Die Quasi-Biennial Oscillation (QBO)

Mit Hinblick auf die atmosphärische Dynamik nimmt die Quasi-Biennial Oscillation (QBO) eine bedeutende Rolle ein. Bei der QBO handelt es sich um eine etwa zweijährige Oszillation, die erstmals von Wissenschaftlern vor mehr als 100 Jahren innerhalb langer Datenreihen (z.B. Temperatur, Schneebedeckung) an verschiedenen Orten entdeckt wurde. Die Erkenntnisse um dieses Phänomen verdichteten sich im Zusammenhang mit der Auswertung pazifischer Atomtests, was zum Konzept von zwei übereinander liegenden, quasi-permanenten, erdumspannenden Windregimen führte. Die Windregime

bestanden aus den Krakatau-Ostwinden in 25 – 30 km Höhe und den Bersonen-Westwinden in etwa 20 km Höhe, als ein Bestandteil der allgemeinen Zirkulation der tropischen Stratosphäre. Die Übergangszone zwischen beiden Windregimen variiert zeitlich mit der Höhe. Mit Hilfe eines Radiosonden-Messnetzes ist eine regelmäßige Umkehr der Zonalströmung und ihr Schwingungscharakter in einer Periode von etwa 26 Monaten erkannt worden. Heute weiß man, dass die Schwankung zwischen 20 und 36 Monaten variiert und im Mittel alle 28 Monate (Quasi-Biennial) eintritt (HEAPS et al., 2007).

Diese Schwankungen können sehr unterschiedliche Auswirkungen auf zahlreiche weitere Prozesse haben. Somit wurde die QBO Mittelpunkt vieler Untersuchungen. Die QBO kann einen deutlichen Effekt auf den Polarwirbel der winterlichen Stratosphäre haben, aber auch auf die Modulation von Winden, Temperaturen, außertropischen Wellen und der Meridionalzirkulation, was beispielsweise die Verteilung von Spurengasen (inkl. Ozon) in der Stratosphäre oder auch troposphärische Zirkulationsindizes (z.B. Nordatlantik Oszillation, NAO) beeinflusst (vgl. NAUJOKAT, 2005; SOUKHAREV, 1997; ZEREFOS, 2002).

Die Schwankungsmuster der QBO sind sehr regelmäßig, die neue Phase erscheint zuerst in der oberen Stratosphäre und sinkt dann langsam abwärts, bevor sie nach neun Monaten die untere Stratosphäre erreicht; währenddessen findet in der oberen Stratosphäre die neue Phase statt.

Abbildung 22: Monatliche gemittelte zonale Windgeschwindigkeit (m/s) in Abhängigkeit von Höhe (hPa; Y-Achse) und Richtung. Quelle: HEAPS et al., 2007.

Die Abbildung 22 zeigt den monatlichen Verlauf einer QBO über 6 Jahre hinweg.

Dargestellt ist die (richtungsabhängige) mittlere zonale Windgeschwindigkeit in m/s am

Äquator (N 1°25`). Östliche Strömungen sind gelb bis blau, westliche Strömungen orange bis rot gekennzeichnet. In der Abbildung 22 sind die für eine QBO charakteristischen Muster (zwischen 10 und 100 hPa) erkennbar. Deutlich ist die „quasi-biennial“ wechselnde Richtung der Strömung erkennbar. Die Ost- und Westwindphasen bewegen sich mit der Zeit langsam abwärts, wobei sich die Westwinde in der unteren Stratosphäre schneller und regelmäßiger setzen als die Ostwinde, obwohl die Westwindphasen als solches länger dauern. Die mittlere Absinkgeschwindigkeit beträgt nach LABITZKE (1999) im Mittel 1 km/Monat. Zudem lässt sich in der Abbildung 22 erkennen, dass die maximalen zonalen Windgeschwindigkeiten in den Ostphasen (> 30 m/s) stärker sind als in den Westphasen (< 25 m/s). Das Muster über 3 hPa wird als Semi-Annual Oscillation (SAO) bezeichnet. Es sei erwähnt, dass J.R. Holton und R.S. Lindzen im Jahre 1972 zunächst davon ausgegangen sind, dass die SAO Bedingung für die Entstehung der QBO ist, was sich aber in Laufe der Zeit als zumindest nicht notwendig herausgestellt hat (vgl.HEAPS et al., 2007). Nach NAUJOKAT (2005) wird die QBO durch die Wechselwirkungen zwischen dem Grundstrom und sich vertikal ausbreitenden tropischen Wellen (in der Troposphäre) verursacht, wobei die wesentlichen Impulsquellen planetarische Kelvin-Wellen, Rossby-Schwerewellen und vor allem hochfrequente, durch Konvektion verursachte, Schwerewellen sind. HEAPS et al. (2007) differenzieren noch weiter, indem sie die Kelvin-Wellen für die Westwindphasen und die Rossby-Kelvin-Wellen für die Ostwindphasen in Betracht ziehen, was die QBO entstehen lässt. Hier drin liegt auch der wesentliche Unterschied der Kelvin- und Rossbywelle. Die Wellen haben zudem unterschiedliche horizontale und vertikale Wellenlängen und Phasengeschwindigkeiten. Sie dringen aus der Troposphäre in die Stratosphäre vor und lagern dort ihren Ost- und Westimpuls ab, was die Induzierung der QBO bedeutet. Die tropische QBO kann in der unteren Stratosphäre als Wellenleiter für die aufwärts und äquatorwärts vordringenden planetarischen Wellen der hohen Breiten im Winter dienen. Die QBO ist auf äquatoriale Bereiche bzw. die Tropen beschränkt, da hier die Corioliskraft sehr klein ist. Andernfalls würde sich nach BRÖNNIMANN (2005) eine meridionale Zirkulationszelle herausbilden. Trotz dieser beschränkten Ausdehnung hat sie wichtige Auswirkungen auf die Zirkulation bzw. der Ausprägung des Winters in der arktischen Stratosphäre. Nach LABITZKE (1999) breiten sich planetarische Wellen in der Stratosphäre unterschiedlich aus, je nach dem ob Ost- oder Westwinde vorzufinden sind.

Demnach ist der winterliche Polarwirbel bei tropischen Westwinden kalt und stark, bei tropischen Ostwinden warm und schwach. Diese zunächst theoretische Überlegung konnte erst anhand längerer Datenreihen nachgewiesen werden. In ihren Untersuchungen hat die Autorin die Anzahl der Sonnenflecken hinzugezogen und der theoretische Ansatz

(kalte Phase = Westphase, warme Phase = Ostphase) bestätigte sich, was allerdings nur auf das Sonnenfleckenminimum zutrifft. Es zeigt sich, dass die Anzahl der Sonnenflecken die QBO deutlich beeinflussten und somit auch Effekte auf die Ausprägung des Polarwirbels haben kann. Die Abbildung 23, in der der 10,7 cm Flux (11-jähriger Sonnenfleckenzyklus) der 30-hPa Höhe im Februar gegenübergestellt wird, verdeutlicht diesen Zusammenhang. In den linken Nordhemisphären (oben = Ostphase, unten = Westphase) ist die Korrelation dargestellt, wobei ein Korrelationskoeffizient > 0,4 farblich unterlegt ist. Die rechten Abbildungen zeigen die Höhendifferenz (30 hPa) zwischen dem solaren Minimum und Maximum in geopotentiellen Metern.

Abbildung 23: Korrelation zwischen dem solaren 10,7 cm Flux (11-jähriger Sonnenfleckenzyklus) und der 30 hPa Höhe im Februar aus NCEP/NCAR Reanalysen. n = die Anzahl der Jahre in der QBO-Ostphase (oben) und in der QBO- Westphase (unten). Links: Korrelationskoeffizient, Rechts: Höhendifferenz zwischen solaren Maximum und Minimum in geopotentiellen Metern. Quelle: LABITZKE et al,. 2005.

Die Korrelationsmuster der beiden QBO-Phasen unterscheiden sich sehr deutlich voneinander. Während der Westphase (Februar) ist die Korrelation über der Arktis deutlich positiv (0,68), was nach LABITZKE et al. (2005) auf eine Intensivierung der Brewer-Dobson Zirkulation in Zusammenhang mit einen „Major Midwinter Warming“ (MMW) hinweist.

West (n=33)

East (n=26)

min= -0,26, max= 0,68 min= -0,37, max= 0,61

corr

corr

Height Diff. (gpm)

Height Diff. (gpm)

Dabei ist die Höhendifferenz mit einem Wert von 400 gpm ebenfalls positiv, d.h., der Polarwirbel ist während des solaren Maximums (Westphase) 400 gpm höher als während des Minimums. In der Ostphase ist dieses Muster nahezu entgegengesetzt, d.h., eine positive Korrelation in den mittleren und tropischen, eine negative Korrelation in den polaren Breiten mit einem negativen Wert (–320 gpm). Es zeigt sich, dass es über der Arktis einen statistischen Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität, der QBO-Phase, der geopotentiellen Höhe und der Ausprägung des Polarwirbels gibt.

Abbildung 24: Gemittelter Zonalwind (U) im Januar für Jahre mit westlicher QBO minus Jahre mit östlicher QBO (1964 – 1990). Quelle: bearbeitet nach BALDWIN et al., 2001.

Die Auswirkung der QBO auf den Polarwirbel ist in der Abbildung 24 detaillierter aufgezeigt. Die Abbildung zeigt den zonalen Wind in einem meridionalen Schnitt. Die Werte der Isolinien geben die Stärke des Zonalwindes an (negativ östlich). Dabei ist der Zusammenhang zwischen der westlichen QBO und der starken Ausprägung des Polarwirbels erkennbar; für BRÖNNIMANN (2005) ein weiterer Beweis, dass sich die QBO auf die Stärke des Polarwirbels auswirkt. Die westliche QBO-Phase über den äquatorialen Breiten hat vor allem einen ausgeprägten Polarwirbel in der oberen Stratosphäre zur Folge, wobei sich die Anomalien bis auf die Troposphäre ausdehnen können. Die Tatsache, dass die Anomalien soweit in die Troposphäre reichen macht deutlich, das auch planetare Wellen bzw. Bodendruckfelder durch die QBO beeinflusst werden.

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