Kommt ein Dürresommer? Eine experimentelle Prognose auf Basis der schwankenden Sonnenaktivität

Hinweis: Das kalte Sonne Blog versteht sich auch als Plattform für Diskussionen zum Klimawandel. Food for thought. Der folgende Beitrag spiegelt die Ansicht des Autors wieder. Falls Sie die These kommentieren wollen, leiten wir Ihre Zuschrift gerne an den Autor weiter. Schon in wenigen Monaten wird sich herausstellen, ob die Regenprognose für diesen Sommer so eingetreten ist.

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Von Dr. Ludger Laurenz

Die schwankende Sonnenaktivität beeinflusst unser Wetter nach neueren Untersuchungen wesentlich stärker als gedacht. Die Aktivität der Sonne schwankt in einem elfjährigen Zyklus, die Energie der Sonnenstrahlung ändert sich dabei aber nur um etwa 0,1 Prozent. Dennoch beeinflusst die Variation der Sonnenstrahlung unser Wetter erheblich und für jeden spürbar. Mögliche Verstärkermechanismen befinden sich noch in der Erforschung. Laut folgender These wird der solare Einfluss auf unser Wetter erkennbar:

Der solare Einfluss auf unser Wetter wird sichtbar, wenn der Beginn des Sonnenzyklus auf das Jahr des Sonnenflecken-Maximums gelegt wird. In jenem Jahr erzeugt die Sonne einen Startimpuls. Ausgelöst durch diesen Impuls werden in jedem Zyklus für etwa 10 Jahre wiederkehrende Wettermuster gebildet. Das betrifft alle Schichten der Atmosphäre. Aus den wiederkehrenden Wettermustern lassen sich Trendprognosen erstellen.

Dazu hat der Autor in den letzten Monaten mehrere Beiträge verfasst (hier & hier). Der Einfluss des Startimpulses der Sonne lässt sich im Sommer in den Monaten Juni und Juli nachweisen, wenn die Sonne bei uns am höchsten steht. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt die Wetterdaten von Deutschland, den Bundesländern und vieler Stationen ab 1881 zur Verfügung. Seitdem hat es 12 vollständige Sonnenzyklen (von Maximum zu Maximum) gegeben, von 1883 bis 2013, und den aktuellen Zyklus, der 2014 mit einem weiteren Maximum begonnen hat. Wird der Beginn eines jeden Zyklus auf das Impulsjahr gelegt, entsteht der Kurvenschwarm in Abbildung 1. Das Impulsjahr entspricht meist dem nach SILSO definierten Jahr mit dem Sonnenfleckenmaximum.

Je nach Monat oder Jahreszeit, in denen solare Wettermuster auftreten, können sich die Impulsjahre geringfügig unterscheiden. Das dürfte nicht an unterschiedlichen Zeitpunkten des Sonnenimpulses liegen, sondern an unterschiedlichen Verzögerungen, bis das Sonnensignal im Wettertrend erscheint. Die These vom Impuls im Jahr des Sonnenfleckenmaximums ist so jung, dass Fragen zur Definition des Impulsjahres und der Verzögerungszeiten noch näher analysiert werden müssen.

Abbildung 1: 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus und Trend der Niederschlagssumme Juni/Juli im Deutschlandmittel

Jede Linie entspricht dem Verlauf der Niederschlagssumme in einem Sonnenzyklus. Beim erstmaligen Betrachten irritiert der Kurvenverlauf. Ein ähnliches Muster findet sich weltweit in allen solaren Wettermustern, wenn der Beginn des Sonnenzyklus auf das Jahr des Fleckenmaximums gelegt wird. Eine Erklärung dafür wird am Ende dieses Beitrages gegeben. Zeitweise verlaufen alle 13 Kurven gleichsinnig parallel. Das ist ein Hinweis darauf, dass von der Sonne im Jahr des Fleckenmaximums ein Impuls ausgeht, der für diesen Trend verantwortlich ist. Mit dieser Parallelität kommt das Signal zum Ausdruck, das die Sonne im Verlauf des Sonnenfleckenzyklus an die Sommerniederschlagsaktivität in Deutschland sendet.

Die beste Übereinstimmung der Kurven besteht vom Zyklusjahr 3 bis 8. Von der Art der Niederschlagskurve eines Zyklus kann eventuell auf die Sonnenaktivität geschlossen werden. Verlaufen die Kurven in engem Verbund gleichförmig im Zeitabschnitt von Jahr 3 bis 8, hat die Sonne in mehreren Zyklen einen einheitlichen Impuls gesendet. Bei den beiden Zyklen, beginnend 1905 und 2014, war das Sonnensignal wegen zu geringer Sonnenfleckenanzahl vermutlich zu schwach, um das übliche Niederschlagsmuster zu bilden, s. Anmerkungen in Abbildung 1. Bei dem Zyklus ab 1980 wurde vermutlich ein abweichendes Signal gesendet, weil sich in den drei Jahren mit extrem hoher Sonnenfleckenzahl kein klarer auf ein einzelnes Jahr konzentrierter Impuls ausbilden konnte. Grundsätzlich scheint die Qualität der Sonnenfleckenaktivität in und um das Jahr des Fleckenmaximums einen Einfluss auf das Niederschlagsmuster des jeweiligen Zyklus zu haben.

Ist eine solar-basierte Langfristprognose für mehrere Jahre möglich?

In Abbildung 2 ist das Sonnensignal für die Klimagrößen Niederschlagssumme, Sonnenscheindauer und Temperatur für Juni/Juli im Mittel von Deutschland dargestellt.

Abbildung 2: 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus und Wettertrend im Juni/Juli  im Deutschlandmittel mit Trendprognose für die nächsten Jahre

Für den Niederschlagstrend und die Sonnenscheindauer werden Relativwerte verwendet. Dadurch sind diese Größen leichter vergleichbar. Die Sonnenscheindauer ist erwartungsgemäß negativ korreliert zur Niederschlagssumme. Die Temperatur verläuft weitgehend parallel zur Sonnenscheindauer. Das Zyklusjahr 5 ist das trockenste, sonnenscheinreichste und wärmste Jahr aller Zyklusjahre. Das Hitze- und Dürrejahr 2018 ist ein Jahr 5. Die Sonnenaktivität war offensichtlich verantwortlich für den Wettercharakter im Sommer 2018.

Der Kurvenverlauf in Abbildung 2 lässt sich für Trendprognosen nutzen. Dazu sind die Jahreszahlen des aktuellen Sonnenzyklus, beginnend mit 2014, am unteren Rand eingefügt. Für 2020 sind erneut niedrige, eventuell sogar sehr niedrige Niederschlagssummen wahrscheinlicher als durchschnittliche oder sogar überdurchschnittliche Regensummen. In 11 von 12 Zyklen sinkt die Niederschlagssumme von Jahr 6 zu Jahr 7, s. Abbildung 1. Der aktuelle Sonnenzyklus mit dem zu Beginn sehr schwachem Impuls verläuft nicht normal. So ist der in anderen Zyklen regelmäßig auftretende Windrichtungswechsel in der QBO (s.u.) von Jahr 1 zum Jahr 2 ausgeblieben. Wenn sich 2020 entsprechend den Kurvenverläufen in Abbildung 1 zu einem historischen Dürrejahr entwickelt, könnte das allein durch den aktuellen Verlauf der Sonnenaktivität verursacht worden sein.

Für Deutschland lässt sich in Zukunft ein Trend für die Niederschlagssumme Juni und Juli für ca. 10 Jahre im Voraus aufstellen, sobald der Zeitpunkt und die Qualität des Sonnenfleckenmaximums bzw. des Sonnenimpulses bekannt sind. In wieweit das auch in Zyklen mit zu Beginn sehr niedriger Fleckenzahl und schwachem Impuls möglich sein wird, müssen weitere Untersuchungen zeigen.

In allen Bundesländern ähnliches Sonnensignal

Zur Berechnung des Sonnensignals in unterschiedlichen Regionen Deutschlands sind die Datensätze aus 12 Bundesländern verwendet, die Niederschlagssummen in Relativwerte umgewandelt worden. Die Werte eigenständiger Städte sind in umgebenden Bundesländern integriert. Zur besseren Übersichtlichkeit sind die Bundesländer mit ähnlichem Kurvenverlauf in Gruppen zusammengefasst, s. Abbildung 3. Zu den Ergebnissen der Bundesländer ist der Niederschlagstrend der Niederlande hinzugefügt, um zu zeigen, dass sich auf dem Gebiet der Niederlande fortpflanzt.

Abbildung 3: 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus und Wettertrend im Juni/Juli in verschiedenen Regionen Deutschlands und den Niederlanden

Die Kurven aller Regionen wechseln vom Zyklusjahr 4 bis 8 von Jahr zu Jahr auf und ab, bleiben ab dem Zyklusjahr 8 auf hohem Niveau. Die Ausschläge zwischen den Extremen sind im Nord-West-Deutschland mit maximal 40 Prozent (Jahr 5 zu Jahr 6) am größten. In den benachbarten Niederlanden steigt der Betrag sogar auf beachtliche 45 Prozent. Ähnlich hoch sind die Ausschläge in Belgien und Luxemburg. Auch mit Hilfe dieser Abbildung können Juni/Juli-Niederschlagsprognosen für die verschiedenen Regionen erstellt werden. Das aktuelle Jahr 2020 entspricht dem Zyklusjahr 7, einem Jahr mit deutlichem Trend zu unterdurchschnittlicher Sommer-Niederschlagssumme. 2021, dem Zyklusjahr 8, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit für erstmalig wieder überdurchschnittlich viel Regen im Hochsommer.

Das Sonnensignal in den Niederschlagssummen ist auf die Jahre des Sonnenfleckenminimums und Juni/Juli konzentriert.

Um die Existenz eines starken Sonnensignals im Grundsatz nachzuweisen, wurde bisher nur der Zeitraum Juni/Juli betrachtet. In der folgenden Abbildung 4 werden für Deutschland die Zeiträume Juni/Juli mit Mai bis August und dem gesamten Jahr verglichen.

Abbildung 4: 11-jähriger Sonnenfleckenzyklus und Niederschlagssumme verschiedener Zeiträume

Mit Abbildung 4 wird die Struktur des Sonnensignals sowohl hinsichtlich des Auftretens in einzelnen Zyklusjahren als auch im Verlauf des Jahres sichtbar. Das Sonnensignal ist im Juni/Juli wesentlich stärker ausgeprägt als im Zeitraum Mai bis August und dem Gesamtjahr. Das Signal ist auf die Monate Juni und Juli begrenzt. Bei der hier nicht dargestellten Betrachtung  der Einzelmonate ist das Sonnensignal im Juni stärker ausgeprägt als im Juli. Schon im vorgelagerten Mai als auch im nachgelagerten August ist es kaum noch erkennbar.

Die jährlichen Ausschläge steigern sich vom Jahr des Sonnenfleckenmaximums bis zur Phase des Fleckenminimums mit den Zyklusjahren 5, 6 und 7. Ab dem Zyklusjahr 8 verschwindet das Sonnensignal, die Niederschlagssummen bleiben bis zum nächsten Sonnenfleckenmaximum meist auf überdurchschnittlichem Niveau. Prognosen haben in den Zyklusjahren 3 bis 8 und Monaten Juni/Juli eine hohe Eintrittswahrscheinlichkeit.

Das für Deutschland typische Sonnensignal in der Juni/Juli-Niederschlagssumme erstreckt sich in Europa auf die eher westlich gelegenen Länder von Dänemark über Großbritannien/Irland, Benelux-Länder, Alpenrepubliken, Frankreich und die Iberische Halbinsel. In den unmittelbar östlich Nachbarschaft ist das Sonnensignal nur etwa halb so stark. Das Signal ist kaum vorhanden in einem großen Bogen um Deutschland herum von Island über Norwegen, Finnland, Weißrussland, Bulgarien, Rumänien sowie dem zentralen und östlichen Mittelmeerraum.

Übertragungsweg für das Sonnensignal des Schwabezyklus auf unser Wetter

Die hohe Qualität des Sonnensignals in den Juni/Juli-Niederschlagssummen in Abbildung 1 setzt voraus, dass der Impuls der Sonne im Jahr des Fleckenmaximums durch ein festes Zusammenspiel von Planetenstellung, Sonnenaktivität, Vorgängen in der Mesosphäre (50 bis 80 km Höhe), Stratosphäre (12 bis 50 km Höhe) und Troposphäre (bis 12 km Höhe) übertragen wird. Zu diesem Übertragungsweg gibt es weltweit viele neue Publikationen. Auch deutsche Forschungseinrichtungen wie  das Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg (1) oder GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel (2) sind an der Forschung beteiligt.

Aus dem Studium der Literatur kann abgeleitet werden, dass die Übertragung des Sonnensignals wahrscheinlich über fünf Ebenen erfolgt:

Ebene 1 (vorgeschaltet): Laufbahn der Planeten im Sonnensystem, die je nach ihrer Stellung das Schwerefeld der Sonne verändern und damit die Sonnenfleckenaktivität im 11-Jahresrythmus und die Variabilität der UV-Strahlung steuert.

Ebene 2: Sonne mit Sonnenflecken, „Sonnenwind“ und UV-Strahlung, die das Ozon in der Mesosphäre (50 bis 80 km Höhe) und Stratosphäre (12 bis 50 km Höhe) chemisch-physikalisch beeinflusst. Die UV-Strahlung variiert während des Sonnenzyklus um ca. 10 Prozent.

Ebene 3: Mesosphäre und Stratosphäre mit der Ozonchemie und -physik: je stärker die UV-Strahlung, umso mehr Ozon, umso höher die Temperatur. Die Ozondynamik wird von der UV-Strahlung gesteuert. Dadurch verändern sich während des Sonnenzyklus die Temperaturgradienten zwischen Äquator und Polen sowie zwischen verschiedenen Höhen der Atmosphäre.

Ebene 4: Quasi-Biennale Oszillation (QBO), die von den Temperaturgradienten in 12 bis 80 km Höhe beeinflusst wird. In der QBO, eine Windzone in 20 bis 40 km Höhe über dem Äquator, wechselt die Windrichtung von Jahr zu Jahr mehr oder weniger regelmäßig von West nach Ost und umgekehrt. Der Sonnenimpuls wird auf die QBO übertragen, indem die Windrichtung in der QBO im Jahr des Fleckenmaximums in jedem Zyklus von Mai bis Dezember auf Ost dreht. Der jährliche Windrichtungswechsel (in 20 bis 25 km Höhe) bleibt in den Folgejahren nach eigenen Berechnungen für mehrere Jahre exakt im 12-Monatsrythmus erhalten, bevor sich der Rhythmus im Verlauf eines jeden Zyklus auf mehr als 12 Monate verlängert.

Ebene 5: Zirkulationssystem der Troposphäre mit den wetterbildenden Hoch- und Tiefdruckgebieten, das von der QBO beeinflusst wird. Der fast jährliche Windrichtungswechsel in der QBO dürfte für das Zick-Zack-Muster in den Niederschlagskurven in den obigen Abbildungen verantwortlich sein.

Fazit

Es gibt unzweifelhaft einen starken Einfluss der Variabilität der Sonne im Rahmen des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus auf unser Wetter, der wesentlich größer ist als bisher vermutet. Der Einfluss konzentriert sich auf die Sommermonate Juni und Juli, den Zeitraum höchster Sonneneinstrahlung.  Er zeigt sich in den Niederschlagssumme stärker als in der Sonnenscheindauer oder Temperatur. Die Niederschlagssumme Juni/Juli reagiert in jedem einzelnen Jahr des Sonnenzyklus unterschiedlich auf die Variabilität der Sonnenstrahlung.

Während der Phase des Sonnenfleckenminimums, in der wir uns zurzeit befinden, betragen die solar verursachten jährlichen Schwankungen der Niederschlagsumme im Juni/Juli 30 bis über 40 Prozent. Diese Schwankungen haben sich mit hoher Zuverlässigkeit in fast allen 13 Zyklen seit 1883 wiederholt. Auf Basis dieser Zuverlässigkeit lassen sich für Deutschland Prognosen erstellen.

Prognose für Juni/Juli 2020: Die Niederschlagssumme erreicht nur ca. 80 Prozent des langjährigen Mittels, mit dem Trend zu noch niedrigerem Wert.

Prognose für Juni/Juli 2021: Die Niederschlagssumme erreicht ca. 110 Prozent des langjährigen Mittels.    

Diese experimentellen Prognosen sind selbstverständlich ohne Gewähr. Ziel der Übung ist es, mittelfristige Klimavorhersagen zu entwickeln bzw. zu überprüfen, ob dies möglich ist.

Quellen:

(1) Marotzke, J. et al. (2019): Realistic Quasi‐Biennial Oscillation Variability in Historical and Decadal Hindcast Simulations Using CMIP6 Forcing, Geophysical Research Letters, 46. DOI: 10.1029/2019GL084878

(2) Matthes, Katja et al. (2020): Quantifying uncertainties of climate signals related to the 11–year solar cycle. Part I: Annual mean response in heating rates, temperature and ozone., Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, DOI 10.5194/acp-2019-1010