Polarlichter gibt es sowohl in der Nord- als auch in der Südhemisphäre, wissenschaftlich werden sie als Aurora Borealis im Norden bzw. als Aurora Australis im Süden bezeichnet.
Ausgelöst werden diese bunten Leuchterscheinungen am nächtlichen Himmel durch energiereiche Sonnenwindpartikel (Plasma), die durch Eruptionen auf der Sonnenoberfläche mit hohen Geschwindigkeiten ins Weltall geschleudert werden und auf das Erdmagnetfeld treffen. Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes (siehe auch DWD-Lexikon-Eintrag zur Magnetosphäre) führen an den magnetischen Polen zur Erde hin und dort können auch die Sonnenwindpartikel dann auf die Erdatmosphäre treffen. In der oberen Erdatmosphäre kollidieren die energiegeladenen Elektronen des Plasmas mit Sauerstoff- und/oder Stickstoffmolekülen der Atmosphäre, es findet eine Energieübertragung auf die atmosphärischen Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle (Ionisierung) statt. Diese Energie wird in der weiteren Folge dann auch wieder abgegeben und dann in Form von Licht sichtbar. Dieser Prozess wird als Fluoreszenz bezeichnet.

Da wie erwähnt die Magnetfeldlinien gen Nord- und Südpol gerichtet sind und die Elektronen des Sonnenwindes an diesen Linien entlang gen Pol in die Erdatmosphäre eindringen können, ergibt sich ein meist ovaler Bereich, in dem Polarlichter sichtbar sind. Das Zentrum dieses Ovals sind die magnetischen Pole der Erde. Bei starken geomagnetischen Sonnenstürmen wird das Erdmagnetfeld derart deformiert, dass sich der „normalerweise“ ovalförmige Bereich vom Pol her ausdehnt und so Polarlichter auch weiter südlich des Pols und teilweise bis in mittlere Breiten sichtbar werden können. Entscheidende Faktoren für die Sichtbarkeit von Polarlichtern in unseren Breiten sind somit die Teilchendichte – wie viele Elektronen stehen zur Energieübertragung an die Moleküle der Erdatmosphäre zur Verfügung, die Sonnenwindgeschwindigkeit – mit wie viel Energie treffen die Sonnenwindpartikel auf die atmosphärischen Moleküle und wie stark wird das Erdmagnetfeld deformiert.
So, nun fast genug der Theorie. In den vergangenen beiden Nächten konnten zumindest in Teilen Deutschlands Polarlichter beobachtet werden. Dies war vor allem in der Nordhälfte Deutschlands der Fall, wobei insbesondere in der vergangenen Nacht dann doch recht viele Wolken die Sicht behinderten. Abbildung 1 zeigt eine Folge von Webcam-Bildern der Kamera auf dem Peilturm am Kap Arkona auf Rügen von gestern Abend (27.02.2023, 21:50 bis 22:22 MEZ).

Die Farbe der beobachteten Polarlichter kann unterschiedlich sein. Werden vor allem Sauerstoffmoleküle ionisiert, ergibt sich je nach Entstehungshöhe eine grünliche oder rötliche Färbung. Für die Ionisierung von Stickstoffmolekülen sind sehr hohe Energien und somit starke magnetische Störungen notwendig, dort ergibt sich eine violette bis blaue Lichtfarbe. Hinzu kommt, dass das menschliche Auge empfindlicher für grünes Licht ist, so dass die meisten, mit bloßem Auge beobachteten Polarlichter, grün sind. In unseren mittleren Breiten kommt hinzu, dass sich die Polarlichter nur selten in tieferen Atmosphärenschichten ereignen und sich somit häufig rötliche Formen zeigen. Dies zeigt zum Beispiel auch Abbildung 2, die eine Aufnahme der DWD-Webcam aus Falkenberg (Brandenburg, südöstlich von Berlin) aus der Nacht zum gestrigen Montag zeigt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die besten Beobachtungsbedingungen in hohen, polaren Breiten zu finden sind, zudem werden wolkenarme Wetterbedingungen benötigt und es muss zudem möglichst dunkel sein. Daher sind weitere Faktoren, die die Sichtbarkeit beeinflussen die Mondphase, die umgebende Lichtverschmutzung durch z. B. nahe (Groß-) Städte oder auch die Mitternachtssonne im Polarsommer. Insgesamt ist die fotografische Sichtbarkeit durch die Möglichkeit langer Belichtungszeiten größer als die visuelle Sichtbarkeit durch das menschliche Auge.

Dipl.-Met. Sabine Krüger
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 28.02.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

In Anlehnung an das gestrige Thema des Tages, in dem näher auf die Bedeutung, Historie und Auswirkungen der Windgeschwindigkeiten mithilfe der Beaufort-Skala eingegangen wurde, beleuchten wir heute einmal spezielle Windphänomene anhand der aktuellen Wetterlage genauer.
Bise
Verbleiben wir zunächst in Deutschland. Zwischen dem kräftigen Hoch HAZAL über Schottland, das aktuell mit über 1030 hPa (und in der kommenden Woche mehr als 1040 hPa erreicht) über Schottland thront sowie dem kräftigen Mittelmeertief ZAKARIYYA (nicht zu verwechseln mit dem Schweizer Nationalspieler Denis ZAKARIA, der letzten Winter von der Gladbacher Borussia zu Juventus Turin gewechselt ist und inzwischen an Chelsea London verliehen wurde) besteht ein gewaltiger Luftdruckgegensatz. Ganz frisch hat es vom Spanischen Wetterdienst AEMET auch einen internationalen Namen bekommen: JULIETTE. Dieses liegt derzeit mit knapp 990 hPa über dem Ligurischen Meer. Das macht in Summe rund 40 hPa Unterschied auf circa 1500 Kilometern Distanz, wobei sich der „Löwenanteil“ auf die südlichsten 500 Kilometer beschränkt.

Anhand der oberen Grafik sieht man eindrucksvoll, wie sich die Linien gleichen Luftdrucks vor allem im Bereich des Alpenbogens stark drängen. Die Luftmassen, die mit der nordöstlichen Strömung (im Uhrzeigersinn um das Hoch herum) permanent gegen die Alpen gedrückt werden (Massenüberschuss), können in tiefen Luftschichten weitgehend nur durch den Oberrheingraben, Oberschwaben und nachfolgend über das Schweizer Mittelland und das Rhonetal abtransportiert werden. Die Anordnung der Gebirgsketten von Alpen, Jura, Schwarzwald und Schwäbischer Alb fungiert nun als eine Art Leitplanke für den Wind, der nun auch aus leicht abweichenden Richtungen in diesen „Trichter“ geführt wird und sich dadurch verstärkt (Kanalisierung, Düseneffekt).
Daraus resultiert ein stark böiger und im Winterhalbjahr teils schneidend kalter Nordostwind, der vor allem in der Schweiz unter dem Namen „Bise“ bekannt ist. Die genaue Herkunft des Wortes ist bis heute nicht komplett geklärt. Im Bereich des Genfersees sind Sturmböen und schwere Sturmböen zwischen 80 und 100 km/h im Zusammenhang mit ausgeprägten Bisenlagen eher Regel als Ausnahme – so auch diesmal. Hierzulande erreicht er sein Maximum oft rund um den Bodensee, wo nicht selten Geschwindigkeiten von 50 bis 70 km/h in Böen erreicht werden. Entsprechende Warnungen laufen. Trotz strahlenden Sonnenscheins und angenehmer Temperaturen heißt es für Wassersportler und Urlauber dann im Sommer, den See schnellstmöglich zu verlassen. Auf den Schwarzwaldgipfeln muss bei derartigen Lagen mit schweren Sturmböen bis 100 km/h, in Einzelfällen auch mit Orkanböen bis 120 km/h gerechnet werden.

Mistral/Tramontane/Cers
Weiter stromab schließt sich das nächste regionale Windsystem an, dessen Wirkungsmechanismen ganz ähnlich funktionieren. Es handelt sich um den berühmt-berüchtigten Mistral, bei dem die Windkanalisierung durch das Rhonetal mit der westlichen Barriere des Zentralmassivs seine Fortsetzung findet. Da er entweder Anteile der sich aufgebauten Bise in sich vereint oder aber durch den Tramontane (kalter Fallwind vom Zentralmassiv) oder Cers (Kanalisierung zwischen Pyrenäen und Zentralmassiv) weiter westlich gerade beim Zusammenströmen über dem Löwengolf noch verstärkt werden kann, sind die Spitzenböen im Vergleich zur Bise durchaus nochmal „einen Zacken schärfer“ und erreichen nicht selten über Land, erst Recht über der offenen See, Orkanstärke. Da das Hoch in diesem Falle aber weit im Norden über Schottland und nicht über der Biskaya ist, spielen Cers und Tramontane eher eine untergeordnete Rolle. Auch in Katalonien, insbesondere im Tal des Ebros samt seinen Nebenflüssen, ist der kräftige Nordwestwind als Cerc bekannt.
Schirokko
Auf der anderen Seite der Mittelmeerküste ist dagegen ein heißer Wüstenwind bekannt, der aus Süd bis Südost staublastige Saharaluftmassen teils weit bis nach Mitteleuropa transportiert. Auch wenn der Höhepunkt im Ionischen Meer und der südlichen Adria in diesem Zusammenhang schon überschritten ist, treten an der griechischen und albanischen Küste noch verbreitet Sturmböen auf.
Bora
Während es dazu in Albanien auf der warmen Seite mit teils über 20 Grad fast schon frühsommerlich warm für die Jahreszeit ist, setzt der kroatischen Küste die Bora zu. Dieser kalte Fallwind mit lokalen Böen jenseits von 140 km/h, in Einzelfällen bis zu 250 km/h, ist ebenso berüchtigt und hat über der nördlichen Adria schon etliche Schiffe zum Kentern gebracht. Mit Einsetzen kann das Thermometer in Windeseile von teils zweistelligen Plusgraden in den Frostbereich absinken und selbst an der Küste zur Ausprägung einer Schneedecke führen. Der kroatische Wetterdienst warnt bis zum Abend auf den Inseln vor Orkanböen bis 150 km/h und im Dinarischen Gebirge vor Neuschneemengen bis 20 Zentimeter und vereisten Straßen.
Von all diesen Turbulenzen, die zum Wochenstart weiter zwischen Italien und den Balearen toben (Sturm und teils heftige, gewittrige Regenfälle), bekommen wir bei uns – wie eingangs erwähnt – nur in abgeschwächter Form im Südwesten etwas mit. In den nächsten Tagen dominiert am Rande HAZALs ruhiges und meist schwachwindiges Hochdruckwetter. Zur Wochenmitte ist dann auch die Bise kein großes Thema mehr.

Dipl.-Met. Robert Hausen
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 26.02.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Die Tiefs YIGIT und ZAKARIYYA sorgen in Deutschland aktuell nicht nur für Schnee, sondern gebietsweise auch für Schneeverwehungen (im Bergland), sprich für einen mitunter kräftigen Wind. Konkret bedeutet dies u.a., dass im Norden heute ein Mittelwind der Stärke 5 bis 6 wehen soll. In Böen führt dies dann zu Windstärke 7, und in den sogenannten “exponierten Lagen“, also unmittelbar an den Küsten und in den höheren Lagen der Mittelgebirge, zu Windstärke 8. Vereinzelt sind die heftigsten Böen auch noch stärker, so werden auf dem Fichtelberg (am heutigen Samstag, den 25.02.23) oder auf dem Feldberg im Schwarzwald (am morgigen Sonntag, den 26.02.23) sogar Böen der Stärke 10 erwartet.

Zugegeben, eine konkrete Vorstellung lässt sich mit den Zahlen der so genannten Beaufort-Skala, die die Windstärke angeben und letztendlich für die Windgeschwindigkeit stehen, nicht verbinden. Außer der Vermutung, dass mit der Größe der Zahl die Geschwindigkeit des Windes ansteigt. Etwas aussagekräftiger ist da schon eine sprachliche Umschreibung der Windstärken. „Frisch“, „Stark“, „Steif“ und „Stürmisch“ lauten die Adjektive, die, in dieser Reihenfolge, für die Stärken 5 bis 8 stehen. Und „Schweren Sturm“ nennt man das, was auf dem Fichtelberg und dem Feldberg im Schwarzwald nicht nur den Schnee, sondern mitunter auch die Ausflügler verweht. Siehe

Auffällig ist bei genauerem Hinsehen auf die Beaufort-Skala, dass die Geschwindigkeitsintervalle der verschiedenen Windstärken nicht gleich groß sind. Der Grund dafür liegt in der Historie begründet. Denn ursprünglich lag der Einteilung der Windgeschwindigkeit der Versuch zu Grunde, die im 16ten und 17ten Jahrhundert rasch anwachsende Seefahrt mit Informationen über günstige Handelsrouten zu versorgen. Erst in zweiter Linie waren die Windgeschwindigkeiten an Land von Interesse. In beiden Fällen aber versuchte man, über die Auswirkungen des Windes dessen Stärke zu ermitteln. Ohne moderne Hilfsmittel eine verständliche, aber schwierige Vorgehensweise. Dieses Vorgehen erklärt dabei nicht nur das „schiefe“ Bild der Skala, sondern auch, warum die höchste Stufe der Beaufort-Skala, die Stufe 12, nach oben offen ist. Man müsste sich nämlich nicht nur die Frage stellen, ob eine Steigerung der ab etwa 120 km/h beobachteten schweren Verwüstungen („schwerste“ Verwüstungen) an Land sinnvoll ist und wie man diese exakt definiert soll. Und in früherer Zeit konnte auch kaum ein Kapitän von seinen Erfahrungen mit Stürmen der Stärke 12 berichten – meist sind Schiffe in diesen Stürmen nämlich einfach gesunken.

Erfreulich für uns: Von solchen Windgeschwindigkeiten bleibt Deutschland auch in den nächsten Tagen verschont. Zwar wird es am morgigen Sonntag im Südwesten teils ruppig zur Sache gehen mit steifen und stürmischen Böen teils bis in tiefe Lagen und stürmischen Böen, Sturmböen und besagten schweren Sturmböen in den Hochlagen. Entsprechend sind die Auswirkungen auch mit bloßem Auge leicht zu beobachten. Äste schwanken, teils brechen Zweige und Äste, und das Gehen fällt nicht immer leicht. Aber schlimmer sollte es nicht werden – und abgesehen vom Südwesten präsentiert sich der Wind auch insgesamt in einer eher moderaten Form.

Zum Beginn der kommenden Woche lässt der Wind dann insgesamt noch weiter nach. Schon am Montag, wenn sich im Südwesten noch die Äste bewegen, wackeln im Nordosten nur noch die Blätter, was der Windstärke 3 und damit der schwachen Brise entspricht. Und am Dienstag und Mittwoch beruhigt sich der Wind auch im Südwesten zusehends.

Dipl.-Met. Martin Jonas
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 25.02.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

Am gestrigen Dienstagnachmittag, den 21. Februar 2023, traf der tropische Zyklon FREDDY mit seinem Kern auf die Ostküste Madagaskars. Die Menschen dort fürchten nun sintflutartige Regenfälle, Überschwemmungen und Sturm. Dass FREDDY zu diesem Zeitpunkt bereits ein außergewöhnlich langes, bewegtes Leben wie kaum ein anderer tropischer Wirbelsturm zuvor hinter sich gebracht hat, werden wohl die wenigsten wissen.

Die Geschichte des tropischen Wirbelsturms FREDDY nahm bereits Anfang Februar seinen Lauf. Über dem Seegebiet zwischen Indonesien und Westaustralien konnte sich das tropische Tief in den Frühstunden des 6. Februars zu einem Sturm verstärken. Zu diesem Zeitpunkt war noch nicht absehbar, dass es sich bei dem gerade geborgen Zyklon – so nennt man tropischen Wirbelstürme über dem Indischen Ozean – um einen echten Langstreckenläufer handeln wird.

Zwischen dem 6. Februar und dem heutigen, 22. Februar, überquert FREDDY den Indischen Ozean einmal komplett von Osten nach Westen und legte insgesamt rund 8000 km zurück. Er ist damit bereits einer der langlebigsten tropischen Zyklone der Geschichte. Das System unterlief dabei insgesamt 4 plötzliche, sogenannte „rapide“ Intensivierungen – so viele, wie noch nie ein Wirbelsturm der südlichen Hemisphäre zuvor. Er erreichte mehrfach die Stärke, die vergleichbar ist mit einem Hurrikan der höchsten, 5. Kategorie auf der Saffir-Simpson-Skala.

Lebensdauer ist das eine, die Intensität das andere. Um ein möglichst ganzheitliches Maß der Stärke des Sturms zu erhalten, kann man sich der sogenannten „Akkumulierten Zyklonenenergie“ (im Englischen: Accumulated Cyclone Energy, kurz ACE) bedienen. Die ACE gibt an, wie viel Energie ein tropischer Sturm über seine komplette Lebensdauer umgesetzt hat. Sie berücksichtigt also nicht nur die momentanen Intensitäten, sondern auch die Andauer des Sturmes. Der Wert berechnet sich aus der Summe der Quadrate der Maximalwindgeschwindigkeit (in Knoten) in 6-Stundenintervallen. Heraus kommt eine Größe mit der Einheit Knoten². Für leichtere Handhabung teilt man die Zahlen durch 10000 und lässt die Einheit weg. So kommt FREDDY am 22. Februar auf eine ACE von 68, Prognosen gehen davon aus, dass er die 70 noch knapp erreichen könnte. Auch das stellt einen neuen Höchstwert für die Südhemisphäre dar, der alte Rekord von 53 aus dem Jahre 2016, aufgestellt von Zyklon FANTALA, wurde regelrecht pulverisiert. Selbst über dem Atlantik gibt es nur 2 Hurrikans mit höherer ACE, nämlich Hurrikan THREE mit 73,6 im Jahr 1899 und Hurrikan IVAN mit 70,4 im Jahr 2004. Die höchste ACE von 82 wurde bei Hurrikan IOKE im Jahr 2006 beobachtet. Zum Vergleich: Die ACE der gesamten 2014er Hurrikan-Saison über dem Atlantik lag nur bei 67!

FREDDY überquert Madagaskar heute westwärts. Die heftigen Regenfälle dürften auf den zum Teil bereits wasser-gesättigten Böden für große Überschwemmungen sorgen. Bedingt durch die Reibung über Land schwächte sich FREDDY vorübergehend ab und wird nur noch als Tropischer Sturm geführt. Wenn er am Abend die Straße von Mosambik erreicht, beginnt allerdings eine neuerliche Phase recht deutlicher Intensivierung. Eventuell erreicht er sogar nochmal eine Stärke, äquivalent zu einem Kategorie-1-Hurrikan. Das sind keine guten Nachrichten für Mosambik! Dort würde er am Freitagmorgen (24. Februar) dann nämlich als starker Zyklon irgendwo an der Küste der Provinz Inhambane an Land gehen. Er verlangsamt dabei deutlich seine Zuggeschwindigkeit, sodass über einen längeren Zeitraum hinweg sintflutartige Regenfälle und schlimme Überschwemmungen zu befürchten sind.

Kein schönes Ende eines ansonsten bemerkenswerten Sturmes!

Dipl.-Met. Adrian Leyser
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 22.02.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst

In Zeiten der fortschreitenden Veränderung des Klimas sind Wärme- bzw. Hitzerekorde mittlerweile eine traurige Routine geworden. Umso mehr fallen jedoch Ereignisse auf, die mit sehr kalten und nicht selten auch rekordverdächtigen Werten einhergehen.

So geschehen Mitte/Ende Januar 2023 in Teilen Asiens, wo eisige Werte gemessen wurden. Tongulah (Sibirien, Russland) vermeldete -62.7 Grad (Rekord), Mohe (China) -53 Grad (nationaler Rekord) oder Nokkundi in Pakistan rund -10 Grad. Im Dezember 2022 erfolgte zum Monatesende über den USA ein heftiger Kaltluftausbruch mit einigen Rekorden. Diese Aufzählung ist natürlich unvollständig, kann jedoch Jahr für Jahr in der Vergangenheit zurückverfolgt werden. Schaut man sich geschichtliche Ereignisse an, die vom Wetter beeinflusst wurden, dann kann man als Grund u.a. auch den Einfluss eines Polarwirbels in der Troposphäre ausmachen. Ein Beispiel stellt der eisige Winter 1941/42 in Teilen Skandinaviens und Russlands dar, der damals z.B. im kälteresistenten Schweden für einen neuen winterlichen Maßstab sorgte und auch maßgeblich den Angriffskrieg der Deutschen beeinflusste. Die entsprechenden beeindruckenden Anomalien als Beispiel vom 24. Januar 1942 sind in Bild 1 zu sehen.

Mittlerweile haben schon viele den Begriff „Polarwirbel“ vernommen, nachdem dieser während eines massiven Kaltluftausbruchs in den USA im Jahre 2014 von nordamerikanischen Medien aufgegriffen und in der Folge auch von der internationalen Presse verwendet wurde. Doch leider, wie so oft, werden wissenschaftliche Begriffe und Definitionen in der Mühle der Massenmedien verfälscht bzw. ungenau oder gar falsch weitergegeben, sodass als Folge häufig eine verwirrende Vermengung der Begrifflichkeiten erfolgt.

Wenn man vom Polarwirbel spricht, dann eigentlich im Kontext des „Polarwirbels in der Stratosphäre“, der durch den Polarnachtjet abgegrenzt und durch ein winterliches Strahlungsdefizit angetrieben wird. Daher ist dieses Phänomen auch auf die winterlichen Monate beschränkt (mit zeitlichen Unschärfen im Herbst und Frühling, je nach Intensität des Wirbels). Dieser Wirbel kann als Folge komplexer Wellendynamik teils geschwächt werden und auch ggf. mit der Troposphäre interagieren – ein Thema, das momentan wieder aktuell ist.

Dann gibt es noch den Polarwirbel in der Troposphäre, der das ganze Jahr über existiert, jedoch keiner einheitlichen Definition unterworfen ist. Vorhandene Erklärungen beschreiben im Endeffekt keine einzige und zusammenhängende, globale Zirkulation in den jeweiligen Hemisphären, wie es in der Stratosphäre der Fall ist. Daher ist anstatt des Begriffs eines Polarwirbels eher die variable Wellenzahl z.B. von planetaren Wellen zu verwenden, die mit dem Jetstream in der Troposphäre verknüpft ist (sei es der Polarfront- oder der Subtropenjet).

Zuletzt kommen wir zum Begriff eines sogenannten „tropopause polar vortex, abgekürzt TPV„, der im heutigen Thema des Tages unser eigentliches Hauptinteresse darstellt, wobei man nun erkennt, dass dieser Name doppeldeutig verwendet wird.
Nach der Definition handelt es sich hierbei um ein sub-synoptisch skaliges System, das durch ein starkes Absinken der Tropopause gekennzeichnet ist und das durch den arktischen Jet begrenzt wird. Innerhalb eines TPV sinkt die potenziell wärmere, trockenere und stabil geschichtete Luft aus der Stratosphäre sehr weit nach unten in die Troposphäre und wird besonders aggressiv beim Überstreichen (relativ gesehen) warmer Meeresoberflächen „diabatisch“ angegriffen/geschwächt. Dabei treten solche „Wirbel“ nicht selten wiederholt über bestimmten Regionen auf, wie z.B. über Kanada, die dann entsprechende Namenszusätze erhalten (hier z.B. der „kanadische TPV„). Die kontinental geprägte und durch fortwährende Auskühlung geprägte Luftmasse im Umfeld eines TPV sorgt für teils intensive Kaltluftausbrüche, die weit in die Außertropen vorstoßen können. Komplexer wird das Ganze noch dadurch, dass dieser TPV ggf. mit dem Polarwirbel in der Stratosphäre interagieren kann. Zudem können gleichzeitig mehrere solcher TPV´s zirkumpolar auftreten, die Lebenszeiten von Tagen bis Monaten aufweisen. Beim Erreichen der Außertropen werden die TPV´s nicht selten von extremen Folgeerscheinungen wie intensiven Zyklonen begleitet, da sich beim Vermischen der kalten und z.B. maritim geprägten milderen Luftmassen extreme Temperaturgegensätze aufbauen, die den Nährboden für kräftige Tiefdruckentwicklungen darstellen.

Doch die Darlegung der unterschiedlichen Definitionen ist das eine, die Verwendung eines Beispiels aus der Realität ist das andere. Daher schauen wir uns in der Folge einen TPV an, der Anfang Februar 2023 den Osten Kanadas und den Nordosten der USA heimgesucht hat.

In Bild 2 links erkennt man die Darstellung des TPV an Hand der isentropen potenziellen Vorticity, was grob gesagt vom Aussehen her nichts anderes ist als die Darstellung des Geopotenzialfeldes, nur mit einer detaillierteren Auflösung. Höhere Werte der IPV (die das Einbeziehen stabil geschichteter wärmerer Luftmassen aus der Stratosphäre andeuten) erstrecken sich von Kanada ausgehend bis in den Nordosten der USA, wobei die Verwendung dieses Parameters auch für die Definition eines TPV herangezogen wird. Dies wird hier nicht weiter vertieft, soll jedoch als Hinweis dienen, wieso hier nicht auf das Geopotenzial zurückgegriffen wurde.
Rechts im Bild 2 wurde die Temperatur in 850 hPa eingetragen, also in rund 1.3 bis 1.5 km Höhe über Grund. Man sieht, dass den TPV eine bitterkalte Luftmasse mit Werten von deutlich unter -30 Grad begleitet hat, die direkt in Richtung Nordatlantik gelenkt wurden. Handelt es sich (wie bei diesem Ereignis) um einen rasch ziehenden TPV, dann ist der „Kältespuk“ schnell wieder vorbei. Anders jedoch sieht es aus, wenn sich so ein TPV über längere Zeit vor Ort einnistet, was u.a. häufig über Kanada der Fall ist. Die Folge sind dann langanhaltende, eisige Bedingungen.

Solch ein TPV ist nicht selten von einem sehr kräftigen arktischen Höhenjet begleitet, der dank der extremen Temperaturgegensätze diesen in der oberen Troposphäre flankiert. In unserem Beispiel erreichte der Höhenwind östlich des TPV (mit dem Subtropenjet verschmelzend) Windgeschwindigkeiten von über 350 km/h – wirklich extreme Werte und auch klimatologisch außergewöhnlich. Entsprechend dynamisch gestaltete sich das Wetter in Form rasch fallenden Luftdrucks am Rand des Jets, was in diesem Fall für die Bildung eines 960 hPa Sturmtiefs in der Nähe von Neufundland sorgte. Wie wir noch sehen werden verursachten die extreme Kälte und die angesprochenen Windgeschwindigkeiten imposante Temperaturwerte bei der gefühlten Temperatur.

Die Dynamik dieses Sturmtiefs ist auch vom Satelliten aus sehr gut zu erkennen. In Bild 4 werden dabei die variablen Luftmassen und Höhenbereiche farblich unterschiedlich eingezeichnet. Zum Beispiel erkennt man schön, wie von Süden über den Nordatlantik warme Luftmassen nordwärts geführt werden (grünliche Einfärbung), während von Westen eine besonders in der Höhe sehr trockene Luftmasse den Nordatlantik erreicht hat (trocken, da es sich hier zum Teil um eine Luftmasse aus der Stratosphäre gehandelt hat). Die zellenartige Wolkenstruktur deutet zudem das Überstreichen eisiger Luftmassen über dem vom Golfstrom erwärmten Meer an, während der Gradient von hoher weißer Bewölkung hin zu brauner Einfärbung die Position des Jets darstellt.

Aber nicht nur in der oberen Troposphäre, sondern auch in 2 m Höhe sackten die Temperaturwerte auf teils deutlich unter -30 Grad ab, was für viele Bereiche Kanadas die kälteste Luftmasse seit 2019 darstellte (Bild 5). Zusammen mit dem Wind wurden beeindruckende Werte der gefühlten Temperatur gemessen, die bei teils unter -40 Grad lagen. Dies sind Werte, bei denen man innerhalb kürzester Zeit Erfrierungen bekommen würde, sollte man der Kälte ungeschützt ausgesetzt sein. Den Vogel schoss jedoch der 1917 m hohe Mount Washington im US-Bundesstaat New Hampshire ab, wo bei Windgeschwindigkeiten von teils über 180 km/h und Temperaturwerten von unter -40 Grad ein Windchill von bis zu -78 Grad gemessen wurde (roter Kasten im Bild 6). Dies würde nach endgültiger Überprüfung einen neuen Rekord des Windchills für Nordamerika darstellen.

Wegen des raschen und extremen Temperaturrückgangs traten in vielen Regionen Kanadas dank des zügig gefrierenden Wassers im Erdreich sogenannte „cryoseism“ (deutsch für Eisbeben) auf, die sich anfühlen und anhören wie schwache Erdbeben und letztendlich auch nichts anderes sind. Der Boden wird durch das „Schockfrosten“ regelrecht aufgesprengt.

Übrigens fand dieses Ereignis in den Massenmedien eine hohe Resonanz, was vor allem an der Vermutung lag, dass der Gipfel vom Mount Washington während der Passage des TPV kurzzeitig in die Stratosphäre hineinragen könnte. Wie man sich das bildlich vorstellen kann ist, in Bild 7 grafisch dargestellt.

Dabei erkennt man in Bild 7a), dass an der Station Maniwaki der untere Bereich der Stratosphäre (flankiert von der Tropopause und rot strichliert) auf rund 800 hPa absank, im rund 550 km südlicher gelegenen Mount Washington nicht ganz so tief, sodass letztendlich der Gipfel knapp außerhalb der Stratosphäre verblieb, was auch an einem fehlenden Ausschlag der Ozonmessungen deutlich wurde, die sonst in der ozonreicheren stratosphärischen Luftmasse deutlich höhere Werte hätten anzeigen müssen.
Beim Vergleich von Bild 7a) mit 7b) erkennt man, wie massiv die Stratosphäre innerhalb eines TPV absinken und nach Durchzug des TPV wieder ansteigen kann.

Dass solche TPVs auch uns in Mitteleuropa erreichen, ist nicht unmöglich, wenngleich vieles passen muss, wie z.B. die richtige synoptische Druckkonstellation oder eine gute Schneebedeckung in Nordeuropa, um uns ungefiltert mit eisiger Polarluft zu „frosten“. Wenn man sich die aktuelle Entwicklung in der Stratosphäre anschaut, kann man nicht ausschließen, dass wir noch in diesem März in Nord- oder Osteuropa von einem solchen Ereignis sprechen könnten – wenngleich das nicht wünschenswert wäre.

Dipl. Met. Helge Tuschy
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 20.02.2023
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst