Zusammengesetze Extremereignisse

Was sind zusammengesetzte Extremereignisse?

Der Terminus Zusammengesetzte Extremereignisse wurde 2012 durch den Sonderbericht des Weltklimarates IPCC über Wetter- und Klimaextreme eingeführt. Seitdem hat sich schnell eine umfangreiche Forschung zu dem Thema entwickelt. Gemeint ist damit eine Kombination aus zwei oder mehr – für sich nicht notwendig extremen – Wetter und Klimaereignissen, die entweder gleichzeitig oder in dichter Folge geschehen. Die häufigsten zusammengesetzten Extremereignisse kommen einerseits an Küsten vor, wo Sturmfluten, extreme Niederschläge, Flusshochwasser und Meeresspiegelanstieg aufeinandertreffen können, und ereignen sich andererseits durch das Zusammentreffen von Dürren und Hitzewellen. Man unterschiedet daher als die wichtigsten solcher Extreme:

1. Hitze- und Dürre-Extreme und
2. Niederschlags- und Wind-Extreme

Zusammengesetzte Extremereignisse können Folgen haben, die weit über die Grenzen der Folgen der einzelnen Ereignisse hinausgehen, auch wenn die einzelnen Ereignisse selbst nicht extrem sind. In den letzten Jahrzehnten haben zusammengesetzte Extreme zu hohen ökonomischen Verlusten und menschlichen Opfern geführt wie z.B. in Europa 2003, 2010, 2015 und 2018. Modellsimulationen zeigen vor allem bei den Hitze- und Dürre-Extremen eine deutliche Zunahme für die Zukunft.

Bei Risikoanalysen und -vorhersagen werden häufig nur die einzelnen Extreme untersucht und zur Risikovorsorge berücksichtigt, was oft zur Unterschätzung des Zerstörungspotentials der zusammengesetzten Ereignisse und zu einer ungenügenden Vorbereitung führt.

Abb. 1: Häufigkeit, Intensität und Dauer von Dürre- und Hitzeereignissen in Tagen pro Jahr, nach Index-Klassen und nach Tagen pro Ereignis in Italien zwischen 1951 und 2012.

Dürre- und Hitzeextreme

Weltweit treten Dürren und Hitzewellen oft zusammen auf. Regionale Beispiele wurden für Kalifornien, Australien, Europa und 2018 für Deutschland untersucht. Zusammenhängende Dürre- und Hitzeextreme wurden zudem für einige Regionen wie das nördliche Eurasien, Europa, den Südosten Australiens, die USA, NW-China und Indien projiziert. Verbunden damit sind häufig Wetterlagen, die Feuer begünstigen, so in den westlichen USA, besonders in Kalifornien, im Mittelmeerraum, China und Australien. Von 1979 bis 2013 hat sich global die von langanhaltenden Feuer-Wetter-Perioden betroffene Fläche verdoppelt.

Abb. 2: Änderung der Häufigkeit von Dürre- und Hitzeextremen in Tagen pro Jahr zwischen 1951 und 2012

Abb. 1 zeigt eine deutliche Zunahme der zusammengesetzten Dürre- und Hitzeextreme in Italien. Vor den 1980er Jahren wurde nur ein einziges Mal die Grenze von 10 Tagen pro Jahr, an denen solche Extremereignisse vorkamen, überschritten. Danach aber kam das alle paar Jahre vor, und ab den 2000er Jahren wurden sogar in einigen Jahren 15 Tage bzw. fast 15 Tage erreicht. Als Tage mit zusammengesetzten Dürre- und Hitzeextremen gelten dabei Tage während des heißesten Monats im Jahr, die die 10% höchsten Temperaturen aufweisen und bei welchen die Niederschläge weniger als 50% der mittleren Niederschläge betragen. Auch die Intensität der Extremereignisse, eingeteilt in die Klassen C1-C5 aus einer Kombination von hohen Temperaturen und geringen Niederschlägen, und deren Dauer zeigen ab den 1980er Jahren deutliche Zunahmen (Abb. 1). Global weisen besonders Afrika, Europa, der Mittelmeerraum das nördliche Ostasien deutliche Zunahmen der Häufigkeit solcher Extremereignisse auf. In einigen Regionen wie den östlichen USA, im südlichen Südamerika und dem zentralen China finden sich aber auch Abnahmen (Abb. 2).

Projektionen

Abb. 3: Dauer von zusammengesetzten Hitze- und Dürreextremen 1950-2100 in Tagen pro Jahr.

Klimaprojektionen mit CMIP6-Modellen zeigen eine fast flächendeckende Zunahme von zusammengesetzten Dürre- und Hitzeereignissen, die sich nahezu verdoppeln werden. Hauptantrieb ist die zunehmende Häufigkeit von Hitzewellen. Auch die Länge von Dürre- und Hitzeereignissen wird sich je nach Szenario deutlich ausdehnen. Lag das globale Mittel bis 2014 noch deutlich unter 10 Tagen, so wird es bei dem niedrigen Szenario SSP2-4.5 20 Tage erreichen und bei dem hohen Szenario SSP5-8.5 sogar 80 Tage (Abb. 3). Im Vergleich zur historischen Periode (1951-2014) nimmt die Sensitivität der zusammengesetzten Extreme gegenüber dem Klimawandel deutlich zu. Bisher hatte ein Anstieg der globalen Temperatur um 1 °C eine Zunahme der Anzahl der Tage mit Dürre- und Hitzeereignissen um 3 Tage zur Folge, im Zeitraum 2020-2100 werden es nach Modellrechnungen im Mittel 10 Tage sein.

Regional werden nach Ridder et al. (2022) besonders Nordafrika und die Arabische Halbinsel von zusammengesetzten Dürre- und Hitzeextremen betroffen sein. Sich entwickelnde Länder werden insgesamt mehr unter solchen zusammengesetzten Extremereignissen zu leiden haben als die entwickelten Länder. Das östliche China und Indien zeigen nach Modellprojektionen von Zhang et al. (2022) dagegen nur eine geringe Zunahme solcher Extreme. Als mögliche Erklärung wird angeführt, dass diese Regionen in den Bereichen des Süd- und Ostasiatischen Monsuns liegen, wo die Niederschläge zunehmen und die Erwärmung relativ gering ausfallen werden.

Regionale Beispiele

An regionalen Beispielen zeigte sich in den letzten Jahrzehnten das Zusammenspiel von extremen Dürren und Hitzebedingungen z.B. in Europa. Fast alle extrem heißen Sommer wie die von 2003, 2010, 2015 und die Jahre 2018 bis 2020 und danach waren auch sehr trockene Sommer. In Mittel- und Westeuropa ging dem extrem heißen Sommer 2003 eine längere Trockenperiode seit Februar voraus, die den Boden und die Vegetation ausgetrocknet hatte, so dass während der Hitzewelle im August kaum noch Feuchte zum Verdunsten zur Verfügung stand. In Deutschland war es - im Widerspruch zum langfristigen Trend - die längste Trockenperiode seit 100 Jahren.

Das Jahr 2015 startete zwar mit überdurchschnittlichen Niederschlägen, zeigte aber ab Mai deutlich trockenere Bedingungen. Fehlende Niederschläge und hohe Verdunstungsraten senkten die Bodenfeuchtigkeit, trockneten die Vegetation aus und führten zu extrem niedrigen Abflusswerten besonders in Mittel- und Osteuropa. Während der Sommermonate verstärkten sich dann trockene und heiße Bedingungen gegenseitig. Eine anomale Hochdrucklage sorgte für sehr geringe Niederschläge über Mitteleuropa, die wiederum eine geringe Verdunstung und Wolkenbedeckung zur Folge hatten. Am Tage kam es daher zu einer starken Sonneneinstrahlung sowie zu einem reduzierten latenten Wärmefluss in höhere Luftschichten, was zu einer verstärkten Erwärmung über dem Boden führte.

Ebenso trafen in den Dürrejahren 2018-2020, in denen der Boden in West-, Mitteleuropa und dem südlichen Skandinavien teilweise extrem austrocknete und die Vegetation und die landwirtschaftliche Produktion in Mitleidenschaft gezogen wurde, Trockenheit und Hitze aufeinander. In Deutschland herrschten 2018 von April bis Juli ungewöhnlich hohe Temperaturen von fast 40 °C, in Frankreich wurde ein Temperatur-Rekord von 44,4 °C gemessen. Im Norden Mitteleuropas und Süden Schwedens gab es allerdings auch das Phänomen, dass dem trockenen und heißen Sommer feuchte Böden aus reichlichen Winterniederschlägen vorausgingen, die das Wachstum der Pflanzen im Frühjahr förderten, das wiederum anschließend bei stabilem Hochdruckwetter aufgrund des Wasserbedarfs der Pflanzen den Boden in den Folgemonaten austrocknete und damit hohe sommerliche Temperaturen begünstigte.

Niederschlags- und Wind-Extreme an Küsten

Abb. 4: Außertropische Stürme in Anzahl pro Monat

Küsten sind besonders gefährdet in Gebieten mit Tropischen Wirbelstürmen. – Allgemein hat die Häufigkeit und Stärke von gleichzeitigen Ereignissen während des letzten Jahrhunderts zugenommen, besonders durch das Zusammenfallen zwischen Starkniederschlägen und Sturmfluten. Hohe Szenarien projizieren, dass zusammengesetzte Überschwemmungen weltweit bis 2100 um 25% zunehmen werden.

An Küsten können starke Überschwemmungen dadurch entstehen, dass Sturmfluten und extreme Niederschläge über Land, durch die die Abflüsse der Flüsse erhöht werden, zusammentreffen. In Zukunft kommt noch zunehmend ein hoher Meeresspiegel hinzu. Extreme Niederschläge und Sturmfluten werden beide durch starke Tiefdrucksysteme angetrieben. Regional sind solche zusammengesetzten Extreme vor allem dort verbreitet, wo tropische Wirbelstürme oder außertropische Sturmtiefs (Abb. 4) vorkommen. In diesen Gebieten gibt es ein Aufeinandertreffen von extremen Niederschlägen und Sturmfluten alle 4-8 Jahre. Zusammengesetzte Extreme kommen in den Tropen am häufigsten während der Hurrikan- bzw. Taifun-Saison vor, in den mittleren Breiten im Herbst und Winter.

Abb. 5: Änderung der Wiederkehrperiode von zusammengesetzten Extremen aus Niederschlägen und Sturmfluten an den globalen Küsten bis 2070-2099 im Vergleich zu 1970-2004. Eine abnehmende Wiederkehrperiode bedeutet ein häufigeres Vorkommen der Ereignisse. Orte mit lila Punkten verweisen auf fehlende Übereinstimmung der Modellergebnisse, grau unterlegte Bereiche auf starke Veränderungen im Vergleich zur natürlichen Variabilität.

Projektionen

Nach Modellprojektionen mit dem hohen Szenario RCP8.5 werden zusammengesetzte Extreme aus Niederschlägen und Sturmfluten an den globalen Küsten bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um 60% häufiger vorkommen. Am stärksten wird der Anstieg auf der Nordhalbkugel polwärts von 40° n.Br. mit 2,6mal so viel wie gegenwärtig sein. Betroffen werden Nordamerika, das nördliche Europa, das nördliche Mittelmeer, die pazifische Küste Asiens, Bangladesch u.a. Gebiete sein (Abb. 5). Weniger häufig als heute werde dagegen zusammengesetzte Extremereignisse an Küsten im Nordwesten Afrikas, Süd-Spanien, dem westlichen Südafrika, Chile und weiteren Regionen vorkommen. Dabei wird fast überall eine Zunahme von extremen Niederschlägen die Hauptursache für die größere Häufigkeit der Ereignisse sein. Niederschlagsextreme werden an den meisten Küsten der Erde häufiger und mit größerer Stärke vorkommen, weil eine wärmere Atmosphäre mehr Feuchtigkeit aufnimmt. Die tatsächlichen Überflutungen werden noch durch weitere Faktoren beeinflusst wie die astronomischen Gezeiten, den Küstenschutz, das Gelände und zunehmend auch den Meeresspiegelanstieg, die von den Modellsimulationen nicht berücksichtigt wurden. Die stärksten Zunahmen ergeben sich in vielen Entwicklungsländern mit einer hohen Bevölkerung wie in Teilen Indiens, Südostasien, Zentralafrika und Südamerika. In den Monsunregionen dominieren dabei die Windextreme, in den mittleren und hohen Breiten der Nordhalbkugel der Niederschlag.

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Kontakt: Dieter Kasang