Lokale Kältewellen in Zeiten der globalen Erwärmung

Im laufenden Winter konnten über Europa erstaunlich grosse Luftdruckgegensätze beobachtet werden. Zwischen hohem Luftdruck über dem Atlantik und tiefem Luftdruck von Grönland bis nach Nordwesteuropa bildete sich in der zweiten Dezemberhälfte eine kräftige Westströmung aus, welche seither mehr oder weniger standhielt. Diese scharfe Grenze trennt die kalte Polarluft von der subtropischen Warmluft und ist auch als Frontalzone bekannt. Kleine Störungen an der Frontalzone führen zu einer Vermischung und Verwirbelung der zwei unterschiedlichen Luftmassen. Dadurch wird der Prozess einer Tiefdruckbildung in Kraft gesetzt. Je ausgeprägter die Frontalzone, desto einfacher und häufiger bilden sich kleine Tiefs, die dann rasch an Stärke zulegen können und mit der starken Westströmung als Sturmtiefs auf Europa treffen. Diese stürmische Grosswetterlage bescherte Mitteleuropa im Januar 2018 gleich drei Sturmtiefs in kurzer Abfolge. Zuerst fegte das Sturmtief Burglind mit Orkanböen über die Schweiz, bevor eine Woche später Evi und Friederike erneut orkanartige Böen im Flachland auslösten, einzelne Bäume umstürzen liessen und Dächer abdeckten.

Von Ende Dezember 2017 bis Mitte Januar 2018 wurden die USA von einer eisigen Kältewelle getroffen. In der Arktis, in Europa und Asien war es gleichzeitig aber deutlich zu warm. Lokale Kältewellen sind kein Widerspruch zur globalen Erwärmung. Bildquelle: University of Maine, ClimateReanalyzer.org

 

Milder Winter

Die stürmischen Westwinde peitschen milde Meeresluft nach Mitteleuropa. Der überdurchschnittlich warme Atlantik ist verantwortlich dafür, dass die Westströmung in diesem Jahr speziell milde Luft in die Schweiz führt. Entsprechend fiel der Januar 2018 bisher rund drei Grad milder aus, verglichen mit der Referenzperiode 1981-2010. Die ersten 12 Januartage blieben in Zürich sogar komplett frostfrei. Normalerweise gibt es im Januar in Zürich in zwei von drei Nächten Frost.

Das stürmische und milde Winterwetter in diesem Jahr täuscht darüber hinweg, wie der letzte Winter war. Oder können Sie sich an den letzten Januar erinnern?

 

Eisiger Januar 2017

Vor einem Jahr herrschte in der Schweiz eisige Kälte. Mit einer Durchschnittstemperatur von -3 Grad war es in Zürich der kälteste Jänner seit 30 Jahren. Es war rund sechs Grad kälter als im diesjährigen Januar. Kältewellen, wie sie die Schweiz im letzten Januar erlebte, finden auch im aktuellen Winter statt. In diesem Jahr traf es bisher aber nicht Europa, sondern Nordamerika. Der mittlere Westen und Nordosten der USA erlebten Ende Dezember und Anfang Januar zwei eisigkalte Wochen. Es war die heftigste Kältewelle seit 36 Jahren. Europa, Asien und Nordamerika wurden in den letzten Wintern immer wieder von harten Kältewellen getroffen. In diese Kategorie fällt auch der Februar 2012, welcher in Zürich -3,5 Grad kalt ausfiel.

Sehr milde und eisigkalte Wintermonate wechseln sich in den letzten Jahren scheinbar zufällig ab. Es stellt sich die Frage, ob diese unterschiedlichen Extreme zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden können? Und wie werden sich die zukünftigen Winter im Zuge der globalen Erwärmung in Mitteleuropa präsentieren?

 

Deutlich wärmere Winter

Heftige Kältewellen und eisigkalte Wintermonate sind in den letzten Jahren auf der Nordhemisphäre und auch in Mitteleuropa scheinbar wieder häufiger aufgetreten. Nichtsdestotrotz zeigt sich in einer langjährigen Betrachtung ein eindeutiger Erwärmungstrend. Praktisch überall, in Sibirien, Mitteleuropa und den USA, sind die Winter in den letzten 50, 100 und 150 Jahren deutlich milder geworden. Seit 1864 sind die Winter in der Schweiz um ganze 2 Grad wärmer geworden. Zwischen 1880 und 1890 lag die Wintertemperatur auf einem ausgesprochen tiefen Niveau. Von 1900 bis 1980 zeigte die Wintertemperatur dann einen auffallend ruhigen Verlauf ohne langfristige Änderung. 1987/88 erfolgte in Mitteleuropa ein sprungartiger Wechsel zu einer ausgeprägten Warmwinterphase, die in den letzten 15 Jahren durch einige Kältewellen etwas gedämpft wurde. Wie auf einer Treppe, welche aufwärts beschritten wird, pendelten sich die Temperaturen seither auf eindeutig höherem Niveau als zuvor ein. Sehr tiefe Wintertemperaturen traten seit Ende des 20. Jahrhunderts nicht mehr auf. Der kälteste Winter der letzten 30 Jahren brachte 2005/06 eine Durchschnittstemperatur von -0,9 Grad. In den Jahrzehnten davor gab es mehrere Winter, die sogar kälter als -4 Grad ausfielen. Die letzten 30 Winter sind also insgesamt deutlich milder als die Winter davor. Es zeigt sich aber, dass seit 1990 keine weitere Erwärmung des Winters stattgefunden hat. Dieses Phänomen ist nicht nur in der Schweiz zu beobachten, sondern in verschiedenen Gebieten der Nordhemisphäre.

Die Winter sind in der Schweiz seit 1864/65 um rund 2 Grad wärmer geworden. Bildquelle: MeteoSchweiz

 

Geschwächter Polarwirbel

Der Grund für die Erwärmungspause der Winter sind die bereits erwähnten Kältewellen, welche verschiedene Orten auf der Nordhemisphäre immer wieder mal treffen. Kältewellen im Winter sind natürlich nichts Aussergewöhnliches und bedürfen eigentlich keiner Erklärung. Das Wetter hat seinen natürlichen Spielraum und nutzt diesen hin und wieder aus. Trotzdem gibt es eine plausible Erklärung, weshalb heftige Kältewellen im Winter trotz globaler Erwärmung häufiger zu beobachten sind.

Mehrere wissenschaftliche Arbeiten geben Hinweise darauf, dass der Rückgang des arktischen Meereises zu den Kälteausbrüchen in den USA, Europa und Asien beigetragen hat. Ein sehr wichtiger Faktor ist im Klimageschehen der sogenannte Polarwirbel, ein Westwindband, welches die Nordhemisphäre im hohen Norden umschliesst und normalerweise die kalte Luft über der Arktis von der warmen Subtropenluft trennt. So präsentiert sich der Polarwirbel aktuell auch über dem Atlantik, wie eingangs ausgeführt. Wird dieser Polarwirbel aber geschwächt, kann die kalte Luft aus der Arktis weit in den Süden entweichen, was oftmals mit einem welligen (mäandrierenden) Westwindband zusammenhängt. So zeigt sich, dass langanhaltende Schwächephasen des Polarwirbels zu den kalten Wintern im nördlichen Eurasien beigetragen haben. Solche Schwächephasen des Polarwirbels können durch eine überdurchschnittlich warme Arktis ausgelöst werden. Und genau das geschieht im Zuge der globalen Erwärmung. Die Arktis erwärmt sich vor allem im Herbst und Winter rasant. Das fehlende Meereis verhindert eine Auskühlung im Herbst, so dass die Nordpolregion bis tief in den Winter mit Wärme versorgt bleibt.

 

Die Klimaszenarien rechnen auch in Zukunft mit einer weiteren Zunahme der Wintertemperaturen auf der Nordhemisphäre. Andere Jahreszeiten, allen voran der Sommer, erwärmen sich in Mitteleuropa und der Schweiz aber deutlich schneller als der Winter. Der wohl auch zukünftig geschwächte Polarwirbel wird jedoch dafür sorgen, dass die Nordhalbkugel und der Alpenraum auch in den nächsten Jahren ab und zu von ausgeprägten Kältewellen aus der Arktis getroffen werden. Die weitere Wintererwärmung könnte sich also wiederum in Form eines nächsten Schrittes aufwärts auf der Treppe der globalen Erwärmung präsentieren, gefolgt von einzelnen kalten Wintermonaten.

Lokale Kältewellen in Zeiten der globalen Erwärmung

Eine Luftdruckschaukel bestimmt unser Winterwetter

wintertemp_abw_NAO

Die Säulen zeigen die Abweichung der Wintertemperaturen (Dezember-März) in Zürich gegenüber der Referenzperiode 1961-1990. In rot sind jeweils die Winter eingefärbt, welche durch eine positive NAO und AO geprägt wurden. In blau Winter mit einer negativen NAO und AO. Graue Säulen zeigen Winter ohne vorherrschende Oszillationen.

Europa erlebt dank konstanter Westströmung einen typischen Mildwinter. In den 90er-Jahren sorgte eine Reihe solcher Winter für eine spürbare Erwärmung der Wintermonate.

Sturm- und Orkantiefs fegen über Grossbritannien und Irland, der Alpensüdhang versinkt im Schnee, Italien wird überschwemmt und in Mitteleuropa herrscht ruhiges und viel zu mildes Winterwetter. Das sind keine zufälligen Wetterkapriolen, sondern es ist das bekannte Muster eines europäischen Warmwinters, wie er vor sechs Jahren das letzte Mal vorkam. Ob ein Winter in Europa kalt oder warm ausfällt, darüber entscheidet die so genannte Nordatlantische Oszillation (NAO), eine Luftdruckschaukel über dem Atlantik.

Wintermacherin NAO

Sitzt auf der einen Seite der Schaukel, bei Island, ein starkes Tief und auf der anderen Seite, über der Inselgruppe vor Portugal, ein schweres Azorenhoch, sprechen Klimatologen von einer positiven Phase der Oszillation. Diese Konstellation erzeugt kräftige Westwinde, in Mitteleuropa sorgt die herangewehte Meeresluft für milde Winter. Je nach Lage der beiden Druckgebilde über dem Atlantik kommt die Strömung etwas mehr aus dem Süden, wie in diesem Jahr, so dass die Temperaturen besonders hoch liegen und die Alpennordseite im Schutz des Alpenkamms kaum mit Regen oder Schnee beliefert wird. Ganz anders sieht es dann am Alpensüdhang aus. Kleinräumige Tiefdruckgebiete über dem Golf von Genua sorgen für Extremniederschläge in Italien, über dem Balkan und auf der Alpensüdseite der Schweiz und Österreich. Die Schneehöhe liegt südlich der Alpen mit bis zu 4 Meter, oder 170 % des langjährigen Mittels, teilweise auf Rekordniveau.

Im umgekehrten Fall, der negativen Phase der NAO, schwächeln die Druckgebilde über dem Atlantik und ein mächtiges Kältehoch über Russland hat einfaches Spiel mit anhaltenden Winden aus Norden und Osten das winterliche Europa nördlich der Alpen in eine Gefriertruhe zu verwandeln. Solche Verhältnisse sind in Europa in diesem Winter nicht einmal in den kühnsten Träumen vorstellbar. Ganz anders auf der anderen Seite des Atlantiks. Dort sorgen wiederholte Kaltluftausbrüche aus dem hohen Norden für stark unterkühlte Wintertemperaturen. Es spielen sich ähnliche Szenen ab, wie in den letzten Jahren, vor allem jeweils im Februar, in Europa. Immer wieder brechen arktische Kaltluftmassen aus ihrem Reservoir, dem Polarwirbel, aus und fluten die angrenzenden Landmassen. Das Paradoxe dabei ist, dass genau diese Kaltluftausstösse mitunter verantwortlich sind für die positive Phase der NAO und somit für den Warm- und Kapriolen-Winter in Europa. Denn die Kaltluftausbrüche in den USA, die sich nachfolgend auch über den Atlantik ergiessen, fachen die Tiefdrucktätigkeit zwischen Island und den Britischen Inseln an, so dass mit westlicher Strömung milde Luft nach Europa gelangt.

Kalte USA – warmes Europa

Der Winter in Europa ist aber keinesfalls nur dann zu mild, wenn es in den USA zu kalt ist. Es gibt auch Grosswetterkonstellationen, bei denen Europa und Nordamerika gleichzeitig mildes oder im umgekehrten Fall kaltes Winterwetter bekommen. Diese Grosswetterlagen werden durch den Polarwirbel bestimmt und mit der arktischen Oszillation (AO) beschrieben. Sie kann als grosse Schwester der NAO angesehen werden und funktioniert sehr ähnlich.  Die atmosphärischen Druckverhältnisse über der Arktischen Region oszillieren zwischen zwei grundverschiedenen Mustern. In der positiven Phase der AO herrscht über der Arktis tieferer Luftdruck und über den angrenzenden Regionen höherer Druck als üblich. Bei dieser Konstellation bleiben die kalten Luftmassen in der Polarregion, im Polarwirbel, eingeschlossen, so dass Europa und die USA milde Winter erleben. Bei der umgekehrten, der negativen Phase der Oszillation, ist der Luftdruck über der Arktis höher und in der Umgebung tiefer als üblich, dies fördert Kaltluftausbrüche nach Süden in die niedrigeren Breiten (Europa und USA). Der Polarwirbel kann aufbrechen, so dass es in der Folge jeweils in den USA wie auch in Europa eisigkalt wird.

Nächster Winter wieder kalt?

Der mitteleuropäische Winter und somit auch der Winter in Zürich wird massgeblich durch die Luftdruckschaukel über dem Atlantik (NAO) und dem Zustand des Polarwirbels (AO) beeinflusst. Bei positiver (negativer) Oszillation beider Muster erwarten Klimatologen mildes (kaltes) Winterwetter in Europa. Dies widerspiegelt sich auch in den Beobachtungen der Zürcher Wintertemperaturen seit 1951 (siehe Grafik). Keine andere Jahreszeit in Europa wird in ähnlichem Stil durch eine Oszillation so grundlegend gesteuert wie der Winter durch die NAO und AO. Die Winter-Oszillationen schwanken aber nicht nur kurzzeitig, sondern weisen auch so etwas wie ein Langzeit-Gedächtnis auf. Diese dekadische Schwankung kann die Winter über eine ganze Menschengeneration prägen. Zwischen 1951 bis 1971 gab es eine Phase mit sehr kalten Wintern mit 1963 als Höhepunkt. Alle ausgelöst durch eine negative Phase der NAO und AO (blau). Ab 1988 folgte eine Phase sehr warmer Winter, unterstützt durch eine positive Phase der NAO und AO (rot). Seit dem Jahrtausendwechsel treten wieder vermehrt negative Oszillationen auf, welche im Jahrzehnt zuvor praktisch ganz fehlten. Trotzdem gab es auch unter Einfluss der negativen Phase der NAO und AO milde Winter, wenn auch nicht ganz so mild, wie bei einer positiven Oszillation. Dass Winter mit einer negativen NAO und AO nicht mehr so kalt sind wie vor 50 Jahren dürfte der globalen Erwärmung zuzuschreiben sein, welche das Temperaturniveau allgemein anhob. Der starke Temperaturanstieg der Winter zwischen 1950 und 2000 dürfte aber zu einem beachtlichen Teil durch den natürlichen Phasenwechsel der NAO und AO ausgelöst worden sein. Die letzten Jahre haben gezeigt, dass eine stark negative Phase der NAO und AO durchaus auch in einem wärmeren Klima kalte Winter in Europa oder den USA bringen kann. Was das für die kommenden Winter bedeutet, ist ungewiss. Kalt wie im Eiswinter 1963 wird es so schnell aber wohl nicht mehr.

Auch wenn der Winter im Flachland nicht das ist, was viele von ihm erhoffen, kommt das Schweizer Flachland derzeit im Vergleich zu unseren Nachbarn im Süden und auf den Britischen Inseln punkto Wetterextreme glimpflich davon.

Eine Luftdruckschaukel bestimmt unser Winterwetter