Der wesentliche Antrieb aller Wettervorgänge in der Atmosphäre liegt in der Sonneneinstrahlung. Da diese jedoch auf der Erde sehr unterschiedlich stark ausgeprägt ist, kommt es zu größeren Temperaturgegensätzen zwischen Äquator und den Polregionen. Während am Äquator die Sonne fast das ganze Jahr über nahezu senkrecht einstrahlt, bekommen die Polregionen bei flachem Einfallswinkel nur wenig wärmende Sonnenenergie ab. Im Winter bleibt es in diesen nördlichen bzw. südlichen Regionen der Erde teilweise sogar komplett dunkel, d.h. die Sonne geht dort gar nicht mehr auf.
Da in der Troposphäre (untere Atmosphäre) nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten jedoch immer ein Temperaturausgleich angestrebt wird, strömt die warme aufsteigende Luft aus den äquatorialen Regionen in der oberen Troposphäre Richtung Norden bzw. Süden. In den mittleren und nördlichen/südlichen Breiten sind die Tiefdruckgebiete für den Wärmeaustausch verantwortlich. Diese entstehen bevorzugt im Bereich der sogenannten Polarfront, die die kalten polaren Luftmassen von den warmen subtropischen Luftmassen trennt.
Die oft wellenförmigen Deformationen an der Luftmassengrenze werden nach dem Wissenschaftler C.G. Rossby als "Rossby-Wellen" bezeichnet. Im Gesamtbild der Luftmassenzirkulation der Erdatmosphäre sind diese Rossby-Wellen auch als mäandrierender (wellender) Verlauf des Polarfrontjetstreams entlang der Luftmassengrenze zwischen der kalten Polarluft und der warmen Subtropenluft auf der Nord- und auch auf der Südhalbkugel der Erde beobachtbar. Der Polarfrontjetstream ist ein schmales, bandartiges Starkwindfeld in der oberen Troposphäre bzw. unteren Stratosphäre als Folge der großen Temperaturunterschiede.
Die sehr langen und meistens auch stabilen Rossby-Wellen (mit einer durchschnittlichen Wellenzahl von 5 bis 7) steuern dabei die Hoch- und Tiefdrucksysteme in den mittleren Breiten und sind somit für den Austausch von Wärme zwischen hohen und niedrigen Breiten verantwortlich. Dabei verlagern sich die Wellen in den mittleren Breiten immer langsamer als die durchschnittliche westliche Grundströmung. Die Verlagerungsgeschwindigkeit ist dabei von der Wellenlänge und der Veränderung der Corioliskraft (Rechtsablenkung der Luftströmung auf der Nordhalbkugel durch die Erdrotation) mit dem Breitengrad abhängig. Unter bestimmten Voraussetzungen können die Rossby-Wellen auch stationär werden (typisch für blockierende Wetterlagen) oder sich sogar gegen die Luftströmung verlagern (retrograd). In unseren Breiten (~45°N) muss für stationäre oder retrograde Wellen die Wellenanzahl kleiner als 5 sein.
In den letzten sehr milden Wochen herrschten über Europa weitestgehend ähnliche Luftdruckverhältnisse vor. Ein ausgeprägtes Azorenhoch, das sich weit nach Osten teilweise bis ins östliche Mittelmeer erstreckte sowie gleichzeitig eine großräumige und hochreichende Tiefdruckzone von Neufundland zeitweise bis nach Russland, sorgten fast durchgängig für eine westliche Strömung über West-, Nord- und Teilen Mitteleuropas. Dabei überquerten wiederholt Tiefausläufer vor allem die Nordhälfte Deutschlands von Westen nach Osten, sodass dort ein unbeständiger und zeitweise auch stürmischer Wettercharakter dominierte. Dagegen herrschte im Süden unter Einfluss des Azorenhochs oftmals trockenes und ruhiges Herbstwetter vor.
Diese Wetterverhältnisse lassen sich auch über die Rossby-Wellen erklären, die in diesem Zeitraum eine Wellenzahl von meistens 6 bis 8 aufwiesen. Da die Wellen über eine geringe Amplitude, also Ausdehnung in meridionaler Richtung (Nord-Süd, Süd-Nord) verfügten, verlagerten sie sich rasch ostwärts. Zwischen den einzelnen Wellen bildete sich häufig eine kräftige zonale Höhenströmung aus, mit der zahlreiche Randtiefs ostwärts zogen.
Erst am letzten Wochenende (21./22.11.2015) stellte sich die Wetterlage über Europa zumindest vorübergehend um. Allerdings korreliert die sich einstellende nördliche Strömung, die den Winter nach Deutschland brachte, nicht mit einer deutlichen Abnahme der Wellenzahl. Um die Nordhemnisphäre ziehen sich weiterhin 6 bzw. 7 Rossby-Wellen. Während sich jedoch die Wellenamplitude von Russland über den Pazifik hinweg bis nach Alaska weiter verringerte, dehnten sich über Amerika und Europa zwei Wellentäler (Tröge, vgl. www.dwd.de/lexikon Stichwort Trog) weit nach Süden aus. Gleichzeitig konnte sich in höheren troposphärischen Schichten ein Rücken (Höhenhochkeil) sowie am Boden ein Hoch über dem Atlantik weit in Richtung Polarregion ausbreiten. Durch die Vergrößerung der Amplitude stellten sich über Europa und auch über Amerika meridionale Luftströmungen ein, die trogrückseitig hochreichende Polarluft südwärts jeweils nach Zentralamerika bzw. zu uns nach Westeuropa transportierten (vgl. Graphik).
Da sich die Anzahl der Rossby-Wellen über die gesamte Nordhemnisphäre hinweg jedoch nicht deutlich reduzierte und derzeit weiterhin meist eine rasche Ostverlagerung der Wellen vorliegt, ist nicht mit einer längerfristigen Einwinterung bis in mittlere oder tiefe Lagen zu rechnen. Stattdessen wird die Strömung wieder zunehmend zonalisieren und wieder etwas mildere Meeresluft in weite Teile Europas und auch nach Deutschland führen. Der Winter wäre entsprechend lediglich in den Höhenlagen der Mittelgebirge oberhalb von 600 bis 900 Metern weiter anzutreffen.
Dipl.-Met. Lars Kirchhübel
Deutscher Wetterdienst