Hitzewellen: Globale Entwicklung

Die Zunahme der Durchschnittstemperaturen in den letzten Jahrzehnten hat wahrscheinlich auch zu mehr und stärkeren extremen Hitzeperioden geführt. Mit einer Verstärkung dieser Entwicklung muss auch in Zukunft gerechnet werden.

Hitzewellen: Globale Entwicklung

In der jüngsten Zeit sind einige Hitzewellen mit zahlreichen Todesfällen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung diskutiert worden, vor allem die Hitzewelle 2003 in Europa. Nach Schätzungen hat der Hitzesommer 2003 in Europa etwa 70 000 vorzeitige Todesfälle zur Folge gehabt.1 Nicht weniger schwer war die Hitzewelle 2010 im westlichen Russland. Hier lagen im Juli und August die Temperaturen in vielen Städten über eine längere Periode bei 40 °C und damit um 10 °C über dem Mittel der früheren Sommertemperaturen. Eine Folge waren großflächige Wald- und Torfbrände.

Auch die Vereinigten Staaten wurden in jüngster Zeit zunehmend von Hitzewellen heimgesucht. So forderte die Hitzewelle von 1995 in Chicago über 500 Todesopfer.1.a Hier zeigte sich ein wichtiges Merkmal der Klimaentwicklung der letzten Jahrzehnte als besonders problematisch: Die täglichen Minimumtemperaturen steigen doppelt so stark wie die Maximumwerte, so dass sich der Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperaturen zunehmend verringert. In Chicago waren entsprechend für die Todesfälle weniger die hohen Tageswerte verantwortlich als die Tatsache, dass es nachts nicht abkühlte. Selbst die nächtlichen Minimum-Werte lagen an einigen Tagen noch über 32 oC. Auch in den folgenden Jahren kam es in den USA immer wieder zu Sommern mit ungewöhnlich hohen Temperaturen. Besonders stark und andauernd waren die Hitzewellen in Texas 2010 1.b und über große Teile der USA 2012.1.c

Die Intensität der europäischen Hitzewelle 2003 war zwar auf dem Hintergrund des Klimas der letzten Jahrhunderte ein äußerst seltenes Ereignis. Von diesem Klima hat sich das globale wie das europäische Klima der letzten Jahrzehnte jedoch zunehmend zu wärmeren Bedingungen hin entfernt. Die globale Mitteltemperatur ist in den letzten ca. 100 Jahren um 0,8 oC angestiegen. Eine solche Erwärmung hat es in den letzten 1000 Jahren wahrscheinlich nicht gegeben. Seit dem Ende der 1970er Jahre hat sich das Tempo der Erwärmung noch einmal deutlich erhöht und liegt zu Beginn des 21. Jahrhunderts bei 2 oC pro 100 Jahre.1.d Von den fünf wärmsten Jahren seit 1860 liegen bereits vier im neuen Jahrhundert. Die europäischen Sommer zeigen seit 1977 sogar einen Erwärmungstrend um 0,7 oC pro Jahrzehnt, und 1994-2003 war das wärmste Sommerjahrzehnt seit 1500.2 Die mittleren maximalen Sommertemperaturen in Europa stiegen zwischen 1880 und 2005 um 1,6 °C und damit deutlich stärker als die jährlichen Mitteltemperaturen.2a Die höhere Mitteltemperatur erhöhte auch die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einem extremen Sommer wie 2003 kommen konnte. Bei einer allgemeinen Temperaturzunahme nimmt auch die Häufigkeit von Hitzewellen zu, da in einem wärmeren Klima bisherige heiße Perioden "normaler" werden (s. Abb.1).

Zunahme von heißen Perioden bei Veränderung des mittleren Klimas
Abb. 1:
Bei einer Veränderung des mittleren Klimas zu einem wärmeren Zustand verschiebt sich auch die Häufigkeit des Auftretens von extremen Perioden. Kalte Perioden treten kaum noch auf, heiße Perioden werden häufiger und noch heißer.3

Offensichtlich spielt aber eine mindestens ebenso große Rolle die Zunahme in der Variabilität, d.h. die Zunahme der Wahrscheinlichkeit von hohen und niedrigen Temperaturen, hohen und niedrigen Niederschlägen von einem Jahr auf das andere.4 So folgte in Mitteleuropa auf den Sommer der heftigen Niederschläge und Überschwemmungen 2002 der Hitze-Sommer 2003 und darauf der Sommer mit einem ungewöhnlich kalten und nassen August 2005. Aufgrund dieser veränderten Randbedingungen hat sich die Wahrscheinlichkeit eines heißen Sommers wie 2003 für Europa mehr als verdoppelt, auch wenn es immer noch ein sehr seltenes Ereignis bleibt.5

Auch die Entstehung anderer extremer Hitzeperioden der jüngsten Zeit mit zahlreichen Todesfällen hat wahrscheinlich mit diesem veränderten Hintergrundklima zu tun. Bekannt sind die Hitzewellen 1987 in Griechenland mit mehr als 2000 zusätzlichen Sterbefällen allein in Athen oder die Hitzewelle von 1995 in Chikago, die über 500 Todesopfer forderte.6 An dem Beispiel Chikago zeigt sich noch ein zweites für die Folgen von Hitzewellen wichtiges Merkmal der Klimaentwicklung der letzten Jahrzehnte, das sich besonders, aber nicht nur, in den städtischen Wärmeinseln bemerkbar macht. Die täglichen Minimumtemperaturen steigen doppelt so stark wie die Maximumwerte, so dass sich der Unterschied zwischen Tages- und Nachttemperaturen zunehmend verringert.7 In Chikago waren entsprechend für die Todesfälle weniger die hohen Tageswerte verantwortlich als die Tatsache, dass es nachts nicht abkühlte. Selbst die nächtlichen Minimum-Werte lagen an einigen Tagen noch über 32 oC. Während die Maximum-Werte der Hitzewelle von Chikago statistisch gesehen alle 23 Jahre vorkommen können, sind die Minimum-Werte als äußerst seltenes Ereignis zu bewerten, das statistisch nur etwa alle 1000 Jahre einmal vorkommt und im 20. Jahrhundert in dieser Hinsicht von keiner anderen Hitzeperiode in den USA erreicht wurde. Global gesehen haben die Gebiete auf der Erde, in denen kalte jährliche Mitteltemperaturen gemessen wurden, deutlich ab- und die mit warmen Temperaturen zugenommen (Abb. 2).

Änderung der Verbreitung von Hitzewellen auf der Landoberfläche der Nordhalbkugel
Abb. 2:
Änderung der Verbreitung von heißen (0,43 Standardabweichungen), sehr heißen (2 Standardabweichungen) und extrem heißen (3 Standardabweichungen) Sommern auf der Landoberfläche der Nordhalbkugel.

Sehr wahrscheinlich wird sich das Klima in den nächsten Jahrzehnten weiter erwärmen, und damit werden europäische Sommer wie 2003 häufiger vorkommen. Die globale Mitteltemperatur wird bis zum Jahre 2100 je nach Szenario um 1,4 bis 5,8 oC ansteigen. Regionale Klimamodellrechnungen prognostizieren, dass sich die europäischen Sommertemperaturen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um 3-5 oC erhöhen werden. Das mediterrane Klima mit seinen sehr trockenen Sommermonaten wird dabei höchstwahrscheinlich bis nach Mitteleuropa vordringen. Außerdem werden auch die jährlichen Klimaschwankungen zunehmen. Die Veränderung des mittleren Klimas und seiner Variabilität wird zur Folge haben, dass jeder zweite Sommer so heiß oder sogar heißer als der von 2003 sein wird.9 Andere Modellergebnisse kommen zu dem Schluss, dass bereits in den 2040er Jahren jeder zweite Sommer wärmer als der des Jahres 2003 sein könnte und dass gegen Ende des Jahrhunderts der Sommer 2003 sogar als kühler Sommer eingestuft werden müsste (Abb. 3).10

Heiße Sommermonate 2071-2099
Abb. 3: Anteil heißer Sommermonate mit Temperaturen von mehr als drei Standardabweichungen 2071-2099 nach dem RCP8.5-Szenario11

Eine aktuelle Untersuchung mit einem Ensemble von Klimamodellen in dem sog. CMIP5-Projekt, das auch dem neuen Bericht des IPCC zugrunde liegt, kommt zu dem Schluss, dass immer größere Gebiete der globalen Landoberfläche von Hitzewellen betroffen sein werden (abb. 3).12 Als Proxy für Hitzewellen werden in dieser Studie Monatsmitteltemperaturen mit mehr als drei Standardabweichungen angenommen. Solche Extreme kommen in den N-Sommer-Monaten gegenwärtig auf 5 % der globalen Landoberfläche, Temperaturen mit 1 bis 2 Standardabweichungen auf 40 bzw. 15 % der globalen Landoberfläche vor.

Im Vergleich etwa zu Dürren sind Hitzewellen eher ein kurzfristiges Ereignis. Dennoch können die Folgen für Mensch und Natur erheblich sein. Für den Menschen bedeuten Temperaturen, die deutlich über den regional üblichen Mittelwerten liegen, ein erhebliches Gesundheitsrisiko (vgl. dazu Klima und Gesundheit). Da Hitzewellen in der Regel mit Niederschlagsdefiziten einhergehen, sind Waldbrände eine häufige Folge, unter der die natürliche Vegetation zu leiden hat, die aber gelegentlich auch menschliche Siedlungen bedroht (vgl. Natürliche Ökosysteme).

Betroffen sind hauptsächlich die Tropen, der Mittelmeerraum und der mittlere Osten. Modellsimulationen und Beobachtungen stimmen darin weitgehend überein. Nach Modell-Berechnungen werden Sommer-Temperaturen mit drei Standardabweichungen 2020 auf 10 % und 2040 auf etwa 20 % der globalen Landflächen vorkommen. Neu hinzu kommen werden Temperaturen mit fünf Standardabweichungen auf 3 % der globalen Landflächen. Ab Mitte des 21. Jahrhunderts wird die Häufigkeit von Hitzewellen zunehmend von den Szenarien abhängig. Gegen Ende des Jahrhunderts werden Temperaturen mit 3 und 5 Standardabweichungen auf 85 % bzw. 60 % der globalen Landgebiete vorkommen. Standardabweichungen sind relative Werte. Sie sind in den Tropen deswegen besonders hoch, weil die tropischen Temperaturen normalerweise nur geringe Schwankungen aufweisen. Drei Standardabweichungen müssen in den Tropen keine hohen absoluten Werte bedeuten.

Anmerkungen:
1.
Robine, J.-M., et al. (2008): Death toll exceeded 70,000 in Europe during the summer of 2003, C. R. Biologies 331, 171–178; Robine, J.M., et al. (2007): Report on excess mortalitiy in Europe during summer 2003 (EU Community Action Programme for Public Health)
1.a Karl, T. R. and R. W. Knight (1997): The 1995 Chicago Heat Wave: How Likely Is a Recurrence?, Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 78, No. 6, June 1997, 1107-1119
1.b  Hansen, J., M. Sato, and R. Rued (2012): Perception of climate change, PNAS Early Edition
1.c  NASA Science: The Summer of 2012 - Too Hot to Handle?
1.d Salinger, M.J. (2005): Increasing Climate Variability And Change, Climatic Change 70 (Nr. 1-2), 1-3
2. Luterbacher, J., Dietrich, D., Xoplaki, E., Grosjean, M. & Wanner, H. (2004): European Seasonal and Annual Temperature Variability, Trends, and Extremes Since 1500, Science 303, 1499-1503
2.a  IPCC (2012): Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation
3. verändert nach IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Houghton, J.T. et al., eds.), Cambridge and New York 2001, Figure 2.32
4. Schär, C., P.L. Vidale, D. Lüthi, C. Frei, C. Häberli, M.A. Liniger, and C. Appenzeller (2004): The role of increasing temperature variability in European summer heatwaves, Nature 427, 332-336
5.Stott, P.A., D.A. Stone, and M.R. Allen (2004): Human contribution to the European heatwave of 2003, Nature 432, 610-614
6. Karl, T. R. and R. W. Knight (1997): The 1995 Chicago Heat Wave: How Likely Is a Recurrence?, Bulletin of the American Meteorological Society, Vol. 78, No. 6, June 1997, 1107-1119
7. IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of the Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Houghton, J.T. et al., eds.), Cambridge and New York 2001, 2.2.2.1
9. Schär, C., P.L. Vidale, D. Lüthi, C. Frei, C. Häberli, M.A. Liniger, and C. Appenzeller (2004): The role of increasing temperature variability in European summer heatwaves, Nature 427, 332-336
10.Stott, P.A., D.A. Stone, and M.R. Allen (2004): Human contribution to the European heatwave of 2003, Nature 432, 610-614
11. Quelle: Coumou, D., and A. Robinson (2013): Historic and future increase in the global land area affected by monthly heat extremes, Environ. Res. Lett. 8, doi:10.1088/1748-9326/8/3/034018; Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI.
12. Coumou, D., and A. Robinson (2013): Historic and future increase in the global land area affected by monthly heat extremes, Environ. Res. Lett. 8, doi:10.1088/1748-9326/8/3/034018

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