Thema des Tages 

Ein Hoch auf die Stratosphäre 

Stratosphärische Zirkulationen wie die Quasi-Biennale Oszillation 
könnten mehr Einfluss auf unser Wetter haben, als bisher vermutet. 
Dazu gibt es neue wissenschaftliche Erkenntnisse. 

Die quasi-zweijährige Schwingung oder auch Quasi-biennale Oszillation 
(QBO) ist eine periodische Umkehr des zonalen Windes (Windkomponente 
in West-Ost-Richtung oder umgekehrt, also entsprechend West- oder 
Ostwinde) in der äquatorialen Stratosphäre der Erde. Sie tritt in 
einer Höhe von rund 16 bis 40 Kilometern mit einem Maximum bei circa 
20 bis 25 Kilometern Höhe auf. Die Periode schwankt dabei seit Beginn 
der Beobachtungen im Jahr 1953 zwischen 22 und 34 Monaten, wobei die 
mittlere Periode 27 Monate beträgt. 

In einer aktuellen wissenschaftlichen Studie (veröffentlicht am 
18.05.2020, für fachlich Interessierte hier im Originaltext zu lesen: 
https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-020-05285-4) werden 
u.a. Zusammenhänge der QBO mit troposphärischen Strömungsmustern im 
europäisch-atlantischen und pazifischen Raum aufgezeigt. 

Hierfür wurden Datensätze und Radiosondenbeobachtungen von zonalen 
Winden in einem Zeitraum von 1958 bis 2016 untersucht. Ziel dabei 
war, den Einfluss der QBO auf die Ausdehnung von stratosphärischen 
Anomalien des so genannten Northern Hemispheric Annular Mode (NAM) 
bis in die Troposphäre in seiner positiven und negativen Phase zu 
analysieren. Die NAM oder auch Arktische Oszillation (AO) entsteht 
durch ausreichend große Temperaturdifferenzen zwischen den sehr 
kalten Polarregionen und den eher gemäßigten mittleren Breiten. Die 
NAM ist eng an die Nordatlantische Oszillation (NAO) gekoppelt, 
welche ihrerseits die europäisch-atlantische Komponente dieser 
übergeordneten Nordhemisphärischen Zirkulation genauer beschreibt. 
Die NAO sowie die AO werden deshalb oft für den nordhemisphärischen 
Winter definiert, wo sie die größte Persistenz und Amplitude der 
Anomalie aufweisen (siehe auch hier: 
https://www.dwd.de/DE/service/lexikon, Stichwort NAO / NAO-Index). 

Während der positiven Anomalie-Phase des NAO-Index herrscht über den 
höheren Breiten relativ tiefer Luftdruck einerseits und relativ hoher 
Luftdruck über dem zentralen Nordatlantik, dem östlichen Nordamerika 
und Westeuropa andererseits. In der negativen Phase stellen sich 
gegenteilige Anomalien über den jeweiligen Regionen ein. 

Die Ergebnisse der Studie zeigen nunmehr, dass die durchschnittliche 
Anzahl negativer NAM bzw. NAO-Anomalien während der Ostwindphase der 
QBO (East QBO oder kurz EQBO) deutlich höher ist als die während des 
Westwindphase der QBO (WQBO), was eng mit der Ausdehnung der 
stratosphärischen NAM-Signale bis in die Troposphäre zusammenhängt. 
Das führt während der EQBO zu einer Abkühlung über Eurasien und 
Nordamerika. Der Einfluss der WQBO auf NAM-Anomalien ist in etwa dem 
der EQBO entgegengesetzt. 

Die erhöhte Häufigkeit negativer NAM-Signale während der EQBO wird 
hauptsächlich durch folgende Faktoren verursacht. Erstens erzwingt 
die EQBO einen anomalen, polwärts gerichteten Transport von 
Luftmassen in der mittleren und unteren Stratosphäre sowie eine 
anomale Absinkbewegung und damit verbundene Erwärmung in der polaren 
Stratosphäre. Zweitens sind die von der Troposphäre in die 
Stratosphäre eintretenden, nach oben gerichteten Wellenflüsse (und 
Wellenausbreitung als Ergebnis so genannter Impuls- und Wärmeflüsse) 
unter dem EQBO größer. Das führt zu Ostwind-Anomalien in der polaren 
Stratosphäre und die Ausdehnung negativer NAM-Signale bis in die 
Troposphäre zurück. Schließlich erzwingen anomale, polwärts 
gerichtete Wellenflüsse unterhalb des Druckniveaus von 100 hPa (etwa 
in 16 km Höhe) ebenso die Entwicklung negativer NAM-Signale in der 
unteren Stratosphäre und Troposphäre. 

Die EQBO-induzierten Anomalien der troposphärischen Zirkulation 
können zu positiven Anomalien des Luftdrucks (relativ hoher 
Luftdruck) über dem subtropischen Atlantik führen. Das wiederum führt 
zu einem anomalen Wellenzug, der subpolare positive 
Luftdruckanomalien über dem europäisch-atlantischen Sektor forciert. 
Die pazifischen, EQBO-induzierten positiven Luftdruckanomalien in der 
tropischen Troposphäre können dagegen anomale polwärts gerichtete 
Wellenflüsse stimulieren, die negative Luftdruckanomalien (relativ 
tiefer Luftdruck) in mittleren bis hohen Breiten erzwingen, wodurch 
eine sinusförmige Welle (auch Planetare oder Rossby-Welle genannt) 
rund um die Nordhemisphäre mit abwechselnd hohem und tiefem Luftdruck 
verstärkt wird. 
Die Mechanismen, unter denen der WQBO die Verstärkung von Planetaren 
Wellen beeinflusst, ähneln denen, die für den EQBO diagnostiziert 
wurden, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. 

Die Ergebnisse der Studie gelten im Wesentlichen für den 
nordhemisphärischen Winter (Datenanalyse von November bis 
einschließlich März). In der Fachliteratur gibt es jedoch auch 
Hinweise auf vergleichbare Einflüsse der QBO im nordhemisphärischen 
Frühjahr. 

Diese Einflüsse könnten etwas gemein haben mit der derzeit relativ 
persistenten Großwetterlage im europäisch-atlantischen Raum, also der 
ab Ende März 2020 bis dato geltenden Tendenz zur Verstärkung von 
positiven Luftdruckanomalien über den subpolaren Breiten, hier 
speziell im Nordatlantik (mit teils deutlich negativem NAO-Index, 
siehe auch aktuell: https://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao_index.ht
ml). 

Dieser Umstand allein sollte als Motivation für vertiefende Studien 
zur Untersuchung von möglichen Korrelationen troposphärischer 
Zirkulationsmuster mit der entsprechenden QBO-Phase dienen (auch 
jahreszeitlich differenziert). Diesem Ansinnen hat der zitierte 
Artikel erheblichen Vorschub geleistet. 

Dr. rer. nat. Jens Bonewitz 
Deutscher Wetterdienst 
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 26.05.2020 

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst 

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