Meteorologische Ursachen von Hochwasserereignissen

Die eigentliche Ursache von Hochwasserereignissen sind immer starke Niederschläge, die von bestimmten Wetterlagen abhängen.

Meteorologische Ursachen von Hochwasserereignissen

Hydrologischen Randbedingungen wie etwa ein eingeengter Flusslauf können ein Hochwasser verstärken und auch zur Katastrophe treiben. Die direkte Ursache liegt jedoch immer in starken Niederschlägen, die so heftig ausfallen, dass sie von den oberirdischen Gewässern nicht mehr ohne Überschwemmungen abgeleitet werden können. So erreichten in den ersten 13 Tagen des August 2002 die Niederschlagshöhen im Einzugsgebiet der oberen Elbe mehr als das Dreifache, stellenweise das Vierfache der durchschnittlich im gesamten Monat August fallenden Niederschlagsmengen. Im Erzgebirge fielen mit 353 mm sogar an einem Tag das Dreifache des gesamten durchschnittlichen Monatsniederschlags für August.1

Die Datenlage über Starkniederschläge ist nur in wenigen Regionen der Welt zufriedenstellend, da es nur selten geschlossene und qualitativ ausreichende Datenreihen gibt, die weiter als bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts zurück reichen. Globale Abschätzungen haben ergeben, dass die Niederschläge über dem Land im 20. Jahrhundert um etwa 2% zugenommen haben, besonders deutlich in den mittleren und hohen Breiten der Nordhalbkugel im Herbst und Winter. Noch stärker als die Zunahme der Gesamtniederschläge ist nach den verfügbaren Daten der mittleren und hohen Breiten der Nordhemisphäre die der Extremniederschläge, die allein in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts um 2-4% gestiegen sind. In Japan und Sibirien zeigen die Extremwerte sogar bei einer Abnahme der durchschnittlichen Niederschlagsmengen eine Zunahme.

In einigen Regionen konnten deutliche Trends aufgezeigt werden. In den USA nahmen extreme Niederschlagsereignisse von 1-7 Tagen Dauer seit den 1930er Jahren um 3% pro Jahrzehnt zu, und die Zahl der Tage mit Niederschlägen über 101,6 mm stieg während des 20. Jahrhunderts um 50%.2 Eine ähnliche Verstärkung der Häufigkeit, Dauer und Intensität von Starkniederschlägen zeigen europäische Untersuchungen. In Deutschland haben die Anzahl der Starkniederschlagstage3 im Winterhalbjahr im Zeitraum 1901-2000 um 46% und die an solchen Tagen fallenden Niederschlagsmengen sogar um 74% zugenommen, während die gesamten winterlichen Niederschläge "nur" um 31% höher liegen.4 In Großbritannien stieg landesweit 1961-1995 die Zahl der Starkniederschlagstage (definiert als Tage mit mehr als 15 mm Niederschlag) an vielen Stationen sogar um über 100%.5 Auch im östlichen und zentralen China nahmen die Starkniederschläge zu, mit 10-20% pro Jahrzehnt besonders deutlich im Yangtse-Einzugsgebiet.6

Großwetterlage
Abb. 1:
Bodenluftdruckkarte der Großwetterlage "Westlage zyklonal", Pfeil: Tiefdruckbahn mit langandauernden, sehr ergiebigen Niederschlägen7

Für die winterliche Niederschlagszunahme in Mitteleuropa liegt eine wichtige Ursache in Veränderungen der Großwetterlagen. Im Winter stammt nur ein sehr geringer Anteil des Niederschlags aus der lokalen Verdunstung, sondern speist sich aus vom Nordatlantik herantransportierten feuchten Luftmassen. Dieser Transport ist umso stärker, je schwächer die Kälte-Hochs (Antizyklonen) über Osteuropa sind, die das Eindringen wärmerer und feuchterer Luftmassen vom Atlantik her blockieren. Für lang anhaltende winterliche Starkniederschläge hat sich vor allem die Großwetterlage "Westlage zyklonal" als Ursache erwiesen, für die ein Hoch über den Azoren und ein steuerndes Zentraltief bei Island typisch sind (Abb. 2). Der Anteil speziell dieser Wetterlage an allen winterlichen Wetterlagen hat sich signifikant von 10-15% zwischen 1880 und den 1970er Jahren auf 20 und mehr Prozent in den beiden letzten Jahrzehnten erhöht (Abb. 2). Auch die maximale Dauer dieser Wetterlage hat sich nahezu verdoppelt. Die Folge sind anhaltende Starkniederschläge in Westeuropa und im westlichen Mitteleuropa mit der Konsequenz von Hochwasserereignissen. So waren fast alle starken Hochwasser in Südwestdeutschland mit dieser Wetterlage verbunden.8 Dass Ähnliches für die Situation an Elbe und Oder nicht zutrifft, ist darin begründet, dass die Niederschlägen der atlantischen Tiefausläufer weitgehend im Westen abregnen.

Häufigkeit der winterlichen Großwetterlage
Abb. 2:
Häufigkeit der winterlichen Großwetterlage "Westlage zyklonal" 1880-20049

Hintergrund für die Zunahme von zonalen Großwetterlagen in Europa sind Änderungen der Nordatlantischen Oszillation (NAO), einer Schwankungen des Luftdruck-Gegensatzes zwischen dem Azorenhoch im Süden und dem Islandtief im Norden des Nordatlantiks. Ist dieser Luftdruckgegensatz hoch und die NAO stark ausgebildet, bestimmen starke, vom Nordatlantik her wehende Westwinde das europäische Klima; bei einer schwachen NAO kann sich ein stabiles Hoch über Osteuropa ausbilden. Der NAO-Einfluss ist besonders stark auf das europäische Winterklima und wahrscheinlich für mehr als ein Drittel der Schwankungen der winterlichen Oberflächentemperaturen verantwortlich. Die NAO zeigt in den 1980er und 1990er Jahren einen Trend zu stärkeren Werten und damit zu einem stärkeren Einstrom relativ warmer und feuchter Atlantikluft in den europäischen Kontinent. Diese Veränderung kann einerseits eine Folge natürlicher langfristiger Schwankungen sein, oder sie ist durch die Erhöhung der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration durch den Menschen bedingt (vgl. Die Nordatlantische Oszillation).

Die im Winter zunehmend nach West- und Mitteleuropa einströmende warme und feuchte Atlantikluft sorgt nicht nur für höhere Wintertemperaturen, sondern in der Folge auch für folgenreiche Veränderungen in der Schneebedeckung. Die Lufttemperatur ist von großer Bedeutung für den Wasserhaushalt, indem sie maßgeblich Verdunstung und Niederschlag und im Winterhalbjahr die Bildung einer Schneedecke beeinflusst und damit auch den Verlauf der Wasserabgabe aus den Niederschlagsgebieten. In Baden-Württemberg und Bayern ist die Jahresmitteltemperatur in den letzten 40 Jahren teilweise um 1 oC und mehr angestiegen (Abb. 3). Der Schwerpunkt der Temperaturzunahme liegt dabei eindeutig im Winterhalbjahr und hier vor allem im Dezember. So hat die Dezembertemperatur im Einzugsgebiet von Naab, Regen und Enz z.B. um ca. 2 oC zugenommen.

Gebietsmitteltemperatur in der Region Hoch- und Oberrhein 1931-2000
Abb. 3:
Jahreswerte der Gebietsmitteltemperatur in der Region Hoch- und Oberrhein 1931-200010

Schneedecken regulieren die Grundwasserneubildung und den Abfluss. Bei einer lange liegenden Schneedecke und allmählichen Tauvorgängen versickert ein größerer Teil der Niederschläge, während der andere langsam abfließt. Damit kommt es selten zu Hochwasserereignissen in den Wintermonaten und eher zu gemäßigten Hochwassern im Frühjahr während der Schneeschmelze. In den letzten Jahrzehnten ist diese Situation etwa in Süddeutschland jedoch immer seltener geworden. Die Schneedeckendauer in Baden-Württemberg und Bayern ging fast flächendeckend deutlich zurück, in den tiefer liegenden Gebieten (< 300 m ü. NN) um 30 bis 40% und mehr, was etwa 25 Tagen entspricht. In den mittleren Höhenlagen verringert sich der Rückgang um 10 bis 20%, in den höher gelegenen Gebieten (> 800 m ü.NN) um weniger als 10%, bzw. es kam hier aufgrund des stärkeren Schneefalls auch zu leichten Zunahmen (vgl. Abb. 4). Die Folge ist ein sofortiges Abfließen der reichlicher fallenden Regen-Niederschläge mit Hochwassergefahren schon im Winter.

Trend der Schneedeckendauer in Baden-Württemberg und Bayern 1951/52-1995/96
Abb. 4:
Relativer Trend der mittleren Anzahl der Tage mit einer Schneedecke (Schneedeckendauer) in Baden-Württemberg und Bayern, 1951/52 bis 1995/9611

In jüngster Zeit kam es zu bemerkenswerten sommerlichen Hochwasserereignissen, die mit der seltenen sog. Vb-Wetterlage verbunden waren. Dazu gehören das Oderhochwasser im Sommer 1997, das "Jahrtausendhochwasser" an Donau, Moldau und Elbe im August 2002 sowie das Hochwasser im August 2005 in der Alpenregion und Rumänien. Bei der Vb-Wetterlage weicht maritime Kaltluft aus dem isländisch-grönländischen Bereich kälterer Luft in der Höhe aus, bewegt sich Richtung westliches Mittelmeer und bildet ein Tief über dem Golf von Genua bzw. der nördlichen Adria. Hier erwärmt sich die Luft und nimmt extrem viel Feuchtigkeit aus dem warmen Meerwasser auf. Die feuchtwarmen Luftmassen werden anschließend aus dem Mittelmeerraum östlich um die Alpen, z.T. auch über die Alpen nordwärts geführt und treffen hier auf kühlere Luftmassen, die sie zum Aufsteigen und zur Abkühlung und Kondensation zwingen. In der Folge bildet sich eine stationäre Tiefdruckrinne, deren Niederschläge durch die orographisch bedingte Hebung der Luft an den Sudeten, dem Erzgebirge, dem Bayerischen Wald wie auch im Alpenbereich erheblich verstärkt werden.

Entstehung von sommerlichen Starkniederschlägen in Mitteleuropa infolge der Vb-Zugbahn
Abb. 5:
Entstehung von sommerlichen Starkniederschlägen in Mitteleuropa infolge der Vb-Zugbahn12

Ob Vb-Wetterlagen und damit verbundene Hochwasser tatsächlich häufiger geworden sind, lässt sich empirisch nicht nachweisen. Die Sommerhochwasser an Elbe und Oder jedenfalls zeigen für die letzten Jahrhunderte keinen Trend.13 Nach Modellberechnungen kommt es in einem wärmeren Klima eher zu einer Abnahme von Vb-Zugbahnen, jedoch zu einer deutlichen Zunahme von Vb-Wetterlagen mit sehr starken Niederschlägen.14 Das stimmt mit theoretischen Überlegungen überein, nach denen bei einer höheren Meeresoberflächentemperatur z.B. im Golf von Genua und einer wärmeren Atmosphäre von dieser mehr Wasserdampf aufgenommen werden sollte.

Anmerkungen:
1. Rudolf, B. und J. Rapp (2002): Das Jahrhunderthochwasser der Elbe: Synoptische Wetterentwicklung und klimatologische Aspekte, in: Klimastatusbericht 2002, 172-187
2. Kunkel, K.E. (2003): North American Trends in Extreme Precipitation, Natural Hazards 29, 291-305
3. Als Starkniederschlagstage werden hier solche Tage bezeichnet, an denen Niederschlagsmengen fallen, die im langjährigen Mittel nur einmal in 100 Tagen überschritten werden.
4. Grieser, J. und C. Beck: Extremniederschläge in Deutschland. Zufall oder Zeichen? in: Deutscher Wetterdienst: Klimastatusbericht 2002, 141-150
5. Osborne, T.J. & M. Hulme (2002): Evidence for trends in heavy rainfall events over the United Kingdom, Philosophical Transactions of the Royal Society London series A 360, 1313-1325
6. Wang, Y., and L. Zhou (2005): Observed trends in extreme precipitation events in China during 1961--2001 and the associated changes in large-scale circulation, Geophysical Research Letters 32, L09707, doi:10.1029/2005GL022574
7. verändert nach Caspary, H.J. (2004): Zunahme "kritischer" Wetterlagen als Ursache für die Entstehung extremer Hochwasser in Südwestdeutschland, KLIWA-Symposium 2004, 135-151
8. Caspary, H.J. (2004): Zunahme "kritischer" Wetterlagen als Ursache für die Entstehung extremer Hochwasser in Südwestdeutschland, KLIWA-Symposium 2004, 135-151
9. verändert nach Caspary, H.J. (2004): Zunahme "kritischer" Wetterlagen als Ursache für die Entstehung extremer Hochwasser in Südwestdeutschland, KLIWA-Symposium 2004, 135-151
10. verändert nach Günther, T. (2004): Langzeitverhalten hydrometeorologischer Größen, KLIWA-Symposium 2004, 37-56
11.verändert nach Günther, T. (2004): Langzeitverhalten hydrometeorologischer Größen, KLIWA-Symposium 2004, 37-56
12. Eigene Darstellung
13. Mudelsee, M., M. Börngen, G. Tetzlaff, and U. Grünewald (2004): Extreme floods in central Europe over the past 500 years: Role of cyclone pathway "Zugstrasse Vb", Journal of Geophysical Research 109, No. D23101, doi:10.1029/2004JD005034
14. Kundzewicz, Z.W., U. Ulbrich, T. Brücher, D. Graczyk, A. Krüger, G.C. Leckebusch, L. Menzel, I. Pinskwar, M. Radziejewski, and M. Szwed (2005): Summer Floods in Central Europe - Climate Change Track?, Natural Hazards 36, 165-189

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