Sub-seasonal predictability of winter tornado regimes in Europe captured through disruptions to the stratospheric polar vortex

Europa wird oft als ein Ort angesehen, an dem der Himmel im Allgemeinen ruhig ist, ein krasser Gegensatz zu den heftigen Tornado-Ausbrüchen, die die Schlagzeilen in den amerikanischen Mittleren Westen dominieren. Dennoch ist der Kontinent nicht immun gegen schwere Stürme. Während Meteorologen gefährliche Wetterlagen bereits einige Tage im Voraus zuverlässig vorhersagen können, blieb der Blick weiter in die Zukunft – in das sub-saisonale Fenster von drei bis vier Wochen – eine frustrierende blinde Stelle. Diese Lücke lässt Katastrophenschutzplaner und Gemeinden ohne entscheidende Frühwarnungen für Ereignisse zurück, die erhebliche Schäden verursachen könnten. Die Herausforderung liegt in der chaotischen Natur der unteren Atmosphäre, in der Wettermuster nach etwa einer Woche dazu neigen, sich aufzulösen und unvorhersehbar zu werden. Um weiter zu sehen, müssen Wissenschaftler höher blicken, über das Wetter hinaus, das wir spüren, hinein in die Stratosphäre – eine Schicht der Atmosphäre, die sich viel langsamer verändert und die Luft darunter beeinflussen kann.

Eine aktuelle Studie von Matthieu Lacroix und Kollegen von der Universität Lyon und der Universität Évora hat ein Stück dieses langjährigen Rätsels gelöst. Die Forscher entdeckten, dass das Tornado-Risiko in Europa während der Wintermonate nicht zufällig ist, sondern stattdessen mit massiven Störungen des stratosphärischen Polarwirbels zusammenhängt, einem Ring aus starken Winden, der den Nordpol umkreist. Doch die Geschichte endet hier nicht. Die Studie zeigt, dass eine Störung in der oberen Atmosphäre nicht automatisch eine Tornado-Bedrohung am Boden erzeugt. Stattdessen hängt das Ergebnis vollständig von einem spezifischen, bereits bestehenden Luftdruckmuster über dem Atlantik ab. Durch die Kombination dieser beiden Faktoren hat das Team einen neuen Weg entwickelt, um Hochrisiko-Zeitfenster für schwere Stürme bis zu einem Monat im Voraus vorherzusagen, was ein Werkzeug bietet, das die Art und Weise, wie Europa sich auf das Winterwetter vorbereitet, grundlegend verändern könnte.

Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass die Stratosphäre als Reservoir der Vorhersagbarkeit dienen kann. Der Polarwirbel ist eine riesige, wirbelnde Säule kalter Luft, die im Winter über dem Nordpol liegt. Gelegentlich wird dieser Wirbel durch ein Ereignis der plötzlichen stratosphärischen Erwärmung gestört, bei dem die Temperatur in der oberen Atmosphäre in nur wenigen Tagen um Dutzende von Grad ansteigt, was die Winde verlangsamt oder sogar die Richtung umkehrt. Diese Ereignisse sind gut dokumentiert, und es ist seit einiger Zeit bekannt, dass sie ein Signal nach unten senden, das schließlich den Jetstream – den schnell fließenden Luftstrom, der Wettersysteme über den Kontinent steuert – in Richtung Äquator verschiebt. Diese Verschiebung bringt oft Kältewellen und Schnee nach Europa. Aber die Frage blieb: Erzeugt diese gleiche Verschiebung auch die spezifischen, gefährlichen Bedingungen, die für Tornados notwendig sind?

Um dies zu beantworten, mussten die Forscher zuerst ein Messproblem lösen. In den Vereinigten Staaten verwenden Wissenschaftler eine Formel, um das Tornado-Risiko vorherzusagen, indem sie zwei Zutaten multiplizieren: die thermische Energie in der Atmosphäre und die Änderung der Windgeschwindigkeit mit der Höhe. Wenn eine dieser Zutaten fehlt, besagt die Formel, dass kein Tornado entstehen wird. Dies funktioniert gut in Amerika, wo Stürme oft sowohl intensive Hitze als das Bedürfnis nach starken Winden haben. Europäische Wintertornados sind jedoch anders. Sie treten häufig in kalter Luft auf, in der es sehr wenig thermische Energie gibt, aber die Winde außergewöhnlich stark sind und in der Nähe des Bodens abrupt die Richtung ändern. Die amerikanische Formel, die sich auf die Multiplikation dieser Faktoren stützt, würde für diese europäischen Stürme fälschlicherweise ein Risiko von Null vorhersagen, weil die Hitze-Zutat fehlt. Das Team entwickelte daher einen neuen Index, den Europäischen Tornado-Umwelt-Index. Anstatt die Zutaten zu multiplizieren, addierte der Index sie zusammen. Diese einfache Änderung ermöglichte es dem Index, zu erkennen, dass starke Winde allein, selbst in kalter Luft, eine gefährliche Umgebung für Tornados schaffen können. Das Team trainierte dieses neue Werkzeug anhand von Jahrzehnten an Sturmberichten und atmosphärischen Daten und bewies, dass es in der Lage ist, die spezifischen Bedingungen, die zu schweren Unwettern in ganz Europa führen, genau zu identifizieren.

Mit einem zuverlässigen Weg zur Messung des Risikos untersuchte das Team 50 bedeutende stratosphärische Erwärmungsereignisse, die zwischen 1950 und 2025 auftraten. Sie verfolgten, was in den Wochen nach diesen Ereignissen mit dem Tornado-Risiko-Index geschah. Die Ergebnisse waren überraschend. Als sie alle Ereignisse zusammen betrachteten, war das Signal ungeordnet und unklar. Manchmal stieg das Risiko, manchmal sank es, und oft schien es gänzlich zu verschwinden. Dieser Mangel an einem klaren Muster deutete darauf hin, dass das stratosphärische Signal durch etwas anderes in der unteren Atmosphäre blockiert oder verändert wurde. Die Forscher erkannten, dass die Atmosphäre nicht auf einen einzelnen Stoß auf eine einheitliche Weise reagiert; die Reaktion hängt vom Zustand der Atmosphäre im Moment ankommt, in dem das Signal eintrifft.

Der Schlüssel zur Entschlüsselung des Musters war das Ostatlantik-Muster, eine großräumige Anordnung von Hoch- und Tiefdruck über dem Ozean westlich von Europa. Die Forscher teilten ihre 50 Ereignisse in zwei Gruppen auf, basierend darauf, ob dieses Muster zum Zeitpunkt, als das stratosphärische Signal die Erdoberfläche erreichte, in einer „positiven“ oder „negativen“ Phase war. Der Unterschied war dramatisch. Wenn die stratosphärische Störung stattfand, während das Ostatlantik-Muster in einer positiven Phase war, verdoppelte oder verdreifachte sich das Risiko für schwere Tornado-Umgebungen in bestimmten Regionen. Der verschobene Jetstream, kombotiniert mit der warmen, feuchten Luft, die aus dem Mittelmeer und dem subtropischen Atlantik nach Norden strömt, schuf ein perfektes Rezept für Stürme. Diese Hochrisikozone erstreckte sich von Portugal und Spanien über das südliche Frankreich bis nach Italien und den Balkan.

Im krassen Gegensatz dazu verschwand das Tornado-Risiko bei demselben stratosphärischen Ereignis, wenn das Ostatlantik-Muster während einer negativen Phase auftrat, fast über den gesamten Kontinent hinweg. In diesem Szenario wurde die Atmosphäre von kalter, trockener Luft und Hochdruckblockaden dominiert, die verhinderten, dass die warme, instabile Luft nach Norden zog. Obwohl der Jetstream sich immer noch nach Süden verschob, bedeuteten der Mangel an Feuchtigkeit und Hitze, dass die Bedingungen für schwere Stürme nicht entstehen konnten. Das stratosphärische Signal wurde durch die kalte, stabile Luft effektiv neutralisiert. Dieser Befund erklärt, warum frühere Versuche, diese Ereignisse vorherzusagen, scheiterten; ohne die Kenntnis des Zustands des Ostatlantik-Musters ist das stratosphärische Signal lediglich Rauschen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Vorhersage schwerer Winterwetterlagen in Europa einen zweistufigen Ansatz erfordert. Zuerst müssen Meteorologen die Stratosphäre nach Anzeichen einer Störung des Polarwirbels überwachen. Zweitens müssen sie die Phase des Ostatlantik-Musters überprüfen. Wenn eine Störung auftritt, während das Ostatlantik-Muster in einer positiven Phase ist, dient dies als kraftvolles Frühwarnsignal dafür, dass sich drei bis vier Wochen später ein Fenster mit hohem Risiko für schwere Unwetter öffnen wird, insbesondere über Südeuropa und Westeuropa. Dies ist keine Garantie dafür, dass ein Tornado an einem bestimmten Tag einschlägt, aber es identifiziert einen Zeitraum, in dem die atmosphärischen Zutaten so aufeinander abgestimmt sind, dass solche Ereignisse viel wahrscheinlicher werden. Durch die Integration dieses Wissens können Meteorologen über die aktuelle Ein-Wochen-Grenze hinausgehen und den Gemeinschaften eine dringend benötigte Vorwarnung geben, was eine bessere Vorbereitung und Ressourcenverteilung ermöglicht, bevor die Stürme eintreffen.