Extremereignisse

Für die regionalen Folgen des Klimawandels von besonderer Bedeutung sind mögliche Veränderungen von Extremereignissen wie Hitzeperioden, Starkniederschläge und Hochwasserereignisse, Stürme (siehe auch Tropische Wirbelstürme, Tornados) und Sturmfluten. Sie können zu Naturkatastrophen mit erheblichen Schäden und dem Verlust von Menschenleben führen. Katastrophen der letzten Zeit wie die Überschwemmungen am chinesischen Jangtse 1998, das Jahrhunderthochwasser am Mississippi 1993, der europäische Hitzesommer 2003 oder die Überschwemmungen in Pakistan 2010 haben nicht nur wegen der Opfer und Schäden, sondern auch wegen der möglichen Beziehung zum anthropogenen Klimawandel in der Öffentlichkeit besondere Aufmerksamkeit erregt. Dabei hat die Frage, ob extreme Wetterereignisse in letzter Zeit zugenommen haben und künftig weiter zunehmen könnten und ob diese Zunahme auf den Klimawandel zurückzuführen ist, eine zentrale Rolle gespielt.

Was sind Wetterextreme?

Es gibt keine einheitliche Definition für Wetter- und Klimaextreme.¹ Grundsätzlich lassen sich zwei Ansätze unterscheiden:

1. der Bezug auf die Wahrscheinlichkeit des Eintretens des Ereignisses,
2. der Bezug auf einen bestimmten Grenzwert.

Bei dem ersten Ansatz geht es um die statistische Häufigkeit von definierten Werten in einem bestimmten Zeitraum. So kann ein Extremereignis, z.B. eine bestimmte hohe Menge Niederschlag an einem Tag, dadurch definiert werden, dass es einmal in 100 oder einmal in 10 Jahren auftritt. Eine andere Möglichkeit ist die Bestimmung des prozentualen Anteils. So ließen sich die Tage, an denen 5 % der höchsten Tagesmaximum-Temperaturen eines Jahres vorkommen, als ‚heiße Tage’ definieren. Man benutzt hier auch den Ausdruck Perzentil: Heiße Tage liegen dann über dem 95 %-Perzentil aller Tagesmaximum-Temperaturen eines Jahres. Eine weitere Variante ist der Bezug auf die Standardabweichung eines längeren Zeitraumes. Ein extremes Ereignis lässt sich dann durch die doppelte, dreifache etc. Standardabweichung bestimmen.²

Der zweite Ansatz bezieht sich auf die Überschreitung eines definierten absoluten Grenzwertes. So kann ein heißer Tag dadurch definiert werden, dass die Maximumtemperatur über 30 °C liegt (s. Kenntage). Für diese Definition spricht die einfache Handhabung. Der Nachteil liegt jedoch darin, dass der Grenzwert für jede Region neu definiert werden muss. Ein heißer Tag in Skandinavien ist etwas anderes als ein heißer Tag im Mittelmeerraum. Die Eintrittswahrscheinlichkeit arbeitet dagegen mit relativen Werten und passt sich dadurch den jeweiligen klimatischen Gegebenheiten an.

Manchmal werden Extremereignisse auch nach ihrer Wirkung definiert, z.B. nach den Schäden, die ein Sturm oder ein Starkniederschlag anrichten. Tatsächlich sind es ja die Folgen von Wetterextremen für menschliche und natürliche Systeme, die ihre Bedeutung ausmachen. Sie sind jedoch nicht nur von den Extremereignissen selbst abhängig, sondern in hohem Maße auch davon, inwieweit Menschen, Pflanzen und Tiere den Wetterereignissen ausgesetzt sind und sich schützen können oder nicht. Ein Hurrikan, der auf dem offenen Atlantik wütet, ist wesentlich harmloser als z.B. der Hurrikan Katrina, der mit voller Wucht die Stadt New Orleans traf. Eine gleich starke Sturmflut wird in Bangladesch wesentlich größere Schäden anrichten als in den durch hohe Deiche und Absperrdämme geschützten Niederlanden. Ein Sturm richtet auf einer kahlen Hochebene weniger Schäden an als in einem Fichtenwald. Bei einer Betrachtung von Extremereignissen im Zusammenhang mit dem Klimawandel empfiehlt es sich daher nicht, von den Auswirkungen auszugehen, da diese zu einem großen Teil von sozialen, ökonomischen und ökologischen Faktoren abhängen. Sinnvoller ist es die (statistisch-)meteorologischen Merkmale eines Extremereignisses zugrunde zu legen, da diese unmittelbar von den klimatischen Bedingungen bestimmt werden.

Die Unterscheidung zwischen einem extremen Wetter- und einem extremen Klimaereignis richtet sich nach der Dauer des Ereignisses.¹ Ein Wetterextrem dauert weniger als einen Tag bis höchstens wenige Wochen. Typische Beispiele sind Stürme und heftige Niederschläge. Klimaextreme ereignen sich auf längeren Zeitskalen. Typisch dafür sind z.B. mehrere Monate anhaltende Dürren. Klimatische Extremereignisse können sich aber auch aus mehreren aufeinander folgenden Wetterereignissen zusammensetzen, so aus einer Hitzewellen und anschließender Dürre. Da die Abgrenzung zwischen beiden Extremarten oft schwierig ist, verwendet der IPCC in seinem Bericht über Extremereignisse den Begriff Klimaextreme auch für beide Arten von Extremereignissen. In den Artikeln auf diesem Klima-Wiki wird in der Regel von 'Wetterextremen' oder Extremereignissen gesprochen und nur in Ausnahmefällen, z.B. bei sehr lang anhaltenden Dürren, von Klimaextremen.

Extremereignisse können sich auch aus mehreren Ereignissen, die gleichzeitig oder nacheinander geschehen, zusammensetzen.¹ Dabei müssen die zugrunde liegenden Ereignisse nicht auch unbedingt extrem sein, sondern führen erst durch ihr Zusammentreffen zu extremen Verhältnissen. So bewirken Stürme an der Nordseeküste vor allem dann gefährliche Sturmfluten, wenn sie zeitgleich mit einer (normalen) Flut auftreten. Hitzewellen werden oft dann erst besonders stark, wenn ihnen eine Dürre bzw. längere Zeit fehlende Niederschläge vorangehen, wie es z.B. bei der europäischen Hitzewelle 2003 der Fall war. Starke Niederschläge verursachen vor allem dann auch starke Überschwemmungen, wenn der Boden durch vorhergegangene lang anhaltende Niederschläge gesättigt ist und das Wasser nicht versickern kann.

Bei dem Zusammentreffen mehrerer besonderer Wetterereignisse kann es zu Rückkopplungen kommen. So verstärken sich Dürren und Hitzewellen gegenseitig. Besonders in Übergangsregionen zwischen trockenen und feuchten Klimaten wie in Mittel- und Osteuropa oder im Mittelmeerraum kann während einer Dürrephase der Boden durch Evapotranspiration ausgetrocknet werden. In einer anschließenden Hitzewelle kommt es dann zu einer noch stärkeren Verdunstung und weiterer Dürre. Rückkopplungen kann es auch zwischen Extremereignissen und dem globalen Klima geben. So können etwa hohe Temperaturen in den hohen Breiten der Nordhalbkugel zur Freisetzung von Methan führen, wodurch die globalen Temperaturen weiter erhöht werden usw.

Treten Extremereignisse häufiger auf?

Extremereignisse kommen per Definition selten vor. Das macht es so schwierig, einen Trend nachzuweisen, da über die erforderlichen Zeiträume in vielen Fällen weder von der Menge noch von der Qualität her geeignete Daten vorliegen.^3u.1 Gerade bei kurzfristigen Extremereignissen wie Starkniederschlägen oder Tagesmaximum-Temperaturen sind zeitlich dichte Datenreihen erforderlich, um eine Veränderung über einen größeren Zeitraum festzustellen. Vielfach gibt es solche Daten aber erst seit der Mitte des 20. Jahrhunderts, in manchen Regionen erst seit den 1970er Jahren. Hinzu kommt, dass in manchen Ländern immer noch zeitlich hoch aufgelöste Datenreihen nicht frei zugänglich sind. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Messungen häufig nicht nach denselben Kriterien vorgenommen wurden.

Am besten ist die Datenlage noch bei Temperaturen, gefolgt von Niederschlägen. Tornados und Gewitter jedoch sind in vielen Teilen der Welt nur sehr schlecht beobachtet worden. Über außertropische Stürme existieren selbst in den entwickelten Ländern geschlossene Datenreihen zumeist erst seit ca. 1950. Noch schwieriger ist die Lage bei tropischen Wirbelstürmen, weil sich hier die Beobachtungsmethoden, von der Land- und Schiffsbeobachtung über Flugzeuge und Satelliten, im Laufe der Zeit stark geändert haben.

Abb. 1: Trends in Häufigkeit (oder Intensität) verschiedener Klimaextreme seit der Mitte des 20. Jahrhunderts. Die Pfeilrichtung weist auf Zu- oder Abnahme.⁷

Wo genügend Daten vorliegen, sind jedoch in vielen Fällen eindeutige Trends nachweisbar.⁴ So lässt sich über 70 % der globalen Landgebiete seit Mitte des 20. Jahrhunderts auf der einen Seite eine Abnahme kalter Nächte und Frosttage und auf der anderen Seite eine Zunahme hoher Tages- und Nachttemperaturen feststellen. Ähnlich nehmen auch die extremen Kältewellen ab und Hitzewellen zu. Auch bei Starkniederschlägen kann in vielen Gebieten der mittleren Breiten ein Trend zu häufigeren Ereignissen ausgemacht werden, und zwar auch in solchen Gebieten, in denen die mittleren Niederschläge abnehmen. In vielen Landregionen der Welt haben seit den 1970er Jahren außerdem die Gebiete zugenommen, die von Dürren betroffen wurden. Bei tropischen Wirbelstürmen konnte eine Zunahme der Gesamtzahl nicht nachgewiesen werden, jedoch eine Zunahme der Stürme der Kategorie 4 und 5. Besonders im Jahrzehnt 2000-2011 wurde eine außergewöhnliche Zahl an extremen Wetterereignissen festgestellt.⁵ Insgesamt zeichnet sich bei den extremen Wetterereignissen eine Tendenz ab, die durchaus in Einklang steht mit der globalen Erwärmung. Gibt es aber tatsächlich einen ableitbaren Zusammenhang?

Mehr Wetterextreme durch den Klimawandel?

Extremereignisse treten aus verschiedenen Gründen auf, die sowohl regional begrenzt sein, aber auch wie der globale Klimawandel eine weltweite Dimension besitzen können oder aus einer Kombination von beiden bestehen. Der menschliche Einfluss durch die Emission von Treibhausgasen auf das mittlere globale Klima in den letzten Jahrzehnten gilt in der Klimaforschung als gesichert. Das gilt insbesondere für die Erhöhung der Temperaturen sowohl im globalen wie im kontinentalen Maßstab. Ebenso gesichert ist, dass anthropogene Aerosole der Erwärmung entgegen gewirkt haben, die sonst noch höher ausgefallen wäre. Damit im Zusammenhang steht auch der menschliche Einfluss auf den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Bei einem Grad Erwärmung erhöht sich die Aufnahmekapazität der Atmosphäre von Wasserdampf um 7 %. Der höhere Wasserdampfgehalt wiederum beeinflusst den Niederschlag.

Ob der anthropogene globale Klimawandel als Ursache für die Zunahme von Extremereignissen geltend gemacht werden kann, hängt auch von der Art der Extremereignisse ab. Bei manchen Wetterextremen lassen einfache physikalische Überlegungen einen solchen Zusammenhang annehmen.⁵ Bei einer Erhöhung der mittleren Temperatur wird es auch zu einer Zunahme von hohen Temperaturen bzw. Hitzewellen kommen, wenn alle anderen Faktoren unverändert bleiben. Eine wärmere Atmosphäre hat eine höhere Verdunstung zur Folge. Daraus können in manchen Regionen mehr Dürren entstehen. In anderen Regionen kann es zu stärkeren Niederschlägen kommen, weil die Atmosphäre mehr Wasserdampf enthält. Außerdem steht in der Atmosphäre durch den Wasserdampf mehr latente Energie als Antrieb von Stürmen zur Verfügung. Also könnten auch stärkere Stürme die Folge sein. Diese Zusammenhänge sind jedoch nur dann zwingend, wenn alle anderen Bedingen, z.B. auch die natürlichen klimatischen Verhältnisse, gleich bleiben.

Ein verändertes Klima wie die globale Erwärmung durch eine höhere Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre führt also höchstwahrscheinlich auch zu Änderungen der Extremereignisse. Zugleich können aber auch natürliche Klimaschwankungen zu mehr oder stärkeren Extremen führen. Da natürliche und anthropogene Einflussfaktoren in der Regel immer zusammen wirken, ist es im Einzelfall schwierig, den globalen Klimawandel als Ursache für ein bestimmtes Extremereignis nachzuweisen, das in der Regel nicht aus einer einzigen Ursache wie einer höheren Mitteltemperatur abzuleiten ist.6 So entstand die europäische Hitzewelle 2003 durch ein lang anhaltendes Hochdrucksystem in einer blockierenden Wetterlage, das eine starke Sonneneinstrahlung möglich machte, und aufgrund von ausgetrockneten Böden durch eine vorhergehende Trockenheit. Die Hitzewelle in Russland und die starken Überschwemmungen in Pakistan im Jahre 2010 waren ebenfalls Folge einer blockierenden Wetterlage mit einem stationären Hoch über Osteuropa und einem anhaltenden Tief über Pakistan. Solche Bedingungen können auch auf natürliche Weise entstehen, sind aber aufgrund veränderter Temperaturverhältnisse zwischen mittleren und hohen Breiten infolge der globalen Erwärmung wahrscheinlicher geworden.5 Insofern ist auch häufiger mit Hitzewellen wie 2003 in West- und Mittel- und 2010 in Osteuropa durch den Klimawandel zu rechnen. Schon das Ereignis zweier so extremer Hitzeereignisse auf demselben Kontinent in einem Jahrzehnt kann als Beleg dafür verstanden werden. Der anthropogene Klimawandel macht es also wahrscheinlicher, dass bestimmte Extremereignisse intensiver werden und häufiger auftreten. Umgekehrt lässt es sich aber nicht bei einem einzelnen Extremereignis beweisen, dass es durch die globale Erwärmung bedingt ist.

Anmerkungen:
1. IPCC (2012): Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation
2. Vgl. hierzu auch: Christian Schönwiese (2007): Wird das Klima extremer? Eine statistische Perspektive., in: Endlicher, W., Gerstengarbe, F.-W. (Hrsg): Der Klimawandel – Einblicke, Rückblicke und Ausblicke, S. 60-66
3.  IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 3.8.1
4. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Table 3.8
5.  Coumou, D., S. Rahmstorf (2012): A decade of weather extremes, Nature Climate Change, doi:10.1038/nclimate1452
6. M. Jonas, T. Staeger, C. Schönwiese (2005): Berechnung der Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten von Extremereignissen durch Klimaänderungen - Schwerpunkt Deutschland
7. Quelle: IPCC (2013): Climate Change 2013, Working Group I: The Science of Climate Change, FAQ 2.2, Figure 2

Autor: Dieter Kasang