Das ENSO-Phänomen

Jet-Stream (Strahlstrom)

Bandförmiger Luftstrom mit quasi horizontaler Strömungsachse und mit außerordentlich hohen Windgeschwindigkeiten in der oberen Troposphäre oder unteren Stratosphäre , der durch große horizontale Temperaturunterschiede und die Corioliskraft verursacht wird.

Entdeckung

Jet Streams wurden erstmals von Wasaburo Oishi dokumentiert, dessen regelmäßige Wetterballonstarts von Japan aus in den 1920er Jahren immer mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit über den Pazifik hinausflogen.

Wie die Messungen von Oishi zeigten, ist der Jet in der oberen Troposphäre am stärksten, in etwa 6-8 Meilen Höhe. Das ist in etwa die Höhe, in der Flugzeuge fliegen, und tatsächlich achten sie oft sorgfältig auf den Jetstream: Man spart Treibstoff, wenn man bei ostwärtigem Flug im Jet bleibt und wenn man ihn bei westwärtigem Flug meidet.

Dem deutschen Meteorologen Heinrich Seilkopf wird zugeschrieben, dass er 1939 einen speziellen Begriff für das Phänomen geprägt hat: 'Strahlströmung'. Ein kurzer historischer Überblick findet sich in Wikipedia.

Jet-Streams innerhalb der globalen Drucksysteme und Zirkulationszellen   Quelle: RAO

Beschreibung

Definitionsgemäß weisen Strahlströme Windgeschwindigkeiten von mindestens 30 m/s (also 108 km/h, d.h. Orkanstärke!) auf, häufig werden Geschwindigkeiten von 70 bis 100 m/s (das entspricht ca. 250 bis 360 km/h) erreicht und die Höchstwerte dürften um 180 m/s (rund 650 km/h) liegen. Da die Strömungsgeschwindigkeit sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung zu den Rändern hin rasch abnimmt, herrschen in Strahlströmen starke, sowohl vertikale wie auch horizontale Windscherungen vor. Strahlströme haben normalerweise Ausdehnungen von einigen 1000 km Länge, sind in der Horizontalen einige 100 km breit und in der Vertikalen wenige Kilometer mächtig. Jetstreams mäandrieren wie Flussläufe, können sich in mehrere Äste aufspalten und sind hinsichtlich ihrer Lage im Raum, ihrer Form und Intensität ständigen Veränderungen unterworfen.

Ursachen für die Existenz von Strahlströmen

Das liegt an zwei entscheidenden Faktoren: Rotation und Erwärmung.

Der Planet wird ungleichmäßig aufgeheizt, weil die Sonneneinstrahlung in den Tropen unverhältnismäßig stark ist und an den Polen nicht ansteigt. Dadurch wird die Atmosphäre in Bewegung versetzt, da einige Luftmassen wärmer werden und mehr Auftrieb haben als andere. Aber der Planet dreht sich auch, und das schränkt die resultierende Flüssigkeitsströmung ein, insbesondere in Nord-Süd-Richtung. Diese beiden Faktoren führen dazu, dass sich die resultierende Strömung in West-Ost-Richtung ausdehnt und sich Jetstreams bilden.

Auffällige Laborexperimente, die zeigen, dass diese beiden Bestandteile zu Jetstreams führen, wurden erstmals von Dave Fultz durchgeführt, der als Meteorologe auf dem US-Luftwaffenstützpunkt auf Guam während des Zweiten Weltkriegs die Kraft des Jetstreams aus erster Hand erfahren hatte. Als er nach dem Krieg nach Chicago zurückkehrte, machte er sich daran, eine solche Strömung zu reproduzieren, indem er einen kugelförmigen Wassertank mit einem Heizelement darunter baute. Um die Erdrotation zu simulieren, drehte er den Tank und sah, wie die Strömung in chaotische Wellen und, was vielleicht noch spannender war, in mehrere West-Ost-Strahlströme zerfiel.

Strahlstromsysteme

Auf beiden Halbkugeln treten folgende Strahlstromsysteme auf:

a) der sehr beständige, aber weniger intensive Subtropen-Jet, der sich vorwiegend in großer Höhe am Rande der tropischen Hadley-Zellen befindet. Über dem subtropischen Hochdruckgürtel zieht er sich etwa längs einer gedachten Linie von den Bermudas über die Kanaren, Nordafrika, den Persischen Golf, Indien, Südchina, den Pazifik bis Kalifornien. Auf der Nordhalbkugel liegt er im Sommer konstant auf ca. 40°N und im Winter ebenfalls konstant auf 30°N (zonales westliches Starkwindband). Seine mittlere Höhe beträgt etwa 12 km über Grund, also etwas unterhalb der dortigen Tropopause.

b) der wellenförmige, stellenweise unterbrochene Polarfront-Jet (Höhe ca. 10 km) in den höheren Mittelbreiten (zwischen 50° und 75° Breite). Seine geographische Lage ist eng an die der Polarfront (Grenze zwischen warmer und kalter Luft) gekoppelt und ist daher stark veränderlich. Wegen der hohen räumlichen Variabilität des Polarfront-Jets, der vor allem über den Ozeanen stark mäandriert, ist im Gegensatz zu modellhaften Darstellungen eine räumliche Trennung beider Jets, vor allem auf der Nordhemisphäre und speziell in den Westteilen von Atlantik und Pazifik schlecht oder gar nicht zu erkennen. Die beiden Jets sind manchmal nach Breitengraden getrennt (dies ist häufig über dem Atlantik der Fall), manchmal aber auch miteinander verschmolzen (wie dies häufiger über dem Pazifik der Fall ist) und bilden eine breitere Region mit Westwinden in mittleren Breiten.

Insbesondere in Karten mit zeitlichen Mittelwerten des 200 hPa-Niveau-Zonalwindes tritt der Subtropenjet viel deutlicher hervor, als der Polarfrontjet, da letzterer durch die großen Schwankungen der Polarfront ebenfalls großen Verlangerungen unterliegt. Daher wird oft vom Subtropenjet als dem Jetstream gesprochen. Allerdings ist der Polarjet für die synoptisch-meteorologischen Prozesse in den mittleren Breiten am bedeutsamsten.

Diese Jetstreams winden sich in Schlangenlinien von West nach Ost rund um die Nord- und Südhalbkugel und verlagern sich mit dem Sonnenstand, so dass sie im Sommer nördlicher (Nordhalbkugel) bzw. südlicher (Südhalbkugel) liegen als im Winter.

Neben den bekannten großen Jetstreams gibt es aber auch noch

• den Tropical Easterly Jet (TEJ): Er erstreckt sich ausgehend von der tibetischen Hochebene bis zur innertropischen Konvergenzzone (ITC) und ist hier vor allem als Höhenostwind bis in den Norden Afrikas wetterwirksam. Insbesondere handelt es sich also nicht um einen Westwind wie beim PFJ oder STJ, sondern um einen Ostwind. Seine stärkste Ausprägung erfährt er im Nordsommer, also während des indischen Sommermonsuns.
• die low altitude jets: Sie treten in der Nähe von Wirbelstürmen auf (low altitude = geringe Höhe).
• den nocturnal jet: Ein nächtlicher low-altitude-Jetstream.
• stratosphärische bzw. mesosphärische Jetstreams
• Ein Supersturm ist eine Jetstreamverwirbelung aus einem polaren Strahlstrom (PFJ – Polarfrontjetstream) und einem subtropischen Strahlstrom (STJ – Subtropenjetstream).

Bedeutung der Strahlströme:

Es hat sich herausgestellt, dass der Jet in mehrfacher Hinsicht direkte Auswirkungen auf die Wettermuster an der Oberfläche hat.

• Genauso wie die Meeresoberfläche nie ganz eben ist, sind auch die Jetstreams im Allgemeinen immer in Bewegung, manchmal bewegen sie sich über große Regionen hinweg nach Norden oder Süden, manchmal schlängeln sie sich wie ein träger Fluss. Daher sind sie für die Vorhersage so wichtig. Die Jets können sich von einer Woche oder einem Monat zum nächsten ändern, und die regionalen Muster von Hitze und Kälte, Nässe und Trockenheit verschieben sich mit ihnen.
• Der Jet steuert die Wettersysteme in den mittleren Breiten, so dass er bestimmen kann, welche Regionen von Stürmen heimgesucht werden und welche im Extremfall gefährlich trocken werden können.
• Die schnellsten Winde des Jet-Kerns befinden sich zwar weit über der Erdoberfläche, schwächere Winde reichen jedoch oft bis hinunter zur Erdoberfläche. Viele von uns, die in den mittleren Breiten leben, sind an die vorherrschenden Westwinde (d. h. Winde, die von Westen nach Osten wehen) gewöhnt, und diese Winde sind der Unterbau des Jetstreams, der an der Erdoberfläche entlang zieht.
• Der Jetstream fungiert auch als scharfe Grenze zwischen gegensätzlichen Luftmassen, mit relativ warmer, tropischer Luft im Süden und viel kälterer Luft auf der nördlichen, polwärts gerichteten Seite. Die Lage des Jets und damit auch der Grenze hat einen starken Einfluss auf die Temperaturen am Boden.

ENSO und Strahlströme

Klimaprognostiker versuchen vor allem vorherzusagen, wie sich die Jets in den kommenden Monaten oder Jahreszeiten verhalten werden. Diese Aufgabe ist zwar immer noch eine große Herausforderung, aber sie wird dadurch ermöglicht, dass die Jets nicht nur chaotisch schwanken, wie die Schmetterlinge flattern (obwohl sie das natürlich oft tun). Insbesondere auf saisonalen Zeitskalen können die Jets durch andere Faktoren im Klimasystem beeinflusst werden, und ENSO ist das beste Beispiel dafür.

Ein El Niño-Ereignis kann sich auf verschiedene Weise auf die Jets auswirken: erstens durch die Erwärmung der Tropen und die Verstärkung des entscheidenden Temperaturkontrasts zwischen den Breitengraden und zweitens durch die Auslösung regionaler Muster in Verbindung mit (atmosphärischen) Rossby-Wellen. Die atmosphärische Zirkulation über dem Nordpazifik in diesem Winter ist ein gutes Beispiel für den letztgenannten Effekt.

Ein ausgeprägter El Niño im Pazifik kann den Jetstream in den mittleren Breiten stören. Wenn sich die Meeresoberflächentemperatur bei einem El-Nino-Ereignis im Ostpazifik erhöht, kurbelt dies Verdunstung und Konvektion an. Die Wärme, die dabei freigesetzt wird, gelangt in die höhere tropische Troposphäre. Dies wiederum verstärkt die Hadley-Zelle, welche die freigesetzte Energie in der oberen Troposphäre polwärts verteilt.

In der Folge wird der Temperaturgegensatz zwischen den Tropen und den Polen größer, wodurch auch der Jetstream an Stärke gewinnt. Er bringt dann kräftigere Tiefs, die eine leichte Abkühlung der Troposphäre der mittleren Breiten bewirken.

Ein regionaler Effekt: Während eines El Niño-Ereignisses bewegen sich die Jet-Streams von Westen nach Osten über den nördlichen Golf von Mexico und Nordflorida. Daher treten in diesen Gegenden vermehrt Tornados auf.

In einem durchschnittlichen Jahr erstreckt sich der Jet über den Pazifik in Richtung Nordamerika, obwohl er über Japan am stärksten ist. Doch beispielsweise der Dezember 2021 lag in keinem durchschnittlichen Jahr; stattdessen zeigte sich das klassische La Niña-Signal, das oft als negative Phase des Pazifik-Nordamerika-Musters (Pacific-North American Pattern, PNA) bezeichnet wird. Anstatt dass der Jetstream von Japan aus nach Osten über den Nordpazifik strömte, schlängelte er sich nach Norden bis nach Alaska, bevor er über die angrenzenden Vereinigten Staaten nach Süden zurückkehrte. Dies deutet auf eine effektreiche Welle hin, die ihren Ursprung im tropischen Pazifik hat und sich über den Nordpazifik nach Nordamerika windet.

Meist verlagern sich die Jet-Streams während eines La Niña-Ereignisses von den zentralen Rocky Mountains ostnordöstlich zu den östlichen Grossen Seen. Das heisst, dass die Tornados mehr nördlich und westlich anzutreffen sind, als während El Niño.

Die Kunst der subsaisonalen bis saisonalen Vorhersage für die mittleren Breiten besteht also weitgehend darin, den Zustand der Jetstreams vorherzusagen. Fälle wie dieser mit einer regionalen pazifischen Reaktion auf ENSO werden oft gut vorhergesagt, und der Dezember 2021 war keine Ausnahme. Andere Merkmale wie der atlantische Jet sind schwieriger vorherzusagen, aber auch hier verfügen moderne Modelle oft über nützliche Fähigkeiten. Am schwierigsten ist die Vorhersage des längerfristigen Trends: Wie wird sich eine weitere Erwärmung des Klimas auf die so wichtigen Jetstreams auswirken? Dazu gibt es in der Literatur viele clevere Ideen, aber insgesamt bleibt unser Vertrauen in das, was passieren wird, leider gering.

Lage der Jet-Streams (Januar - März) bei einem El Niño- und bei einem La Niña-Ereignis
El Niño-Episoden im Winter zeichnen sich durch einen starken Jetstream und eine stürmische Zugbahn über dem südlichen Teil der Vereinigten Staaten aus, während es im Norden weniger stürmisch und milder als im Durchschnitt ist. La Niña-Episoden zeichnen sich durch eine sehr wellenförmige Jetstream-Strömung über den USA und Kanada aus, mit kälteren und stürmischeren als durchschnittlichen Bedingungen über dem Norden und wärmeren und weniger stürmischen Bedingungen über dem Süden. Quelle: NOAA - CPC