufeinander folgenden Ereignissen auf. Diese UB-Episoden spielten sowohl beim beispiellosen Meereisverlust, der im Spätherbst 2016 über der Barents- und Karasee beobachtet wurde, als auch bei der Schwächung des stratosphärischen Wirbels eine Schlüsselrolle (Tyrlis et al., 2019). Jede dieser blockierenden Hochdrucklagen verursachte Zirkulationsanomalien, die in ihrem Süden zu Kaltluftadvektion und ihrem Norden zu Warmluftadvektion führten. Die oberflächennahen Erwärmungsanomalien in der Arktis und die Abkühlungsanomalien in den mittleren Breiten Eurasiens variierten im Einklang mit der Dauer der UB-Episoden.

 

 

Abb. 1: Beobachtungsdaten über die Entwicklung des Warm Arctic Cold Siberia (WACS)-Musters und des Ural-Blocking im Zeitraum 1991-2014. Links: Rückgang des mittleren Meeresspiegeldrucks im Dezember, Januar, Februar (MSLP, Tiefenlinien) und der 2m-Lufttemperatur (T2m, Farbschattierungen) auf der zweiten normalisierten Hauptkomponente (PC2). Das Konturintervall beträgt 0,5 hPa, die durchgezogene und gestrichelte Linien bezeichnen positive bzw. negative Werte, während die Nullkontur unterdrückt ist. Rechts: Zwischenjährliche Entwicklung des normalisierten PC2 (grau), der mittleren Häufigkeit von Blockings im Dezember, Januar, Februar (orange), gemittelt über den Sektor 40-100oE, 61oN und den WACS-Index (WACSI; lila). Rote und blaue Punkte kennzeichnen den Winter, der zum oberen bzw. unteren Quartil des PC2 gehört (aus Tyrlis et al., 2020). PC2 ist die zweite Hauptkomponente einer Analyse der Empirischen Orthogonalunktionen, die an den nicht-trendbereinigten T2m-Anomalien (1979-2017) über dem Gebiet 0-180oE, 20-90oN durchgeführt wurde.

 

 

Abb. 2: Oben: Zusammengesetzte mittlere Abweichungen des mittleren Meeresspiegeldrucks (MSLP, Tiefenlinien; in hPa) und T2m (Farbtöne; in Celsius) vom täglichen Jahresgang nur für Tage im Dezember, Januar, Februar, an denen blockierende Wetterlagen (BE) während des Zeitraums 1979-2017 bei 80oE, 61oN identifiziert wurden. Das Konturintervall beträgt 2 hPa. Durchgezogene Linien kennzeichnen positive Trends, gestrichelte Linien negative Trends. Die Nullkontur ist unterdrückt (aus Tyrlis et al., 2020). Linkes und mittleres Bild: Tägliche Entwicklung der zusammengesetzten T2m-Anomalien (aus dem täglichen Jahresgang) in Bezug auf den Beginn des UB bei 60oE, 65oN. Die Anomalien werden über die Barents- und Karasee (BKS; 30-80oE, 75-85oN) und Zentralasien (CAS; 60-100oE, 50-60oN) gemittelt. Es werden nur Tage im Dezember, Januar, Februar aus dem Zeitraum 1979-2017 berücksichtigt. Rechts: Entspricht dem linken und mittlerem Bild, aber für die zusammengesetzten Anomalien der Meereisbedeckung (SIC) gemittelt über die Region (20-60oE, 70-80oN). Die statistische Signifikanz der flächengemittelten Anomalien wird mit Hilfe einer Monte-Carlo-Methode bewertet. In den Bereichen, in denen die Kurven außerhalb der farblichen Regionen liegen, sind die Anomalien auf dem 95%-Niveau statistisch signifikant (aus Tyrlis et al., 2020).

 

 

 

Abb. 3: (a) Linearer Trend des mittleren Meeresspiegeldrucks von Dezember bis Februar (durchgezogene Tiefenlinien) und T2m (Farbschattierungen) im Zeitraum 1991-2014. (b) Linearer Trend der Häufigkeit von gemittelten blockierenden Wetterlagen (BE) im Dezember bis Februar (% pro Jahrzehnt) im Zeitraum 1991-2014. Grüne Punkte markieren Gitterpunkte, an denen die Trends auf dem 95 %-Niveau statistisch signifikant sind (aus Tyrlis et al., 2020).
 

Das Minimum der Meereisbedeckung über der Barents- und Karasee wurde 2016 nicht wie üblich im Spätsommer, sondern erst Mitte November und Dezember beobachtet, kurz nach den beiden stärksten UB-Episoden. Jede UB-Episode führte zu einer intensiven Aufwärtsbewegung von Wellenaktivität, die im November zu einer für die Jahreszeit untypischen Abschwächung des stratosphärischen Wirbels führte. Die Auswirkungen dieser Abschwächung auf die Oberfläche können mit der Verlagerung von blockierenden Wetterlagen und Kälteeinbrüchen Richtung Europa im Frühwinter 2017 in Verbindung gebracht werden.

Besonders unklar ist die Rolle des Meereisrückgangs in der Barents- und Karasee, der sich ab den späten 1990er Jahren abzeichnete und die Häufigkeit und Langlebigkeit von blockierenden Wetterlagen veränderte. Dies führte durch das WACS-Muster zu einer Abkühlung Eurasiens. In den Beobachtungsdaten haben die Forschenden einen bedeutenden Aufwärtstrend in der Häufigkeit des Auftretens von UB im Winter in den letzten Jahrzehnten festgestellt, der eine Abkühlungsrate von 1 oC/Dekade über Zentralasien ausmacht (Abb. 1, rechtes Bild, und Abb. 3). Über der Barents- und Karasee erklären die UB-Trends nur einen kleinen Teil der Erwärmung, die von der arktischen Verstärkung dominiert wird (Abb. 3). Ob die langfristigen Veränderungen in der Arktis die Ursache für den UB-Trend sind, bleibt eine offene Frage; die Beobachtungsstudien können Ursache und Wirkung auf dieser Zeitskala noch nicht entschlüsseln.

Der Bedarf an koordinierten Multi-Modell-Simulationen, Datenanalysen und Diagnosen zur Untersuchung der Auswirkungen der arktischen Verstärkung auf die Zirkulation und das Klima in den mittleren Breiten war offensichtlich. Daher wurde das Polar Amplification Model Intercomparison Project (PAMIP) gegründet, das von Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Meteorologie mitentwickelt wurde (Smith et al., 2019). Die erste koordinierte Analyse der PAMIP-Experimente, die mit 16 modernen Atmosphärenmodellen (einschließlich ECHAM6) durchgeführt wurden, hat eine belastbare, aber schwache Auswirkung der verstärkten Erwärmung der Arktis auf das Wetter und das Klima in den mittleren Breiten ergeben (Smith et al., 2022). Die Forschenden fanden heraus, dass der arktische Meereisverlust, und die daraus resultierende verstärkte Erwärmung der Arktis, zu einer Abschwächung der troposphärischen Westwinde in mittleren Breiten und einer Verschiebung der Zugbahnen von Stürmen in Richtung Äquator führt. Dies stimmt mit einer negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation überein. Diese Reaktion in der Troposphäre tritt in allen Modellen auf, wenn auch mit einer großen Streuung zwischen den Modellen hinsichtlich ihrer Stärke. Die Unterschiede zwischen den Modellen bei der Reaktion auf die Westwindstärke hängt mit der Streuung bei der Rückkopplung der Impulsflüsse der Störungen in mittleren Breiten zusammen, die in den Modellen 1,2 bis 3 Mal zu schwach ist (Abb. 4). Folglich wird die simulierte Reaktion der atmosphärischen Zirkulation auf den arktischen Meereisverlust und auf die daraus resultierende verstärkte Erwärmung der Arktis unterschätzt. Dies wirft die Frage auf, wie gut entscheidende Prozesse wie blockierende Wetterlagen, die die Reaktion auf die verstärkte Erwärmung der Arktis beeinflussen, in den Klimamodellen dargestellt werden.

 

 

Abb. 4: Die Eingrenzung der troposphärischen Reaktion basiert auf der Ensemble-Regression zwischen der Wirbelimpuls-Rückkopplung und dem zonalen Windreaktionsindex (ZWRI). Die schwarze Linie zeigt die Regression mit einer Schraffur, die das 95%-Konfidenzintervall anzeigt. Die horizontale grüne Linie zeigt die eingegrenzte mittlere Reaktion des Ensembles, wobei die Schattierung das 95%-Konfidenzintervall anzeigt. Die vertikale schwarze Linie und die graue Schattierung zeigen den Mittelwert und den Bereich der Wirbelrückkopplung aus den Reanalysen. Die Ellipsen zeigen die 95%igen Unsicherheiten, die durch Bootstrapping mit Ersatz der Ensemblemitglieder erhalten wurden. Für die Berechnung der p-Werte wird ein einseitiger Test verwendet, da erwartet wird, dass die Reaktion mit zunehmender Wirbelrückkopplung zunimmt. Alle Angaben beziehen sich auf den Mittelwert für Dezember bis Februar (aus Smith et al. 2022).
 

Trotz eines entscheidenden Beitrags der blockierenden Wetterlagen zum Verständnis der Dynamik, die zu Klimaextremen in den hohen Breiten führt, und möglicher Verbindungen zu Zirkulationsanomalien in niedrigeren Breiten, wird ihre Erforschung durch Unsicherheiten im Zusammenhang mit der Definition der blockierenden Wetterlagen selbst behindert. Eine allgemeingültige Definition des Begriffs „Blocking (blockierende Wetterlage)“ und eine einheitliche Theorie, die die Dynamik der Entstehung, Aufrechterhaltung und des Abbaus von Blockings erklärt, gibt es noch nicht. Aus diesem Grund wurde eine Vielzahl von Blocking-Indizes entwickelt, die jeweils unterschiedliche Aspekte des Phänomens berücksichtigen. Die verschiedenen Indizes ergeben oft unterschiedliche Klimatologien der blockierenden Wetterlagen. Solche Diskrepanzen sind besonders bemerkenswert im Fall von Blockings in hohen Breitengraden (high-latitude blocking, HLB). Sie können erhebliche Auswirkungen auf die Untersuchung der arktischen blockierenden Hochdruckgebiete haben, die eine wichtige Ursache für das sommerliche Abschmelzen des arktischen Meereises sind. So hat sich beispielsweise herausgestellt, dass die Rolle des Grönlandblockings für das sommerliche Abschmelzen des Grönlandeises von größter Bedeutung ist.

Die Unstimmigkeiten bei der Erfassung von Blockings in hohen Breitengraden werden deutlich, wenn man die mit zwei bekannten Techniken ermittelten Blocking-Klimatologien vergleicht: den Blocking-Index für potenzielle Wirbelstärke und potenzielle Temperatur (PV-θ) (Pelly und Hoskins, 2003) sowie die Methode zur Umkehrung der absoluten geopotentiellen Höhe (absolute geopotential height, AGH) (Davini et al., 2012). Der AGH-Algorithmus ergibt auffallend weniger winterliche Blockings in hohen Breitengraden über Grönland und der Beringstraße im Vergleich zum  PV-θ -Algorithmus (Abb. 5). Die Diskrepanz wird durch eine Änderung der Kriterien für die Erkennung von Blockings, die von der AGH-Methode für Breitengrade über 60°N verwendet werden, behoben. Dies führt zu einer Annäherung der Klimatologie, der zwischenjährlichen Variabilität und der Blocking-Trends in hohen Breitengraden zwischen den beiden Methoden (Tyrlis et al., 2021). Die besser abgestimmte AGH-Methode kann ein wertvolles Instrument für die Abschätzung zuverlässiger Trends von Blockings in hohen Breitengraden in Klimamodellprojektionen sein. Zudem kann sie auch entscheidend für ein besseres Verständnis der arktischen Verstärkung und der Klimazusammenhänge in den mittleren Breiten sein.

 

 

 

Abb. 5: Häufigkeit von Blocking-Episoden im Wintermittel (Dez-Feb) über der nördlichen Hemisphäre. Ermittelt durch den 2D PV-θ Blocking-Index (a) und modifizierte Versionen des 2D-Blocking-Index eingeführt durch Davini et al. (2012, b-c). In (b) wird der Wert CT = -10 m (°lat)-1 auf die gesamte Hemisphäre angewendet, während in (c) stattdessen der Wert CT = 0 m (°lat)-1 nur nördlich von 60°N verwendet wird (aus Tyrlis et al., 2021).
 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass auf der kürzeren Zeitskala (täglich bis zu ein paar Wochen) die atmosphärische Dynamik in den mittleren Breiten das arktische Wetter und Klima erheblich beeinflusst. Auf der längeren Zeitskala zeigt die erste koordinierte Multi-Modell-Studie einen belastbaren, aber relativ schwachen Einfluss der Arktis auf das Wetter und das Klima in den mittleren Breiten. Ob Veränderungen in der Arktis in Zukunft wesentlich zu Veränderungen der Variabilität in den mittleren Breitengraden beitragen, insbesondere wenn andere Einflüsse – wie die Erwärmung in den Tropen – eine Rolle spielen könnten, ist noch nicht bekannt. Die aktuellen Klimamodelle unterschätzen die Verbindungen zwischen der Arktis und den mittleren Breitengraden. Das ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass die Modelle den vorhersagbaren Teil der Klimavariabilität über dem Atlantik unterschätzen (Scaife und Smith, 2018). Darüber hinaus wirft die durch die globale Erwärmung verursachte Nichtstationarität die Frage auf, wie sich Fernwirkungen und Auswirkungen zwischen der Arktis und den mittleren Breiten in Zukunft verändern könnten.

 

Literaturhinweise

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Kontakt:

Dr. Daniela Matei
Max-Planck-Institut für Meteorologie
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Dr. Elisa Manzini
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: elisa.manzini@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Jürgen Bader
Max-Planck-Institut für Meteorologie
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Prof. Dr. Evangelos Tyrlis
Jetzt am: National and Kapodistrian University of Athens
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