Extremereignisse

Extremereignisse und Klimaänderungen

Die grundlegenden physikalischen Gesetze des Klimasystems und die Folgen einer schnell steigenden Treibhausgaskonzentration z.B. auf die globale Mitteltemperatur sind in der Klimaforschung gut verstanden. Auch die Beziehungen zwischen der globalen Erwärmung und zunehmenden Hitzewellen und Dürren sind weitgehend geklärt. Wenn die Mitteltemperatur ansteigt, nimmt auch die Wahrscheinlichkeit höherer Extremtemperaturen zu (Abb. 1). Aufgrund der höheren Durchschnittstemperaturen kommen frühere heiße Perioden immer häufiger vor und Hitzewellen von bis dahin unbekannten Ausmaßen treten neu auf. Ein weiterer Grund ist in manchen Regionen die Austrocknung des Bodens und der Pflanzendecke durch die höheren Mitteltemperaturen, weil dadurch die Verdunstung geringer ausfällt und der Abkühlungseffekt der Verdunstung ausbleibt. Eine Erwärmung der Atmosphäre erhöht außerdem die Kapazität der Luft, Wasserdampf aufzunehmen, wodurch extremere Niederschläge möglich werden. Diese aus thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten abgeleiteten Erwartungen wurden inzwischen durch Beobachtungsdaten bestätigt und in Klimamodellen nachgerechnet.

Abb. 1: Bei einer Veränderung des mittleren Klimas zu einem wärmeren Zustand verschiebt sich auch die Häufigkeit des Auftretens von extremen Perioden.^B1

Aber dass man ein einzelnes Wetterereignis, z.B. den heißen Sommer 2018 in Mittel- und Nordeuropa oder die Rekordniederschläge des Hurrikans Harvey im August 2017 über Houston, auf den Klimawandel zurückführen kann, galt lange Zeit als unmöglich. „Inzwischen hat jeder Sturm mit dem Klimawandel zu tun,“ heißt es nun allerdings bei Friederike Otto, einer der führenden Forscherinnen in der „event attribution science“, der Wissenschaft von der Zuordnung einzelner Extremereignisse. Denn alle Wetterereignisse würden heute unter veränderten Umweltbedingungen stattfinden.¹

Abb. 2: Der menschliche Einfluss durch den Klimawandel auf unterschiedliche Extremwetterereignisse. Rot zeigt, dass das untersuchte Extremereignis durch den Klimawandel stärker ausgefallen ist oder sich mit höherer Wahrscheinlich ereignet hat, gelb zeigt einen weniger starken Effekt bzw. selteneres Vorkommen, blau keinen erkennbaren Einfluss und grau eine ungenügende Datenlage.^B2

In den letzten Jahren sind zur Frage der Zuordnung von Extremereignissen über 350 begutachtete Studien erschienen, die mehr als 400 Wetterereignisse überall in der Welt untersucht haben. Insgesamt zeigen sie, dass das Risiko von extremen Wetterereignissen durch den Klimawandel gestiegen ist. 70 % aller untersuchten extremen Wetterereignissen sind danach durch den menschengemachten Klimawandel wahrscheinlicher bzw. stärker ausgefallen. Bei 33 % solcher Ereignisse handelt es sich um Hitzewellen, bei 17 % um Dürren und bei 20 % um starke Regenfälle bzw. Überschwemmungen. Bei 9 % der Extremereignisse ist das umgekehrte der Fall: Sie sind, wie z.B. Kältewellen, durch den Klimawandel weniger wahrscheinlich geworden oder fallen schwächer aus. Bei 11 % konnte ein menschlicher Einfluss nicht festgestellt werden und bei weiteren 10 % reichten die Daten nicht aus, um ein Urteil zu fällen.²

Zuordnung verschiedener Arten von Extremereignissen

Am besten gelingt eine Zuordnung noch bei hohen Temperaturen und bei Starkniederschlägen. Über Temperaturen existieren die längsten, die räumlich umfassendsten und die qualitativ besten Datenreihen. Das gilt auch für Hitzewellen. Klimamodelle sind außerdem in der Lage, Hitzeereignisse gut zu simulieren. Und die Gesetzmäßigkeiten, nach denen der Klimawandel zu Hitzewellen führt, sind weitgehend verstanden. Dennoch sind auch in diesem Fall Klimamodelle nur ein Abbild der Wirklichkeit, nicht diese selbst. Es bedarf daher den Vergleich mit der Beobachtung, um Modellergebnisse abzusichern.  Deutlich schwieriger sind solche Extremereignisse auf den Klimawandel zurückzuführen, die primär durch die Dynamik der Atmosphäre bestimmt sind wie Tornados, Hurrikane oder Orkane in mittleren Breiten. Hier ist sowohl die Datenlage schwierig wie auch das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse noch begrenzt. Durch extreme Niederschlagsereignisse bestimmte Wetterextreme wie Starkregen oder Dürren liegen im Mittelfeld (Abb. 2).

Bei Hitzewellen zeigt sich der Einfluss des Klimawandels am stärksten, weil sie am direktesten mit dem allgemeinen Temperaturanstieg verbunden sind. Starkniederschläge, Dürren und Stürme sind dagegen sehr komplexe Ereignisse, bei denen viele Einflussfaktoren eine Rolle spielen und damit auch natürliche Prozesse wie die atmosphärische oder ozeanische Dynamik von Bedeutung sind.

Abb. 3: Hitze bedingte Sterbefälle pro 100.000 Einwohner in London und Paris im Sommer 2003 (dicke Linie) und für jedes Jahr 1993-2003 (dünne Linien).^B3

In jüngster Zeit werden nicht nur die meteorologischen Ereignisse und deren Beziehung zum Klimawandel untersucht, sondern auch die Folgen von Extremereignissen. So kamen Studien über die Gesundheitsrisiken der europäischen Hitzewelle 2003 zu dem Ergebnis, dass in Paris 506 von 735 Todesfällen durch die Hitzewelle und in London 64 von 315 Fällen auf die Verstärkung der hohen Temperaturen durch den Klimawandel zurückzuführen sind (Abb. 3).³ Und am Beispiel der Zerstörungen, die Hurrikan Harvey 2017 in Huston angerichtet hat, wurden 67 Mrd. US$ dem menschlichen Einfluss auf das Klima zugeschrieben.⁴

Klimamodelle vergleichen zwei Welten

Bei der Zuordnung von Extremereignissen geht es um die Beziehung von bestimmten Wetter- und Klimaänderungen zum anthropogenen Klimawandel oder zu natürlichen Klimaschwankungen. Eine typische Frage etwa wäre: „Haben menschliche Treibhausgasemissionen die Wahrscheinlichkeit einer beobachteten Hitzewelle erhöht?“ In dieser Frage steckt die Aufforderung, die Häufigkeit des Auftretens der Hitzewelle im gegenwärtigen, vom Menschen beeinflussten Klima mit seinem Auftreten in einem fiktiven Klima ohne anthropogene Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen zu vergleichen. Ein solcher Vergleich ist aus zwei Gründen nicht ohne die Hilfe von Klimamodellen möglich. 1. reichen die Beobachtungsdaten in der Regel nicht weit genug zurück, um daraus abzuleiten, dass ein solches Ereignis z.B. alle 30 oder alle 50 Jahre einmal auftritt. Und 2. lässt sich eine fiktive Welt ohne menschlichen Einfluss und nur mit natürlichen Klimabedingungen der Gegenwart erst recht nur in einem Modell abbilden.⁵

Es wird also ein Klimamodell zweimal zum Laufen gebracht, einmal mit dem gegenwärtigen Klima und einmal mit dem wahrscheinlichen Klima ohne anthropogene Emissionen, einem fiktiven Klima. Der Unterschied zwischen der Wahrscheinlichkeit der angenommenen Hitzewelle in dem aktuellen Klima und der in dem angenommenen Klima ohne menschliche Einflüsse zeigt dann die Wirkung des anthropogenen Klimawandels. Die Ergebnisse von Modellrechnungen sind jedoch dann am überzeugendsten, wenn sie durch Beobachtungsdaten gestützt werden. Das ist bei Temperaturextremen deutlich besser möglich gegeben als bei Niederschlagsextremen oder gar Stürmen.

Extremereignisse erst durch den Klimawandel möglich?

2017 sind zum ersten Mal drei Studien erschienen, die zu dem Schluss gekommen sind, dass der extreme Grad eines Ereignisses ohne den Einfluss des vom Menschen verursachten Klimawandels nicht möglich gewesen wäre.⁶ Sie bezogen sich auf den globalen Wärmerekord des Jahres 2016, auf das ungewöhnlich warme Ozeanwasser vor der Küste von Alaska und auf die Rekordhitze 2016 in Asien. Damit wurde zum ersten Mal nachgewiesen, dass bestimmte extreme Wetterereignisse ohne die vom Menschen verursachte Erwärmung nicht möglich gewesen wären. Das bedeutet, dass der Klimawandel ausreichend stark geworden ist, um die Intensität dieser Wetterextreme über die Grenzen der natürlichen Klimaschwankungen hinaus zu treiben.

Abb. 4: Temperaturabweichungen am 27. Juni 2021 vom Mittel 2014-2020 am selben Tag^B4

Auch später wurden Extremereignisse als nahezu „unmöglich“ ohne den Klimawandel eingestuft. Das gilt etwa für die Extremtemperaturen im Südwesten Kanadas (Abb. 4) mit dem Rekordwert von 49,6 °C in dem Dorf Lytton, das wenig später durch einen Waldbrand vollständig zerstört wurde. Statistisch wurde der Rekord von Lytton als ein Ereignis eingestuft, das im gegenwärtigen Klima nur einmal in 1000 Jahren vorkommen sollte. In einem Klima, dessen globale Mitteltemperatur um 2°C über dem vorindustriellen Wert liegt (statt aktuell um 1,2 °C), ist eine solche Hitzewelle alle 5-10 Jahre zu erwarten.⁷

Anmerkungen:
1. Otto, F. (2019): Wütendes Wetter. Auf der Suche nach den Schuldigen für Hitzewellen, Hochwasser und Stürmen, Berlin
2. CarbonBrief (2021): Attributing extreme Weather to climate change, https://www.carbonbrief.org/mapped-how-climate-change-affects-extreme-weather-around-the-world
3. Mitchell, D., C. Heaviside, S. Vardoulakis et al. (2016): Attributing human mortality during extreme heatwaves to anthropogenic climate change, Environmental Research Letters, doi:10.1088/1748-9326/11/7/074006
4. CarbonBrief (2021): Attributing extreme Weather to climate change, https://www.carbonbrief.org/mapped-how-climate-change-affects-extreme-weather-around-the-world
5. van Oldenborgh, G. J., K. van der Wiel, S. Kew et al. (2021): Pathways and pitfalls in extreme event attribution, Climatic Change, doi:10.1007/s10584-021-03071-7
6. Herring, S. C., N. Christidis, A. Hoell, J. P. Kossin, C. J. Schreck III, and P. A. Stott, Eds. (2017): Explaining Extreme Events of 2016 from a Climate Perspective. Bull. Amer. Meteor. Soc., 98 (12), S1–S157.
7. World Weather Attribution (2021): Western North American extreme heat virtually impossible without human-caused climate change, https://www.worldweatherattribution.org/western-north-american-extreme-heat-virtually-impossible-without-human-caused-climate-change/

Bildquellen::
B1.  Bild 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
B2. CarbonBrief (2021): Mapped: How climate change affects extreme weather around the world
B3. Mitchell, D., C. Heaviside, S. Vardoulakis et al. (2016): Attributing human mortality during extreme heatwaves to anthropogenic climate change, Environmental Research Letters, doi:10.1088/1748-9326/11/7/074006; Lizenz: CC BY
B4. NASA Earth Observational (2021): Exceptional Heat Hits Pacific Northwest ; Lizenz: public domain

Autor: Dieter Kasang