Europäische Klimaschwankungen im Kontext von Zirkulationsanomalien über dem Atlantik und Europa

11. Dezember 2023

Einleitung und Fragestellung

Wir haben uns in der Vergangenheit bereits häufiger mit der Frage beschäftigt, welche Ursachen die starke Erwärmung Deutschlands und Europas in den vergangenen Jahrzehnten hatte.

Wir sind auf der Grundlage von Daten, Zahlen, Fakten und statistischen Analysen zur Einschätzung gelangt, dass Schwankungen der atmosphärischen Zirkulation über dem Atlantik und Europa eine auschlaggebende Rolle bei der Erklärung dieser Erwärmung gespielt haben. Generell haben diejenigen Zirkulationsmuster an Häufigkeit und Stärke zugenommen, die Warmluft nach Mitteleuropa geführt haben.

Im Winter war dies eine Zunahme von milden Westwindströmungen vom Atlantik und im Sommerhalbjahr eine Zunahme warmer Südwest- und Südströmungen und allgemein ein häufigeres Auftreten von Hochdruckgebieten, in denen die Sonnenscheindauer zugenommen hat.

Eine wichtige Rolle hat deswegen – vor allem im Sommerhalbjahr - die abnehmende Bedeckung mit Wolken gespielt, wodurch die Sonneneinstrahlung zugenommen hat, was die Erwärmung verstärkt hat.

Ein zusätzlicher Faktor war die abnehmende Konzentration mit Schwefelaerosolen, (ein Ergebnis der Luftreinhaltepolitik) die eine abkühlende Wirkung auf das Klima ausüben, und wenn die Aerosolkonzentration zurück geht (die Luft sauberer wird) gelangt ebenfalls mehr Sonnenlicht auf die Erde, was die Erwärmung in den vergangenen Jahrzehnten ebenfalls verstärkt hat.

In den letzten Jahren hat es eine Reihe von Veröffentlichungen in den klimawissenschaftlichen Fachliteratur gegeben, die diese Einschätzung untermauern, und die wir in vorangegangenen Beiträgen zitiert haben (s. zB hier und hier ).

Treibhausgasen sollten bei dieser Erwärmung ebenfalls eine Rolle gespielt haben. Sie wird in einigen Veröffentlichungen aber eher als gering eingeschätzt (s. zB Hoogevens und Hoogevens, 2023), was mit unseren statistischen Analysen übereinstimmen würde (s. zB hier, Tabelle 5).

Auch ein Vergleich der Zunahme des Strahlungsforcings durch Treibhausgase, das global mit ca 0,3 W m2 und Jahrzehnt veranschlagt wird, mit der Zunahme des Strahlungsforcings über Europa durch die Summe der hier dargelegten Effekte (Zufuhr wärmerer Luftmassen durch Veränderungen der Zirkulationsmuster, Zunahme der Sonnenscheindauer, Abnahme der Schwefelaerosol bedingten Abkühlung), die mindestens um den Faktor zehn größer war, als die Zunahme des Forcings durch Treibhausgase, zeigt eindeutig, dass Treibhausgase nicht der ausschlaggebende Faktor für die starke Erwärmung Europas in den vergangenen Jahrzehnten waren. Europa hat sich etwa dreimal so stark erwärmt, wie die globale Mitteltemperatur.

Die Bedeutung der bekannteren Zirkulations - Indezes NAO und EA für das Klima Europas

Wir wollen nachfolgend auf die Rolle von Zirkulationsanomalien auf Wetter und Klima in Europa eingehen.
Wir hatten das in der Vergangenheit ja bereits häufiger auf der Basis von selbst definierten Zirkulationsindizes im 500 mb Niveau, dh der Strömung in etwa 5.5 km Höhe, über Europa und dem Atlantik getan.

Auch die multiplen Regressionsanalysen zur Erklärung von Temperaturvariationen in Mitteleuropa wurden unter Verwendung verschiedener Zirkulations- und anderer Parameter (wie zB Treibhausgaskonzentration, solare Parameter, Sulfatkonzentration, El Nino – La Nina Schwankungen) durchgeführt.

Hier wollen wir die rezenten Temperaturtrends in Mitteleuropa im Zusammenhang mit zwei in der Klimawissenschaft sehr gebräuchlichen Parametern beschreiben, nämlich der Nordatlantischen Oszillation NAO und der Ostatlantischen Oszillation EA, die oft auch als East Atlantic Pattern bezeichnet wird.

Wir verwenden dabei die NAO und EA Definitionen des amerikanischen Wetterdienstes NWS, bzw des Climate Prediction Centers CPC in diesen Links.

Die Rolle der Nordatlantischen Oszillation NAO

Von diesen Zirkulationsmustern ist die Nordatlantische Oszillation die bekanntere und häufiger zitierte. Sie ist ein Maß für die Stärke der Westwinddrift über dem Nordatlantik.
Ist das Luftdruckgefälle zwischen den Azoren ( starkes Azorenhoch) und Island (starkes Islandtief) groß (positive Phase der NAO), ist die Westwinddrift kräftig und bringt in den Wintermonaten warme Luft vom Atlantik oft bis weit nach Osteuropa. Die Winter sind dann in ganz Eurasien mild und nördlich der Alpen feucht und im Mittelmeer trocken.

Ist das Gegenteil der Fall (Islandhoch und Azorentief, negative Phase der NAO), weht kalte Luft aus den Polarregionen nach Europa und die Winter sind kalt und nördlich der Alpen trocken und im Mittelmeer feucht.

Seit Ende der 1980er Jahre ist die Winter – NAO meistens in einer positiven Phase, weswegen wir in Europa überwiegend milde und feuchte Winter hatten.

Im Jahresverlauf ändern sich die Verhältnisse deutlich. Die positive Phase der NAO ist im Sommer nicht mehr durch den Luftdruckgradienten zwischen den Azoren (ca. 40° N) und Island (ca. 65° N) definiert, sondern im Zuge einer Nordverlagerung des Azorenhochs durch den Gradienten über dem Atlantik zwischen etwa 50° N und Grönland (ca 70° N) (siehe die Abb hier).

Dies hat gravierende Auswirkungen auf die Witterung in Mitteleuropa. Während die positive Phase der Winter NAO in Mitteleuropa das klassische deutsche Winterwetter bringt, nämlich windig, mild und regnerisch, bringt die positive Phase der Sommer NAO verstärkten Hochdruckeinfluss mit trockener und sonniger Witterung.

Oft zieht sich ein Ring mit positiven Luftdruckanomalien entlang des 50° Breitengrades von Westkanada über Neufundland, den Atlantik und Mitteleuropa bis nach Osteuropa.

Die NAO beeinflusst demzufolge nicht nur die Witterung über dem Atlantik und Europa, sondern auch den gesamten nordamerikanischen Kontinent. Der trockene und heiße Sommer 2018 war ein klassisches Beispiel für diese Luftdruckverteilung.

Auch im Mittelmeergebiet erfolgt eine Witterungsumkehr zwischen der positiven Winter NAO und der positiven Sommer NAO.

Während die Winter bei positiver NAO kaum zu warm (Nordafrika eher sehr kühl), aber trocken sind, sind die Sommer bei diesen Anomalien relativ kühl und vor allem feucht (siehe die Abb. hier und hier ).

Ein Blick auf den zeitlichen Verlauf der NAO in den vergangenen Jahrzehnten zeigt nun, dass die NAO in den 1950er und 1960er Jahren überwiegend negativ war, zwischen Ende der 1980er Jahre und Mitte der 1990er Jahre fast durchweg positiv war und seither zwischen positiven und negativen Phasen schwankt, ohne, dass ein klarer Trend erkennbar ist.

Es ist deswegen wenig wahrscheinlich, dass die NAO seit Mitte der 1990er Jahre einen nennenswerten Beitrag zur Erwärmung Mitteleuropas geleistet hat. Die kräftige Erwärmung der Winter Ende der 1980er und zu Beginn der 1990er Jahre lässt sich hingegen eindeutig durch die starke Zonalisierung der Strömung und die verstärkten Zufuhr milder Luftmassen vom Atlantik erklären. Auch die extrem milden Winter 2007, 2008, 2016, 2020 und 2022 gingen mit einer positiven Phase der NAO (verstärkte Westströmung) einher. Allerdings traten seit 1995 viele Zeitabschnitte mit einer negativen NAO auf, weswegen die NAO alleine nicht die starke Erwärmung Mitteleuropas, vor allem im Sommerhalbjahr , seit den 1990er Jahren erklären kann.

Die Rolle der Ostatlantischen Oszillation EA

Wir konnten in der Vergangenheit zeigen, dass ein enger statistischer Zusammenhang zwischen den Zirkulationsmustern über dem Ostatlantik und Europa besteht.
Nämlich, dass eine verstärkte Südströmung zwischen dem Ostatlantik und dem europäischen Festland zu Wärmeanomalien über Europa führt, dies insbesondere im Sommerhalbjahr April – September. Diese Südströmung setzt ein, wenn über dem Ostatlantik tiefer Luftdruck auftritt und über Mittel-, Ost-, oder Südosteuropa hoher Luftdruck.

Diese Konstellation richtet den Blick auf die zweite Oszillation, die wir betrachten wollen, nämlich auf die Ostatlantische Oszillation oder das East Atlantic Pattern EA.

Die positive Phase der EA ist durch ein Tief über dem Ostatlantik, etwa auf der Position 55° N und 20° W charakterisiert und durch einem Ring positiver Luftdruckabweichungen vom subtropischen Atlantik, etwa 35°N, über die Iberische Halbinsel, Mitteleuropa bis nach Osteuropa.

Im Gegensatz zur NAO bleibt die Struktur der Anomaliefelder über alle Jahreszeiten hinweg erhalten, erscheint also im Sommer etwa auf den gleichen Positionen wie im Winter.

Die zugehörigen Temperatur – Anomaliefelder sind hier gezeigt.

Die positive Phase der EA geht mit positiven Temperaturabweichungen über dem subtropischen Atlantik, der Iberischen Halbinsel, dem westlichen und zentralen Mittelmeer sowie West- und Mitteleuropa einher, unabhängig von den Jahreszeiten.

Ausnahme bildet der Sommer, wenn die positiven Temperaturanomalien den gesamten Mittelmeerraum und die Balkanhalbinsel umfassen, Nordwesteuropa aber negative Anomalien aufweist.

Die Niederschlagsmuster bei einer positiven EA sind hier gezeigt.

Positiven Niederschlagsabweichungen über West- und Nordwesteuropa stehen negative Abweichungen über weiten Teilen des Mittelmeeres inklusive der Balkanhalbinsel gegenüber.

Betrachtet man nun den zeitlichen Verlauf der EA seit 1950, ergibt sich folgendes Bild.

Die EA war von 1950 bis Ende der 1970er Jahre negativ, teilweise stark negativ (mehr als zwei Standardabweichungen unter den Normalwerten), von Ende der 1970er Jahre bis Ende der 1990er Jahre unter Schwankungen eher negativ, aber mit positiven Episoden, von 1998 bis 2012 unter Schwankungen positiv, teilweise stark positiv (mehr als zwei Standardabweichungen über den Normalwerten) und seit 2012 fast durchweg positiv, oft stark positiv (mehr als zwei Standardabweichungen vom Normalwert).

In einigen Jahren, wie 2016, 2017, 2019 und 2023 wurden die höchsten Werte überhaupt seit 1950 erreicht (drei Standardabweichungen).

Das bedeutet, die EA befindet sich seit 1998 überwiegend und seit 2012 fast durchweg in einer positiven bzw sogar stark positiven Phase, die über weiten Teilen Europas, besonders West- und Mitteleuropas und des Mittelmeerraumes, mit positiven Temperaturabweichungen einher geht.

Zur Erinnerung: Die positive Phase der EA bedeutet ein Tief über dem Ostatlantik, unter Variationen etwa auf der Position 20°W und 55°N, auf dessen Vorderseite Warmluft aus südlichen Breiten über die Iberische Halbinsel, das westliche Mittelmeer, nach West- und Mitteleuropa und im Sommer über das gesamte Mittelmeer und die Balkanhalbinsel geführt wird.

Wir hatten in der Vergangenheit mehrfach dargelegt, dass extreme Hitzewellen in Europa genau durch diese Luftdruckkonstellation verursacht werden und ferner, dass es im gesamten Sommerhalbjahr April – September eine hohe Korrelation zwischen dieser Luftdruckverteilung und den Temperaturen in Mitteleuropa gibt, nämlich R = 0,75. Im Frühjahr – Frühsommer, April – Juni, liegt diese Korrelation sogar bei R = 0,81, beides hochsignifikant.

Die starke Zunahme der positiven EA Phase seit Ende der 1990er Jahre, die prinzipiell nichts weiter bedeutet, dass südliche Windrichtungen über West- und Mitteleuropa zugenommen und mehr Warmluft statt Kaltluft, wie in den vorangegangenen Jahrzehnten (überwiegend negative EA Phase), herantransportiert haben, muss man deswegen als eine der Hauptursachen für die starke Erwärmung Europas in den vergangenen Jahrzehnten identifizieren, was unsere eigenen statistischen Analysen, aber auch zahlreiche andere, die ua hier zitiert wurden, wie Hoogeveen und Hoogeveen, 2023, nahelegen.

Verbindungen zwischen EA und AMO

Interessant könnte ferner eine Verbindung zwischen der EA und einem anderen Zyklus sein, nämlich der sog. Atlantic Multidecadal Oscillation AMO.

Die AMO ist eine mehrere Jahrzehnte andauernde Temperaturschwankung des Nordatlantiks. Wie hier gezeigt, war die AMO zu Beginn des 20. Jahrhunderts in einer Kaltphase, zwischen 1930 und 1960 in einer Warmphase, 1960 bis etwa Mitte der 1990er Jahre in einer weiteren Kaltphase und seither in einer Warmphase.

Diese Kalt- und Warmphasen liefen in etwa parallel zu den Erwärmungs- und Abkühlungsphasen der globalen Mitteltemperatur.

Besonders die globalen Erwärmungsphasen in der ersten Hälfte des 20. und zu Beginn des 21. Jahrhunderts liefen etwa parallel zur AMO Phase.

Die AMO ist ein natürlicher Zyklus, der sich in Klimaproxydaten Hunderte von Jahren zurückverfolgen lässt. Sie kann je nach Phase eine Erwärmung durch Treibhausgase abschwächen oder verstärken. In den letzten drei Jahrzehnten dürfte sie zur Verstärkung der Treibhausgas bedingten Erwärmung beigetragen haben.

Die Verbindung der AMO zur EA in den Sommermonaten erschließt sich aus statistischen Klimaanalysen (s. zB Gao et al, 2019 ).

Gao et al, 2019 (s. ihre Abb 5 ) konnten zeigen, dass in einer positiven AMO Phase auf dem Ostatlantik negative Luftdruckanomalien vorherrschen, die der positiven Phase der EA ähneln, verbunden mit den oben beschriebenen Temperaturanomaliefeldern über Europa.

Diese Analysen liefern zudem Hinweise darauf, dass sich in den mittleren Breiten der Nordhemisphäre abwechselnd positive und negative Luftdruckanomalien in Form quasi – stationärer Wellenmuster rund um den Erdball ziehen, die einer Wellenzahl 5 entsprechen.

Das bedeutet, in den mittleren Breiten zeichnen sich fünf Wellentäler und fünf Wellenberge in den Anomaliefeldern ab (s. Abb 5 in Gao et al, 2019). Diese Anomaliefelder sind mit Temperaturanomalien verbunden, wobei ein Wellenberg positive Anomalien aufweist und ein Wellental negative.

Das Zusammenspiel zwischen AMO und EA erklärt also einen großen Teil der Erwärmung Europas seit den 1990er Jahren, denn beide natürlichen Zyklen sind in den 1990er Jahren von einer vorwiegend negativen in eine positive Phase übergetreten.
Eine Reihe von wissenschaftlichen Arbeiten, aber auch unsere Analysen scheinen diese Auffassung zu bestätigen.

Der Erwärmungsschub Ende der 1980er/Anfang der 1990er Jahre ist auf die positive Phase der NAO, vor allem im Winter, zurückzuführen.
Die NAO hat seit den 1990er Jahren relativ stark geschwankt zwischen positiven und negativen Phasen und hat per Saldo kaum einen weiteren Beitrag zur Erwärmung in Europa geleistet; in Teilen Eurasiens haben sich die Winter seit Anfang der 1990er Jahre sogar wieder etwas abgekühlt.

Zirkulationsanomalien und Treibhausgasanstieg in der Atmosphäre

Jetzt stellt sich abschließend die Frage: In welcher Weise steht all das mit dem Treibhausgasanstieg in der Atmosphäre im Zusammenhang? Hat der Treibhausgasanstieg dazu geführt, dass sich die atmosphärischen Zirkulationsmuster in der beobachteten Weise verändert haben?

Dieser Frage ist man in zahlreichen Untersuchungen nachgegangen. Das Ergebnis scheint generell zu lauten: Die Häufigkeitsverteilung von verschiedenen Wetterlagentypen wird sich durch die Zunahme der Treibhausgaskonzentration nicht signifikant ändern, sondern im Rahmen der bislang beobachteten natürlichen Schwankungsbreite bleiben.
Ein allgemeiner Erwärmungstrend zeichnet sich in allen Wetterlagentypen und Luftmassen ab.

Gelegentlich geäußerte Auffassungen, der Jetstream würde schwächer werden, oder Westwetterlagen würden zunehmen, oder Blockierungswetterlagen würden häufiger werden, lassen sich durch die Gesamtheit der zu diesem Fragenkomplex veröffentlichten Arbeiten nicht bestätigen. Wir verweisen an dieser Stelle auf einige unserer früheren Beiträge hier hier hier und hier zu diesen Fragestellungen.

Zusammenfassende Bewertung

Zusammenfassend lässt sich Folgendes festhalten: In den vergangenen Jahrzehnten ist es über dem Atlantik und Europa zu Veränderungen der atmosphärischen Zirkulationsmustern gekommen, die maßgeblich für die Erwärmung Europas waren. Sie haben zu einem verstärkten Warmlufttransport aus Südwest und Süd und zu einem verringerten Kaltlufttransport aus Nordwest und Nord geführt. Dies lässt sich an verschiedenen Parametern festmachen, die in der Klimatologie angewendet werden, wie zB die hier betrachtete NAO und EA.

Die stark positive Phase der NAO (verstärkte Westströmung) ist vor allem für die milderen Winter verantwortlich und die positive Phase der EA für die Erwärmung der Sommerhalbjahre.

Im Sommer wirken zusätzlich die verstärkte Sonneneinstrahlung durch den beobachteten Rückgang der Wolkenbedeckung sowie die verringerte Rückstreuung von Sonnenlicht durch Schwefelaerosole (als Folge der Luftreinhaltepolitik).

Obwohl Treibhausgase zur Erwärmung beigetragen haben sollten, lässt sich deren Einfluss weder auf die veränderten Zirkulationsmuster noch auf den Temperaturanstieg selbst in Europa statistisch gesichert nachweisen, im Gegensatz zum Einfluss der veränderten Zirkulationsparameter.