Die Quasi-Biennale Oszillation (QBO)

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 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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