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Verborgenes Signal verbessert Prognosen von Winterkälte
Zwei Wochen im Voraus wird die Wetterprognose oft unsicher. Ein bestimmtes Wellenmuster in der unteren Stratosphäre markiert jedoch Phasen, in denen sich Winterkälte über Zentralkanada und dem Mittleren Westen der USA besser vorhersagen lässt. In Rückrechnungen stieg die Güte der Temperaturprognose für die zweite Woche im Mittel um 15 Prozent.
Princeton (U.S.A.). Wettervorhersagen verlieren mit wachsendem zeitlichem Abstand rasch an Verlässlichkeit. Besonders schwierig ist der Bereich zwischen klassischer Wetterprognose und saisonalem Ausblick, also etwa zwei Wochen bis mehrere Wochen im Voraus. Die Stratosphäre kann hier zusätzliche Hinweise liefern, weil großräumige Muster in dieser Atmosphärenschicht oft länger vorhersagbar bleiben als das bodennahe Wetter.
Zu den bekannten stratosphärischen Einflüssen gehören plötzliche Stratosphärenerwärmungen, die den Polarwirbel stark verändern können. Doch auch weniger extreme Wellenmuster könnten Vorhersagen verbessern, wenn sie sich früh genug erkennen lassen und später mit typischen Temperaturmustern am Boden zusammenhängen.
Forscher der Princeton University um Xiuyuan Ding haben nun untersucht, welche Muster in der unteren Stratosphäre besonders lange vorhersagbar sind und ob sie Prognosen an der Erdoberfläche verbessern. Grundlage waren Rückrechnungen mit dem gekoppelten Modell Seamless System for Prediction and EArth System Research (SPEAR) des Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) für 20 Winter von 2000 bis 2019. Alle fünf Tage startete ein Ensemble aus zehn Modellläufen, das jeweils 45 Tage in die Zukunft reichte.
Mit einer statistischen Methode suchte das Team nach Stratosphärenmustern, die in den Modellvorhersagen besonders stabil vorhergesagt werden konnten. Eines der drei führenden Muster ähnelte einer planetaren Welle mit der Wellenzahl eins, die den Pol einmal umrundet. Das Muster bildet einen großräumigen Gegensatz zwischen Nordamerika und Eurasien und blieb in der unteren Stratosphäre etwa 20 Tage lang vorhersagbar.
Die Forscher verglichen das Wellenmuster anschließend mit ERA5-Reanalysen, einem Datensatz, der Beobachtungen mit einem Wettermodell kombiniert. Zwischen 1950 und 2021 identifizierten sie 138 ausgeprägte Ereignisse. Für die 39 Ereignisse im gemeinsamen Zeitraum 2000 bis 2019 lagen die Temperaturen in Zentralkanada und im Mittleren Westen der USA in 77 Prozent der Fälle in der zweiten Woche unter dem saisonalen Mittel. In der dritten Woche waren es noch 64 Prozent.
Auch ungewöhnlich starke Kälte trat häufiger auf. Nach einem ausgeprägten Wellenereignis war die Wahrscheinlichkeit für nordamerikanische Kälteextreme in den Beobachtungsdaten um rund 50 Prozent erhöht. Das räumliche Schwerpunktgebiet umfasst Teile Zentralkanadas und des Mittleren Westens und schließt Regionen ein, in denen mehr als 69 Prozent der kanadischen und mehr als 30 Prozent der US-Bevölkerung leben.
Für Rückrechnungen, die innerhalb von fünf Tagen nach Beginn eines solchen Wellenereignisses starteten, verbesserte sich die Korrelation zwischen vorhergesagten und beobachteten Temperaturen in der zweiten Woche im Mittel um 15 Prozent. Das statistische Unsicherheitsintervall reichte von 2 bis 28 Prozent. Zugleich sank die Wurzel aus dem mittleren quadratischen Fehler der Temperaturprognosen um 14 Prozent. Bei der Häufigkeit sehr kalter Tage stieg die Vorhersagegüte relativ um 28 Prozent.
Das Wellenmuster ist nicht dasselbe wie eine plötzliche Stratosphärenerwärmung. Die Analysen deuten vielmehr auf eine vertikale Kopplung hin, bei der sich verstärkte planetarische Wellen aus der Stratosphäre in die Troposphäre fortsetzen und dort die Zirkulation über Nordamerika beeinflussen. Die zeitliche Abfolge der gemittelten Ereignisse ist mit diesem Ablauf vereinbar, beweist aber nicht, dass jeder Schritt die jeweils nächste Entwicklung verursacht.
Ein ähnliches Stratosphärenmuster zeigte sich auch in drei weiteren Vorhersagesystemen. Dort ergaben sich ebenfalls überwiegend bessere Temper