Wetter- und Klimaextreme

Abb. 1: Prozentualer Anteil an der globalen Landfläche mit monatlichen extremen Temperaturen verschiedener Standardabweichungen (1-4) von monatlichen Mittel, die übers Jahr gemittelten sind, von 1950 bis 2020. Referenzperiode: 1951-1980

Definitionen

Es gibt keine einheitliche Definition für Wetter- und Klimaextreme. 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 definiert der neue Bericht des Weltklimarats IPCC ein extremes Wetterereignis allgemein als „ein Ereignis, das an einem bestimmten Ort und in einer bestimmten Jahreszeit selten“ ist. Ein Extremereignis, z.B. eine bestimmte hohe Menge Niederschlag an einem Tag, kann etwa 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. So zeigt Abb. 1, dass mäßig hohe Temperaturen mit der Standardabweichung 1 von den monatlichen Mitteln eines Jahres in den 1950er Jahren auf ca. 15%, in den 2010er Jahren aber schon auf 60% der globalen Landoberfläche vorgekommen sind. Extrem hohe Temperaturen von drei oder vier Standardabweichungen kamen bis in die 1970er Jahre so gut wie gar nicht vor, traten in den 2010er Jahren aber schon auf 9% bzw. 3% der Landoberfläche auf.

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. 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.

Zusammengesetzte Extremereignisse und Rückkopplungen

Extremereignisse können sich auch aus mehreren Ereignissen, die gleichzeitig oder nacheinander geschehen, zusammensetzen. 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.

Veränderungen von Extremereignissen

Extremereignisse kommen per Definition selten vor. Das macht es schwierig nachzuweisen, ob ihre Häufigkeit oder ihre Intensität auf dem Hintergrund des Klimawandels zu- oder abgenommen haben, da über die maßgeblichen Zeiträume in vielen Fällen weder von der Menge noch von der Qualität her geeignete Daten vorliegen. Die Qualität der Daten hängt dabei einerseits von der Art der Extremereignisse ab. Ein Kriterium ist die Dauer eines Extremereignisses. Extreme, die Stunden (z.B. Stürme und Starkniederschläge) oder Tage wie Tropische Wirbelstürme und Hitzewellen) andauern, sind besser erfasst als z.B. Dürren, die sich über Jahreszeiten oder sogar mehrere Jahre hinziehen können. Andererseits spielen die Erfassungsmethoden eine wichtige Rolle. Neben Daten von Wetterstationen werden Fernerkundungsdaten, vor allem von Satelliten, sowie Reanalysedaten (eine Kombination aus Beobachtungs- und Modelldaten) herangezogen. Alle Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Die Qualität von Beobachtungsdaten ist z.B. von der Verteilungsdichte von Wetterstationen und der zeitlichen Kontinuität ihrer Messungen abhängig.

Weblinks

• 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.
• M. Jonas, T. Staeger, C. Schönwiese (2005): Berechnung der Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten von Extremereignissen durch Klimaänderungen - Schwerpunkt Deutschland

Klimadaten zum Thema

Klimadaten zum Thema selbst auswerten? Hier können Sie aus Daten zum Klimawandel eigene Karten zur künftigen Klimaentwicklung erzeugen:
Europa nach den neuen RCP-Szenarien: Starkregen, Sturmtage, heiße Tage und mehr.
Europa nach den älteren SRES-Szenarien: heiße Tage, Sturmtage und mehr.
Afrika: heiße Tage, Starkregentage und mehr.
Asien: heiße Tage, Eistage und mehr.
Nordamerika: heiße Tage, Eistage, maximale Windgeschwindigkeit und mehr.
Südamerika: heiße Tage, Starkregentage und mehr.

Hier finden Sie eine Anleitung zur Visualisierung der Daten.

Schülerarbeiten zum Thema

Schülerarbeiten zum Thema des Artikels aus dem Schulprojekt Klimawandel:

• Mehr Wetterextreme durch den Klimawandel? Werden die Intensität und Häufigkeit von Hitzewellen zunehmen und lässt sich diese Zunahme auf den globalen Klimawandel zurückführen? (Gymnasium Grootmoor, Hamburg)
• Extremereignisse und ihre Folgen im Zuge des Klimawandels am Fallbeispiel des Elbhochwassers 2002 (Gymnasium Athenaeum Stade, Stade),
• Alle Jahre eine Jahrhundertflut? Muss man in Zukunft mit vermehrten Hochwasserereignissen an der Elbe rechnen? Und in welcher Weise nimmt der Klimawandel Einfluss darauf? (Stadtteilschule Walddörfer, Hamburg)
• Einfluss des Klimawandels auf die Wasserversorgung in Afrika und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit (Gymnasium Osterbek, Hamburg),
  
• Wasserknappheit in Kalifornien Inwiefern beeinflusst der Klimawandel die Dürre in Kalifornien und welche Folgen resultieren daraus? (Cesar Klein Schule, Ratekau)

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Kontakt: Dieter Kasang