Die Meere im Extremzustand

Ohne Zweifel: die aktuellen Meerestemperaturen sind absolut aussergewöhnlich. Der Ozean bewegt sich auf unbekanntem Terrain – und die Klimaforschung tut sich schwer damit, diese Bewegungen zu antizipieren.

Ein Produkt verschiedener Faktoren

Welche Faktoren die Meerestemperatur so sprunghaft auf diese neuen Höchstwerte gebracht haben, ist noch nicht umfassend geklärt. Sicher ist der aufkommende El Niño ein wichtiger Treiber. Wir wissen aus der Vergangenheit, dass ein El Niño die global gemittelte Meeresoberflächentemperatur um etwa 0,1 bis 0,2 Grad Celsius erhöht. Dieser Effekt kommt im Schnitt aber eher später im Jahr, wenn der El Niño um die Jahreswende herum sein Maximum erreicht.

Des Weiteren beobachten wir zurzeit im Nordpazifik und im Nordatlantik zwei riesige Hitzewellen, die schon Anfang Jahr begannen und sich in den letzten Monaten intensivierten und ausdehnten. Diese Kombination von El Niño und extratropischen Hitzewellen treibt die globale Meerestemperatur enorm in die Höhe, insbesondere da es zurzeit kaum eine Meeresregion gibt, die deutlich kühler ist als normal.

Ein perfekter Sturm

Fragt sich: Ist diese Kombination dem Zufall geschuldet – oder gibt es Abhängigkeiten? Meiner Einschätzung nach ist es zu einem grossen Teil tatsächlich Zufall. Zwar könnte die Hitzewelle im Nordpazifik durchaus durch den El Niño verstärkt worden sein, ähnlich wie während der «Blob» genannten Monster-Hitzewelle im Nordpazifik von 2013 bis 2015. Es gibt aber keine Hinweise auf eine Verbindung des El Niño mit der Hitzewelle im Nordatlantik.

Daher argumentiere ich, dass wir es mit einem perfekten Sturm (Englisch: perfect storm) zu tun haben – einer aussergewöhnlichen Situation bei der verschiedene Faktoren zufälligerweise so zusammenkommen, dass sie sich gegenseitig verstärken. Man muss dabei aber auch festhalten: Ohne die menschgemachte Erderwärmung würde dieser perfekte Sturm nie derart hohe Temperaturen generieren.

Stabile Hochdrucklagen fördern Hitzewellen

Während der Zeitpunkt einer marinen Hitzewelle also grösstenteils zufällig ist, gibt es Bedingungen, die deren Bildung begünstigen. Dazu gehören sogenannte stabile Hochdrucklagen – grossräumige Schönwetterinseln, die sich über längere Zeit aufrechterhalten und so Hitzewellen fördern können, sowohl an Land wie auch im Meer.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans ausserhalb der Tropen. Zirkulation bezeichnet die grossskaligen Strömungen, wie zum Beispiel der Jetstream in der Atmosphäre oder die Tiefenwasserpumpe im Nordatlantik.

In einer idealen Welt könnten wir zukünftige Zirkulationsmuster modellieren und so günstige Bedingungen für Hitzewellen frühzeitig identifizieren. Leider lassen sich die stabilen Hochdrucklagen zugrundeliegenden Zirkulationsmuster nicht weiter als für ein paar Tage oder maximal ein paar Wochen vorhersagen. Das liegt vor allem an den kleinräumigen Turbulenzen, die dazu führen, dass zum Beispiel zwei mögliche Entwicklungen des Wetters aufgrund kleiner Unterschiede in den Anfangs- oder Randbedingungen weit auseinanderdriften. Ein Phänomen, das oft als Schmetterlingseffekt bezeichnet wird.

Wenn wir also den Einzelfall schon nicht bestimmen können, so sollten wir doch wenigstens vorhersagen können, ob solche stabilen Zirkulationsmuster mit der Klimaerwärmung öfters und länger vorkommen, sprich: ob die Bedingungen für Hitzewellen häufiger werden. Doch genau hier hapert es.

Zirkulation im Unschärfetrog

Es gibt zu dieser Frage in den Klimawissenschaften wenig Konsens, genauso wie wir nicht voraussagen können, ob El Niño in Zukunft häufiger oder seltener vorkommen wird. Wir sind uns auch nicht wirklich einig, ob sich die Nordatlantische Tiefenwasserpumpe stark abschwächen wird oder nicht. Oder ob der Jetstream in der Atmosphäre anders verlaufen wird. Das sind alles relevante Fragen, die stark bestimmen, wie sich der Klimawandel in den verschiedenen Regionen der Welt genau auswirken wird.

All diesen Fragen ist gemein, dass die Zirkulation in der Atmosphäre und im Ozean nicht nur durch grossskalige Prozesse bestimmt wird, sondern auch wesentlich modifiziert wird durch kleinräumige Prozesse. Das sind Wetterprozesse wie Konvektion, Wolkenbildung, Gewitter oder Stürme – Vorgänge, die auf Skalen von einem bis wenigen Kilometern stattfinden. In anderen Worten: Die Zirkulation ist ein Phänomen, das durch Wechselwirkungen zwischen allen räumlichen Skalen bestimmt wird.

Und genau diese Skaleninteraktionen sind in den Klimamodellen, die wir heute typischerweise einsetzen, unterbunden. Das liegt primär an der zu geringen Auflösung dieser Modelle. Mit Gitterabständen von derzeit rund hundert Kilometern sind sie zu wenig scharf, um viele elementare Vorgänge des Wetters in der Atmosphäre oder im Ozean korrekt darzustellen. Doch gerade solche kleinräumigen Wetterprozesse beeinflussen Grosswetterlagen stark (und umgekehrt) – wir müssen sie heute jedoch primär abschätzen oder mit stark vereinfachenden Methoden modellieren, was zu grossen Unsicherheiten führt.

Die Klima- und Wetterforschung ist also weiterhin gefordert, ihre Modelle weiterzuentwickeln, insbesondere was die Auflösung und die Genauigkeit betrifft, um Änderungen in der Zirkulation und damit in den Wetterlagen abbilden zu können. Daran arbeiten wir an der ETH Zürich zusammen mit MeteoSchweiz im Projekt EXCLAIM⁶ und auf internationaler Ebene mit EVE.⁷

Wir versprechen uns davon ein detaillierteres Verständnis der Zirkulation und damit letztlich mehr Konsens in den grossen Fragen der Klimaforschung. Und vor allem brauchen wir die Genauigkeit von solchen lokalen bis regionalen Abschätzungen des Klimawandels, um uns optimal anpassen zu können.