Dipl.-Met. Christian Freuer
Anfang April dieses Jahres 2021 war es über Grönland zu einer extremen Wetterentwicklung gekommen. Am 5. April (Ostermontag) wurde über Grönland ein Luftdruck über 1070 hPa simuliert (nicht gemessen!). Für synoptische Verhältnisse nur wenig östlich davon hatte sich ein starkes Tiefdruckgebiet mit einem Kerndruck unter 970 hPa gebildet mit Zentrum vor der mittelnorwegischen Küste. Zwischen den beiden Gebilden hatte sich ein außerordentlich starker Luftdruckgradient entwickelt, wodurch arktische Festlandsluft aus der zentralen Arktis mit orkanartigem Sturm nach Süden wehte (Abb. 1). Dieser Kaltluftvorstoß erreichte dann auch Deutschland. Hier soll es jedoch hauptsächlich um die Luftdruck-Entwicklung um Grönland gehen.
Im 850-hPa-Niveau sah es so aus:
(Erklärender Hinweis: Die Bezifferung der weißen Linien gibt an, in welcher Höhe über NN der Luftdruck genau 850 hPa beträgt. Angegeben ist diese Höhe in geopotentiellen Dekametern. Die Zahl 160 an der Südspitze von Grönland bedeutet, dass der Luftdruck in einer Höhe von 1600 m genau 850 hPa beträgt. Vor der norwegischen Küste im Zentralbereich des Tiefdruckwirbels ist das bereits in einer Höhe von 1050 m (105) der Fall. – Ende Hinweis) .
Dabei müssen jetzt mehrere Dinge beachtet werden. Zum Einen beträgt die mittlere Seehöhe von der Oberfläche Grönlands rund 3000 m, liegt also viel höher als das 850-hPa-Niveau. Die Höhenangabe dort ist also eine rein Rechnerische.
Gleiches gilt zum Anderen für die Angabe des Bodenluftdrucks. Bekanntlich nimmt ja der Luftdruck mit der Höhe ab. Um aber eine aussagekräftige Bodenwetterkarte zu erhalten, muss der Luftdruck in Stationshöhe auf das Niveau des Meeresspiegels reduziert werden. In diese Reduktion geht einmal die Zustandsgleichung für ideale Gase (hier und hier [unten]) und zum zweiten die barometrische Höhenformel ein.
Nun ist natürlich die Oberfläche im Hochland von Grönland sehr kalt mit einer entsprechend hohen Dichte. Die Reduktion des Drucks einer solchen Extrem-Luftmasse von etwa 3000 m auf NN wird also rechnerisch einen zu hohen Druck ergeben. Mit anderen Worten, würde die kalte Oberfläche auf NN liegen, wäre der Luftdruck vermutlich nicht so hoch wie dort simuliert. Erkennbar wird dies daran, dass der Luftdruck-Gradient über dem Meer westlich des Tiefdruckwirbels vor der grönländischen Küste schon etwas schwächer wird, während er über dem grönlandischen Festland wieder sehr stark wird. Auch auf der anderen, westlichen Seite von Grönland beschränkt sich der starke Gradient direkt auf das grönländische Festland, während er über der Davis-Straße praktisch schon verschwunden ist. Dort wird am Boden ein (reales!) Luftdruckniveau von etwa 1030 bis 1035 hPa gemessen. Da die Davis-Straße aber um diese Jahreszeit weitgehend zugefroren ist, ist die Oberfläche bzgl. der Temperatur- und Dichte-Verhältnisse vergleichbar.
(Anmerkung: Der Luftdruck in Stationshöhe bei über 1000 m hoch gelegenen Bergstationen wird aus diesem Grunde auch nicht auf NN reduziert, sondern auf die nächst gelegene Druckfläche. Der Stationsdruck der Zugspitze in fast 3000 m Höhe wird beispielsweise auf die 700-hPa-Fläche reduziert. – Ende Anmerkung)
Kurz und gut, der simulierte Luftdruck über Grönland zeigt zu hohe Werte. Die (der Realität näher kommende) Analyse links zeigt, dass es sich nicht einmal um ein Rekord-verdächtiges Gebilde handelt. Die Frage in der Überschrift beantwortet sich damit: Es ist ein künstliches Phänomen!
(Anmerkung: Hier handelt es sich auch um ein gutes Beispiel dafür, wie Modelle die Realität abbilden können: nämlich über Grönland überhaupt nicht! Dabei handelt es sich hier bei der GFS-Simulation nicht einmal um eine Vorhersage! – Ende Anmerkung)
Nun sind Synoptiker wie der Autor dieses Beitrags immer hellwach, wenn es um Rekorde geht. Dennoch sollte man, um diesbezüglich fündig zu werden, nicht auf solche Extrem-Gebiete schauen.
Extrem hoher Luftdruck kann aufgrund theoretischer Überlegungen nur bei gleichzeitiger hoher Dichte der Luft auftreten, also niemals über Meeresgebieten. Je größer die Festlandsfläche, umso besser für diesen Zweck. Da kommt die Landfläche Asiens ins Spiel, und tatsächlich kann man dort realistischer erkennen, wie hoch der Luftdruck im Extremfall steigen kann.
Hier werden folgende Angaben diesbezüglich gemacht: Für Stationen tiefer als 750 m ü. NN: Am 31.12.1968 wurde in Agata im nordwestlichen Sibirien ein Luftdruck von 1083,8 hPa gemessen. Diese Station liegt 263 m hoch. Auf der entsprechenden Wetterkarte sah das so aus:
Für Stationen über einer Seehöhe von 750 m liegt eine Meldung aus Tosontsengel in der Mongolei mit 1084,8 hPa vom 19. Dezember 2001 vor. Die zugehörige Wetterkarte:
Im Hochland der Inneren Mongolei ist es im Winter genauso extrem kalt wie in Grönland, so dass man auch hier von zu hohen Werten des auf NN reduzierten Luftdrucks ausgehen kann. Real gemessen kann man also wohl den Wert von Sibirien als den höchsten, jemals gemessenen (nicht simulierten!) Luftdruck betrachten.
Folgen der Entwicklung bei Grönland für Mitteleuropa
Wie oben schon erwähnt sorgte der extrem starke Gradient über dem Nordmeer für eine genauso extrem schnelle Advektion arktischer Festlandsluft aus der inneren Arktis nach Süden. Natürlich erwärmt sich die arktische Luftmasse bei ihrem Weg über das offene Meer. Diese Erwärmung von unten her sorgt aber auch für eine erhebliche Labilisierung der Luftmasse mit der Bildung zahlreicher Schauer, wie das Wetterradar-Bild zeigt:
Zu diesem Zeitpunkt lag die Vordergrenze der Arktikluft noch über Norddeutschland, doch kam sie schon am nächsten Tag bis in das Mittelmeer voran. Die Auswirkungen des Kaltluftvorstoßes in Deutschland dürften anderswo beschrieben sein, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Zwei unterschiedliche Aspekte sollen aber noch erwähnt werden:
Der Autor hat in seinem Beitrag über Luftmassen beschrieben, dass das Ausmaß der Erwärmung einer Kaltluftmasse vor deren Eintreffen in Mitteleuropa von der Länge des Weges und der Dauer des Zurücklegens dieses Weges abhängt. In diesem Falle hier erfolgte der Kaltluftvorstoß auf kürzestem Weg und infolge des starken Gradienten auch innerhalb sehr kurzer Zeit. Die Erwärmung hielt sich also sehr in Grenzen, und verschiedentlich dürfte sich auch im Flachland nochmals eine nasse Schneedecke bilden. Sollte es im Bereich eines nachfolgenden Hochdruckkeils nachts aufklaren, kann man sich durchaus mancherorts neue Kälterekorde vorstellen. Näheres hierzu wird ggf. in den „Kältereports“ des Autors beschrieben werden.
Noch ein letzter Aspekt soll hier erwähnt werden. Das Infrarot-Satellitenbild oben zeigt die Bewölkung über dem Nordmeer. Man erkennt deutlich die Leewirkung von Grönland und auch von Island. Betrachtet man noch einmal Abbildung 2, dann fällt auf, dass die Simulation südlich von Grönland im 850-hPa-Niveau etwas höhere Temperaturen als darum herum zeigt. Die Föhnwirkung von Island wird also abgebildet. Auch in den Simulationen der Vortage tauchte dieses Phänomen schon auf. Diesen Aspekt konnte das GFS-Modell also korrekt abbilden.
Schlussbemerkungen: Die hier beschriebenen Vorgänge haben nichts, aber auch gar nichts mit Klima zu tun. Es handelt sich um ein Einzelereignis. Sollten sich ähnliche Einzelereignisse aber in nächster Zeit häufen, kann das vielleicht ein Anzeichen des Wechsels der NAO in die Kaltphase gedeutet werden, wie es Kämpfe (2021) hier beschrieben hat.
(Redaktionsschluss: 7. April 2021)
Zu meinem Verständnis, muss man nicht den Messwert aus größerer Höhe auf NN hoch rechnen und nicht reduzieren? Wenn ich z.B. die emirische Formel aus dem Link verwende und für 3 km Höhe einen Messwert von P = 600 hPa annehme, errechnet sich der Bodendruck Po zu P/0.691 = 868 hPa. Für mein Verständnis wird der Messwert also hochgerechnet und nicht reduziert. Wenn ich das falsch verstehe, bitte korrigieren Sie mich….
Danke für diesen aus meteorologischer Sicht fachlich hervorragenden Beitrag – davon könnte EIKE mehr vertragen. Noch eine Frage an den Autor: Ist es denkbar, dass der extrem hohe Luftdruck der Inner-asiatischen Winterhochs aus einem „Mischeffekt“ resultiert: Dynamisches Absinken, so wie beim „Azorenhoch“, gepaart mit Auskühlung in Bodennähe, was das Hoch verstärkt und stabilisiert. Bei den „Skandinavien-Hochs“ scheint das zumindest mitunter bei den so genannten „Omega-Lagen“ der Fall zu sein: Warmluftadvektion über dem Nordmeer „baut“ das Hoch auf; winterliche Auskühlung verstärkt es. In Mitteleuropa können solche Lagen zu lang anhaltender, extremer Kälte führen – siehe Winter 1962/63, aber auch Februar 1929, 1956 oder 1986; etwas kürzer auch im Februar 2012. Grundlegende Voraussetzung ist aber stets eine „Meridionalisierung“ der Zirkulationsverhältnisse.
Herr Kämpfe, herzlichen Dank für diesen Einwurf. Generell unterscheidet man zwischen einem „kalten“ und einem „warmen“ Hoch. Erstere können nur über einem sehr kalten Untergrund entstehen, wo niedrige Temperatur und hohe Dichte den Luftdruck stark steigen lassen. In der Höhe, also etwa im 500 hPa-Niveau (ca. 5500 m Höhe) hat ein solches Hoch keine Entsprechung. — Umgekehrt in den Tropen und Subtropen: Dort herrscht am Boden wegen der hohen Temperatur und der geringen Dichte zwar nicht gerade tiefer Luftdruck, aber hoch ist er auch nicht. Die 500 hPa- Fläche liegt aber dort drastisch höher als über kalten Hochdruckgebieten. — Ein Sonderfall ist der im Beitrag beschriebene Vorgang über dem eurasischen Festland: Dort entwickelte sich ein warmes Höhen-Hochdruckgebiet, während gleichzeitig die Bodenkälte ebenfalls hohen Luftdruck erzeugte. Trifft beides zusammen, entsteht der „Super-Luftdruck“. In Abbildung 1 ist anhand der farbigen Flächen gut erkennbar, dass über dem Rekord-Hochdruck auch in der Höhe Hochdruck herrschte. — Kurz und unwissenschaftlich: warmes Hoch oben plus kaltes Hoch unten = Hochdruck².
Christian Freuer
Diese Konstellation scheint die „Eemslift Hendrika“ in Seenot gebracht zu haben. Auch die Fähre „Norröna“ zwischen Hirtshals und Torshavn bzw. Seydisfjördur in Island kehrte am Weg von Torshavn nach Hirtshals wetterbedingt um und verbrachte einige Zeit geschützt in Torshavn auf den Färöern.