KIT-Experten zu aktuellem Thema: Europäische Hitze ist auch hausgemacht

Dies ist eine leicht abgeänderte Fassung der KIT Expertenmail vom 26. Juni 2019. Die Originalfassung verfasst von Herrn Timo Schreck ist unter http://www.sek.kit.edu/kit_express.php einsehbar.

Mitteleuropa stöhnt unter der aktuellen Hitzewelle. Waldbrandgefahr und gesundheitliche Folgen gehören zu den Begleiterscheinungen solcher Wetterextreme. Am Mittwoch, dem voraussichtlich heißesten Tag der Woche, sind Rekordtemperaturen von über 40 Grad Celsius möglich. Als ursächlich für diese schweißtreibenden Spitzenwerte werden üblicherweise nach Norden vordringende Luftmassen aus der Sahara genannt. Forscherinnen und Forscher am IMK-TRO haben nun herausgefunden, dass diese Behauptung nur teilweise zutrifft – die bodennahen Luftmassen im „Glutofen Mitteleuropa“ sind auch ein europäisches Produkt.

„Als Hitzewellen bezeichnen wir Perioden, in denen sich mindestens drei sogenannte Hitzetage aneinanderreihen. Hitzetage gehören in der jeweiligen Region zu den wärmsten zehn Prozent einer Jahreszeit“, erklärt Professor Andreas Fink vom Institut für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung (IMK-TRO) des KIT. Meistens werde zur Bestimmung von Hitzetagen ein Referenzzeitraum von 30 Jahren herangezogen, so Fink. Die derzeitige heiße bodennahe Luft komme jedoch nicht aus der Sahara zu uns, sondern sei hausgemacht, wie neueste Forschungsergebnisse von Philipp Zschenderlein im Teilprojekt „Vorhersagbarkeit von Hitzwellen in Europa“ des DFG-geförderten Sonderforschungsbereich „Waves to Weather“ zeigen: „Die unteren Luftschichten in bis zu zwei Kilometern Höhe sinken auf dem Weg zu uns ab und erwärmen sich durch sogenannte adiabatische Kompression. Das kann man sich wie in einer Luftpumpe vorstellen, wo die Luft ebenfalls durch Kompression erwärmt wird. Im Vergleich zu vergangenen Hitzewellen ist die Erwärmung durch Absinken diesmal außergewöhnlich stark.“

Rechnungen der Luftmassenherkunft von Julian Quinting und Christian Grams, aus der Nachwuchsgruppe „Großräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit“ am IMK-TRO, zeigen, dass die aktuell bodennahe Luftmasse ursprünglich aus dem Ostseeraum zu uns kommt (Abb. 1). Noch am Samstag hatte sie eine Temperatur von nur etwa zehn Grad Celsius. Dennoch sei die Saharaluft nicht ganz schuldlos, merken die beiden Forscher an, denn „sie schafft die Voraussetzungen für die lokale Entstehung heißer bodennaher Luft. In den mittleren Luftschichten, also in drei bis fünf Kilometern Höhe, werden Luftmassen aus Nordafrika nach Europa geführt und verstärken das Hoch ‚Ulla‘. Der Beginn dieser Großwetterlage mit einem Hoch über Europa und einem Tiefdruckgebiet über dem Ostatlantik war recht gut vorhersagbar und hat sich bereits zehn Tage vor dem erwarteten Höhepunkt der Hitzeperiode angedeutet.“

Abbildung 1: LAGRANTO (Sprenger and Wernli, 2015) 5-Tage Rückwärtstrajektorien zeigen die Herkunft der Luftmassen, die Mittwochmittag (26.6.2019, 12 UTC) die Region um Karlsruhe erreichen. Rot: bodennahe Luft (ca. 500m), blau: untere Luftschicht (ca. 1.5km), grün bzw. schwarz: mittlere Luftschicht (ca. 3km bzw. 5km). Farbige gefüllte Kreise zeigen den aktuellen Ort jeweils um 12 UTC an. Zusätzlich ist die Staubkonzentration am Mittwochabend gezeigt. Es fällt auf, dass bodennahe Luft aus dem Ostseeraum zu uns gelangt, während Luft aus mittleren Schichten aus Nordafrika Saharastaub mitbringt. Datenquelle: ECMWF IFS Analysen und Kontrollvorhersage vom 23.6.2019, 12 UTC. Staubvorhersage des DWD mit ICON-ART vom 25.6.2019, gültig Mittwochmittag. Plot: J. Quinting

Die Saharaluft in der mittleren Schicht führt ungewöhnlich viel Staub mit, wie Staubvorhersagen des Modellsystems ICON-ART zeigen, welche Heike Vogel am IMK-TRO in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst betreibt (Abb.1). Auch auf die Vorhersage der Temperaturen hat die Saharaluft einen nicht unerheblichen Einfluss, wie ihr Kollege und Leiter der Arbeitsgruppe „Spurenstoffmodellierung und Klimaprozesse“, Bernhard Vogel erklärt: „Der hohe Staubgehalt führt zu Unsicherheiten in der Vorhersage der Maximaltemperaturen. Der Staub schwächt einerseits die direkte Einstrahlung ab, könnte andererseits aber auch die Bildung von Wolken beeinflussen und damit die Sonneneinstrahlung deutlich reduzieren.“ Diese Prozesse besser zu verstehen, ist Gegenstand aktueller Forschung am KIT.

Die Forschung zum Thema Hitzewellen am KIT ist mehr als nur heiße Luft, sie ist eine weltweit sichtbare Kernkompetenz am IMK-TRO. Neben einer Nachwuchsgruppe ist das KIT auch an zahlreichen Forschungsprojekten beteiligt: Der DFG-geförderte SFB/Transregio „Waves to Weather“ (W2W) hat unter anderem zum Ziel, die Vorhersagbarkeit von Hitzewellen zu verbessern. Im Teilprojekt „The role of multi-scale Dynamical Processes in shaping recent and future extreme Heat waves over Germany (DynProHeat)“ der BMBF-Initiative „Klimawandel und Extremereignisse“ (ClimXtreme) gehen Andreas Fink und Joaquim Pinto der Frage nach, wie Klimawandel und Hitzewellen miteinander zusammenhängen und wie stark diese künftig über das bislang erwartete Maß hinausgehen werden. Das Projekt „Photovoltaikertragsreduktion durch Saharastaub“ (PerduS) in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) hat zum Ziel die Leistungsprognosen für den erwarteten Photovoltaik (PV)-Ertrag während eines Saharastaub-Events zu verbessern.

AG Atmosphärische Dynamik http://www.imk-tro.kit.edu/5874.php

AG Grossräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit http://www.imk-tro.kit.edu/7425.php

AG Spurenstoffmodellierung und Klimaprozesse http://www.imk-tro.kit.edu/3487.php

Weiterführende Literatur:

Bieli, M., S. Pfahl, and H. Wernli, 2015: A Lagrangian investigation of hot and cold temperature extremes in Europe. Q.J.R. Meteorol. Soc., 141, 98–108, doi:10.1002/qj.2339.

Quinting, J. F., and M. J. Reeder, 2017: Southeastern Australian Heat Waves from a Trajectory Viewpoint. Mon. Wea. Rev., 145, 4109–4125, doi:10.1175/MWR-D-17-0165.1.

Rieger, D., and Coauthors, 2015: ICON–ART 1.0 – a new online-coupled model system from the global to regional scale. Geosci. Model Dev., 8, 1659–1676, doi:https://doi.org/10.5194/gmd-8-1659-2015.

Schaller, N., J. Sillmann, J. Anstey, E. M. Fischer, C. M. Grams, and S. Russo, 2018: Influence of blocking on Northern European and Western Russian heatwaves in large climate model ensembles. Environ. Res. Lett., 13, 054015, doi:10.1088/1748-9326/aaba55.

Sprenger, M., and H. Wernli, 2015: The LAGRANTO Lagrangian analysis tool – version 2.0. Geosci. Model Dev., 8, 2569–2586, doi:10.5194/gmd-8-2569-2015.

Zschenderlein, P., G. Fragkoulidis, A. H. Fink, and V. Wirth, 2018: Large-scale Rossby wave and synoptic-scale dynamic analyses of the unusually late 2016 heatwave over Europe. Weather, 73, 275–283, doi:10.1002/wea.3278.