Die Quasi-Biennale Oszillation (QBO)

Die QBO wird in Fachkreisen gern als Herzschlag der mittleren
Atmosphäre über dem Äquator bezeichnet. Wie sie entsteht und was die
QBO sonst noch so bewirken kann, soll im Folgend kurz beleuchtet
werden.

Die Quasi-Biennale Oszillation (QBO) ist eine periodische Umkehr des
zonalen Windes (Windkomponente in West-Ost-Richtung oder umgekehrt,
also entsprechend West- oder Ostwinde) in der äquatorialen
Stratosphäre (auch mittlere Atmosphäre genannt) der Erde. Sie tritt
in einer Höhe von rund 15 bis knapp 40 Kilometer mit einem Maximum
bei circa 20 bis 25 Kilometern Höhe auf.

Wie hat man diese Zirkulation in diesen schwindelerregenden Höhen
überhaupt entdeckt?

Der Ausbruch des Vulkans Krakatau (auf der Vulkaninsel Krakatau,
zwischen den indonesischen Inseln Java und Sumatra) am 27. August
1883 führte zu der Annahme, dass der Stratosphärenwind über dem
Äquator generell in westlicher Richtung weht. Der Staub des Ausbruchs
brauchte insgesamt 13 Tage, um den Äquator zu umrunden, und dieser
Wind in der mittleren Atmosphäre wurde als Krakatau-Ostwind bekannt.

Im Jahr 1908 ließ der deutsche Meteorologe und Aerologe Josef Berson
Beobachtungsballons über dem Viktoriasee in Afrika aufsteigen und
stellte Westwinde in etwa 15 km Höhe fest. Diese Westwinde werden
seitdem als Bersonsche Westwinde bezeichnet. Diese zunächst
widersprüchlich erscheinenden Ergebnisse wurden durch die Arbeiten
von Reed (1961) und Veryard sowie Edbon (1961) aufgelöst, die
zeigten, dass der Wind über dem Äquator seine Windrichtung periodisch
umkehrt. Es wurde nun nachgewiesen, dass der Wind in der Stratosphäre
im Durchschnitt alle 26 bis 28 Monate seine Richtung ändert und dass
sich die abwechselnden Ost- und Westwinde im Verlauf jeweils nach
unten in der Stratosphäre verlagern.

Mit dem Vorhandensein längerer Datensätze (Naujokat 1986) konnten
folgende Eigenschaften der QBO manifestiert werden:

Die abwechselnden Ost- und Westwinde bewegen sich mit etwa 1 km/Monat
abwärts und nehmen auch mit abnehmender Höhe an Stärke ab. Die Dauer
der Oszillation beträgt 20 bis 36 Monate mit einem Mittelwert von
etwa 27 bis 28 Monaten. In etwa 10 hPa beginnt die Windumkehr (in
über 35 km Höhe über dem Äquator) und sinkt im Verlauf bis auf etwa
100 hPa (ca. 18 km Höhe) ab.
Die maximale Windgeschwindigkeit von 40 bis 50 m/s wird bei 20 hPa
(in etwa 25 km Höhe) gemessen. Ostwinde sind im Allgemeinen stärker
als Westwinde.
Westwinde halten in höheren Schichten länger an als Ostwinde, während
in tieferen Schichten der Stratosphäre genau das Gegenteil der Fall
ist. Westwinde bewegen sich schneller abwärts als die Ostwinde. Der
Übergang zwischen West- und Ostwindzyklus erfolgt oft verzögert
zwischen 30 und 50 hPa. Es besteht eine beträchtliche Variabilität
des QBO in Bezug auf Periode bzw. Andauer und Amplitude bzw.
Ausprägung (Windgeschwindigkeit).

Wie entsteht diese periodische Windumkehr?

Die Theorie besagt hierzu folgendes:

Holton und Lindzen (1972) waren die ersten, die ein Modell der QBO
vorschlugen, das auf sich vertikal ausbreitenden Wellen beruht.
Mittlerweile geht man davon aus, dass äquatoriale Kelvin-Wellen die
westlichen Winde (aufgrund deren genereller Ausbreitung in östliche
Richtung) und gemischte Rossby-Schwerewellen die östlichen Winde
(aufgrund Ausbreitung der Wellen in westlicher Richtung) zur
Generierung der QBO-Oszillation liefern.

Warum ist die QBO nun so wichtig?

Die jeweilige Phase der QBO kann sich auf die Hurrikanaktivität im
Atlantik auswirken und wird bei Hurrikanvorhersagen sogar als
Prognoseinstrument mit verwendet. Eine erhöhte Hurrikanaktivität
tritt bei westlichen Windanomalien, eine verringerte
Hurrikanaktivität bei östlichen Windanomalien in der Stratosphäre
auf. Es wird angenommen, dass die QBO zusammen mit der entsprechenden
Meeresoberflächentemperatur und dem ENSO-Phänomen den indischen
Monsun beeinflussen kann. Die Häufigkeit tropischer Wirbelstürme im
Nordwestpazifik nimmt während der westlichen Phase der QBO zu. Die
Aktivität im südwestindischen Becken nimmt dagegen mit der östlichen
Phase der QBO zu. Plötzliche Stratosphärenerwärmungen (z.B. über dem
Nordpol, Zusammenbruch Stratosphärischer Polarwirbel) im Winter
treten bevorzugt während der östlichen Phase der QBO auf (Holton und
Tan 1980). Die Zeitdauer des Abklingens der Aerosolbelastung nach
Vulkanausbrüchen wie El Chichon und Pinatubo hängt ebenso von der
Phase des QBO ab.

Über die QBO wurde bereits im Thema des Tages vom 26.05.2020
berichtet (siehe hier Link:
https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2020/5/26.html). Dort
ging es hauptsächlich um einen möglichen Zusammenhang mit
außertropischen Zirkulationen, hier speziell im
atlantisch-europäischen Wetterraum.

In der beigefügten Grafik erkennt man aktuell die östliche Phase der
QBO, mit dem Maximum der Ostwinde in etwa 20 hPa, die allerdings
nicht sonderlich stark ausgeprägt ist (Maximum der
Windgeschwindigkeit bei 30 bis 35 m/s). Bei Fortdauer der östlichen
Phase bis in den Nordhemisphärischen Winter hinein sollte jedoch
dieser Umstand berücksichtigt werden.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die QBO nicht nur für die
tropische Konvektion im äquatorialen Bereich wichtig ist, sondern
gerade im Winterhalbjahr auch so genannte Teleconnections
(Fernverbindungen) über die globale stratosphärische Zirkulation
existieren, die indirekt somit auch das Wetter bei uns mit
beeinflussen können.

Dipl.-Met. Dr. Jens Bonewitz
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 04.09.2021

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