Die stabile Hochdrucklage in Europa am 1. Juli 2015. © NASA World View.
Stabile Hochdrucklagen können im Sommer zu Hitzewellen führen – so wie sie die Schweiz dieses Jahr erlebt. Verantwortlich dafür ist das sogenannte Blocking, die Blockierung von Tiefdruckgebieten. Meteorologen der ETH Zürich liefern jetzt neue Erklärungen zur Entstehung von Blocking-Inseln.
Im Jahr 2003 erlebte Europa einen Jahrhundertsommer, und viele Menschen fühlen sich dieses Jahr daran erinnert. Mitten in dieser Hitzewelle publiziert nun das Fachmagazin «Nature Geoscience» eine Studie, die zur Erklärung solcher Extremwetterlagen beitragen kann. Seit rund zwei Jahren hat ein ETH-Forschungsteam Klimadaten aus aller Welt ausgewertet, um der Entstehung stabiler Hochdruckgebiete auf den Grund zu gehen. Schon länger ist bekannt, dass sehr stabile Hochdruckgebiete in der oberen Troposphäre, also auf einer Höhe von 5 bis 10 Kilometern, im Sommer Hitzewellen auslösen können. Die Forschung nennt diese speziellen Hochdrucklagen «Blocking», weil sie Tiefdruckgebiete links und rechts von sich ablenken und damit im Sommer zu «Schönwetterinseln» führen können. Diese Inseln mit einem Durchmesser von rund 2000 Kilometern können sich über grosse Teile Europas erstrecken. Sie unterbrechen die typische Westströmung vom Nordatlantik, die sonst wetterbestimmend für unsere Regionen ist.
Umgekehrtes Schwitzen
Während sich die bisherige Forschung zur Erklärung von Blocking vor allem auf die Zirkulation von Luftmassen innerhalb der oberen Troposphäre konzentriert, schlägt die Forschungsgruppe Atmospheric Dynamics von ETH-Professor Heini Wernli nun einen neuen Ansatz vor. «Wir zeigen, dass auch das Aufsteigen von Luftmassen aus der unteren Troposphäre entscheidend für die Entstehung und Aufrechterhaltung solcher Systeme ist», erklärt Stephan Pfahl, Wissenschaftler in Wernlis Gruppe.
Wichtig ist dabei das «latente Heizen»: In den aufsteigenden Luftmassen bilden sich Wolken, es kondensiert Wasserdampf, und dabei wird sogenannte latente Energie frei. «Das ist umgekehrt zum Schwitzen, bei dem das Wasser verdunstet und der Körper gekühlt wird», erklärt Pfahl. Die daraus resultierende Erwärmung des Luftpakets kann zu einem weiteren Aufstieg führen. Das latente Heizen liefert also einen Teil des Antriebs für den Aufstieg der Luftmassen.
Zeitversetzter Prozess
In der Analyse von Wetterdaten der vergangenen 21 Jahre haben die ETH-Forscher nun herausgefunden, dass in den drei Tagen bevor die Luftmassen die Blocking-Region erreichen bis zu 45 Prozent der Luftmassen durch diesen Prozess erhitzt wurden, in der Woche davor sogar bis zu 70 Prozent. Man kann sich das einfach mit der Wetterentwicklung vor Augen führen: Auf dem Atlantik bilden sich Wolken oder Schlechtwettergebiete – und ein paar Tage später entstehen die Inseln mit sonnigem Wetter über Europa. «Der Prozess ist also immer zeitversetzt; in der Woche vor dem Blocking erfahren deutlich mehr als die Hälfte der Luftmassen diesen Prozess des latenten Heizens», so ETH-Professor Heini Wernli.
Wernli ist seit 20 Jahren auf die Untersuchung von Tiefdruckgebieten spezialisiert, für die das latente Heizen schon länger als essentieller Prozess erkannt worden ist. Das Forschungsteam beschäftigt sich seit gut 10 Jahren mit dem Blocking-Phänomen. «Am Anfang stand vor allem die Neugier, warum die Strömung von der Westströmung plötzlich in einen anderen Zustand wechselt», sagt Wernli. Mit der vorliegenden Arbeit wurden nun Erkenntnisse aus der Erforschung von Tiefdruckgebieten mit denjenigen aus der Blocking Forschung kombiniert.
Millionen Daten ausgewertet
Ausgewertet haben die ETH-Forscher einen immensen Satz von Daten aus Bodenmessungen, Ballonen, Flugzeugen und Satelliten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage in Reading, Grossbritannien. Es liefert alle sechs Stunden globale Daten zu Wind, Temperatur, Wolkenbildung und Feuchtigkeit. Stephan Pfahl hat mithilfe von Trajektorienrechnungen die Bewegung einzelner Luftpakete untersucht, die zur Bildung der Blocking-Regionen beitragen. Mehr als 100 Millionen Trajektoren wurden ausgewertet.
Die jetzt gewonnenen Erkenntnisse könnten auch für weitere Themen der Klimaforschung nützlich sein. «Wegen der Klimaerwärmung gelangt mehr Feuchtigkeit in die Luft. Dadurch wird mehr latente Hitze freigesetzt, was auch zu einer Änderung in der Häufigkeit von Blocking-Wetterlagen führen könnte», sagt Pfahl. «Aber das ist noch sehr spekulativ, daran müssen wir noch weiter forschen.» Eine konkrete Anwendung der neuen Erkenntnisse ist auch für die Wettervorhersage denkbar: Oft verpasst diese nämlich den Zeitpunkt der Bildung oder des Zerfalls des Blocking, mit grossen Auswirkungen für die Wetterentwicklung. Man müsste also schauen, wie gut der Prozess des latenten Heizens in den Wettermodellen abgebildet wird.
Blocking sorgt auch für Hochnebel
Blocking tritt übrigens nicht nur im Sommer auf. Im Winter führt es zu kalten Hochnebellagen, die uns im Schweizerischen Mittelland bestens bekannt sind, aber von der Po-Ebene bis Nord-Deutschland überall auftreten. «Also all die Wetterlagen, über die sich die Menschen immer beklagen», sagt Wernli lachend: von der extremen Hitze bis zum grau-kalten Winterwetter.
von Astrid Tomczak-Plewka, ETH Zürich, 21.07.2015
Originalpublikation:
Pfahl S, Schwierz C, Croci-Maspoli M, Grams CM, Wernli H: Importance of latent heat release in ascending streams for atmospheric blocking. Nature Geoscience, 20. Juli 2015, doi: 10.1038/ngeo2487