Können Wetterregime die Vorhersage von Dunkelflauten in Deutschland verbessern?

Im Dezember 2022 erlebte Deutschland eine Periode mit windstillem, bewölktem und extrem kaltem Wetter an mehreren aufeinanderfolgenden Tagen (10. bis 18. Dezember; wir gehen am Ende des Artikels näher auf diesen Zeitraum ein). Mit dem ansteigenden Anteil von Solar- und Windstrom im Energiesystem und einem Anstieg der Stromnachfrage aufgrund der Elektrifizierung von Heizen und Verkehr wird das Energiesystem immer empfindlicher auf meteorologische Bedingungen wie im Dezember 2022 reagieren.

Dunkelflauten sind mehrtägige Perioden mit bewölkten (Dunkel-) und windstillen (Flaute) Bedingungen. Der besondere Fall einer Dunkelflaute in Kombination mit kälteren als normalen Bedingungen wird als kalte Dunkelflaute bezeichnet.

In Zukunft wird die frühzeitige Vorhersage von Dunkelflauten-Ereignissen für Netzbetreiber unerlässlich sein, um sich auf mögliche Versorgungsengpässe vorzubereiten und ein widerstandsfähiges Energiesystem zu planen.

Die Variabilität der großräumigen atmosphärischen Zirkulation in der nordatlantisch-europäischen Region kann durch Wetterregime beschrieben werden (Grams et al., 2017). Gleichzeitig modulieren Wetterregime die Wetterbedingungen am Boden (z. B. Windgeschwindigkeit, Temperatur, Sonneneinstrahlung) über landesweite Regionen, z. B. Deutschland und mehrtägige Zeiträume. Daher sind Wetterregime besonders nützlich für sub-saisonale Wettervorhersagen für die nächsten 10-30 Tage. Außerdem würde ein möglicher Zusammenhang zwischen Wetterlagen und Dunkelflauten dazu beitragen, Dunkelflauten-Ereignisse mehrere Wochen im Voraus besser zu erkennen.

Abbildung 1: Monatliche Verteilung der Dunkelflauten, wobei die vorherrschenden Wetterregime der Dunkelflauten durch die Farbe der Balken gekennzeichnet sind. Die Anzahl der Dunkelflauten wird auf einer absoluten Skala für den 40-jährigen Zeitraum von 1979-2018 angezeigt.

In einer kürzlich durchgeführten Studie (Mockert et al. 2022) haben wir genau diesen Zusammenhang untersucht. Dabei verwenden wir eine Definition von sieben Wetterregime nach Grams et al. (2017), die vier Arten von blockierten Regimen, die durch Hochdrucklagen gekennzeichnet sind, und drei Arten von zyklonalen Regimen, die durch Tiefdrucklagen im nordatlantisch-europäischen Raum gekennzeichnet sind, unterscheidet. Wir haben festgestellt, dass Dunkelflauten in Deutschland hauptsächlich im Winter auftreten, wenn die Sonnenleistung gering ist und die Windleistung an mehreren aufeinanderfolgenden Tagen abfällt (Balken in Abbildung 1). Außerdem können die meisten Dunkelflauten mit drei der vier blockierten Wetterlagen in Verbindung gebracht werden (Blockierendes Hoch über Mitteleuropa (EuBL), Skanidnavien (ScBL), oder Grönland (GL); Farben in Abbildung 1). Sie dauern zwischen zwei (per Definition) und acht Tagen an und treten im Durchschnitt zweimal pro Wintersaison auf. Die Dunkelflauten treten in gut etablierten Wetterregimen und in Regime-Lebenszyklen auf, die länger als üblich andauern. Dunkelflauten während Blocking über Grönland sind mit kälteren Bedingungen als üblich verbunden und werden daher als kalte Dunkelflauten betrachtet, die für das Energiesystem wahrscheinlich am kritischsten sind.

Ein Beispiel für kalte Dunkelflaute ist die bereits erwähnte kalte Dunkelflaute im Dezember 2022. Die Temperatur in Karlsruhe (Abbildung 2 Mitte) fiel von 5°C Anfang Dezember auf ein Minimum von -12°C am 18. Dezember. Diese Kälteperiode steht im Zusammenhang mit einem Grönland-Blocking-Wetterregime (Abbildung 2 oben), das vom 3. bis 24. Dezember aktiv war. Parallel zu den sinkenden Temperaturen in Karlsruhe (oder allgemein in Deutschland) war das Stromangebot aus erneuerbaren Energiequellen (Wind und Sonne) in Deutschland vom 9. bis zum 18. Dezember besonders niedrig (Abbildung 2 unten) und damit in der Mitte des Lebenszyklus des Grönland-Blocking-Wetterregimes.

Abbildung 2: Analyse der Bedingungen im Dezember 2022 Oben: Wetterregime-Index für den gesamten Dezember mit einem aktiven Grönland-Blocking-Regime (Quelle: Arbeitsgruppe Large-scale Dynamics and Predictability) Mitte: 2m Temperatur am KIT Campus Nord 200m-Messmast (Quelle: IMK-TRO, KIT). Unten: Stromerzeugung durch Solar, Wind onshore und Wind offshore (Quelle: https://www.agora-energiewende.de/service/agorameter )

Analysiert man die sub-saisonale Wetterregimevorhersage (Vorhersage bis zu 4 Wochen) vom 1. Dezember (Abbildung 3), so wird deutlich, dass das Grönland Blocking gut vorhergesagt wurde. Somit war die Vorhersage des besonders lang anhaltenden Grönlandblockings ein wirksamer Indikator für die bevorstehende kalte Dunkelflaute.

Langfristige Wetterregimevorhersage, initialisiert am 1. Dezember 2022. Für Anfang Dezember wird ein Übergang vom europäischen Blocking-Regime, das bei der Initialisierung aktiv war, zum Grönland-Blocking-Regime vorhergesagt. Bis zu einer Vorlaufzeit von 10 Tagen sind sich fast alle Ensemblemitglieder einig, welches Wetterregime vorherrscht. Die Grönlandblockierung wird von der Mehrheit der Ensemblemitglieder bis zu einer Vorlaufzeit von 20 Tagen vorhergesagt. In diesen Zeitraum fällt auch die kalte Dunkelflaute vor den Weihnachtstagen.

Quellen:

Christian M. Grams, Remo Beerli, Stefan Pfenninger, Iain Staffell, and Heini Wernli. Balancing Europe’s wind-power output through spatial deployment informed by weather regimes. Nature Climate Change, 7:557–562, 8 2017. ISSN 17586798. doi: https://doi.org/10.1038/nclimate3338.

Fabian Mockert, Christian M. Grams, Tom Brown, Fabian Neumann. Meteorological conditions during Dunkelflauten in Germany: Characteristics, the role of weather regimes and impacts on demand. ArXiv, doi: https://arxiv.org/abs/2212.04870v1.

Autor: Fabian Mockert, Arbeitsgruppe Großräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit https://www.imk-tro.kit.edu/english/7425.php