Starkniederschläge und Hochwasser

Starkniederschläge und Hochwasser gehören mit Dürren, Hitzewellen, Tropischen Wirbelstürmen und Außertropischen Stürmen zu den Wetterextremen, die möglicherweise durch den Klimawandel verstärkt oder häufiger auftreten werden.

Beobachtete Änderungen des Anteils von sehr feuchten Tagen an den jährlichen Gesamtniederschlägen 1951-2003 in %. Trends wurden nur für Gebiete gebildet, für die Daten für mindestens 40 Jahre vorlagen.

Hochwasserereignisse

Bilder von Hochwasserkatastrophen haben in letzter Zeit immer wieder für Betroffenheit gesorgt und sind in den Medien häufig mit dem Klimawandel in Verbindung gesetzt worden. In Deutschland ist vor allem die „Jahrtausendflut“ an Donau, Moldau und Elbe im Jahre 2002 mit 37 Todesopfern und ca. 15 Milliarden Euro an ökonomischen Verlusten in Erinnerung. Weltweit gab es in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten allerdings wesentlich verheerendere Überschwemmungen wie das gewaltige Hochwasser 1998 am chinesischen Yangtse mit über 3000 Toten, 14 Millionen Obdachlosen und Sachschäden von 36 Milliarden US$ oder die katastrophalen Monsunfluten im selben Jahr in Bangladesch und Indien mit ebenfalls ca. 3000 Todesopfern. Im Sommer 2010 hat das Hochwasser in Pakistan, das schätzungsweise 20 % des Landes unter Wasser setzte, fast 2000 Tote verursacht, insgesamt waren 20 Millionen Menschen davon betroffen, und der Schaden wird auf 40 Milliarden US$ geschätzt.

Definition Starkniederschlag

Im Allgemeinen kann Starkniederschlag als selten auftretender Niederschlag mit zerstörerischer Wirkung (z.B. Überflutungen) bezeichnet werden. Es gibt jedoch feste Definitionen hierfür. Diese sind abhängig von der jeweiligen Fragestellung. Bei der Wettervorhersage hat zum Beispiel der Deutsche Wetterdienst (DWD) die Warnkriterien für Starkniederschlag auf Niederschlag von 25 mm in einer Stunde und 35 mm in 6 Stunden festgelegt. In der Klimaforschung wird hingegen meist der Tagesniederschlag betrachtet. Hier werden dann wieder Schwellwerte definiert, bei deren Überschreitung man von Starkniederschlag spricht. Für die Festlegung dieser Schwellwerte gibt es unterschiedliche Ansätze. Einige Wissenschaftler definieren einen festen Schwellwert (z.B. 30 mm, 50,8 mm oder 101,6 mm pro Tag), welcher mehr oder weniger willkürlich festgelegt wird. Andere nehmen die größten 5% der Tagesniederschläge einer Periode (z.B. 30 Jahre). Eine ähnliche Definition ist die der Wiederkehrrate. Hierbei richtet sich der Schwellwert nach einer Tagesniederschlagsmenge, welche nur in bestimmten Abständen verzeichnet wird, z.B. einmal in 5 Jahren. Alle vorher genannten Definitionen basieren nur auf den gemessen Daten. Es gibt aber auch statistische Ansätze, bei der zuerst die statistische Verteilungsfunktion des Niederschlags bestimmt wird und dann die größten 5% dieser Verteilungsfunktion als Starkniederschlag definiert werden.

Durch die zunehmende Konzentration von Treibhausgasen wird die Atmosphäre erwärmt. Dadurch erhöhen sich die Verdunstung und die atmosphärische Wasserdampfkapazität. Die Folgen sind einerseits Dürren und andererseits mehr Wasserdampf in der Atmosphäre und stärkere Niederschläge.

Veränderung des Wasserkreislaufs

Einige Beispiele der jüngsten Zeit wie die Winterhochwasser in Süddeutschland oder die Sommerfluten in Mitteleuropa legen die Annahme nahe, dass es in einem wärmeren Klima zu stärkeren Niederschlägen und Hochwasserereignissen kommen kann. Rein physikalische Überlegungen sprechen dafür, dass bei einer globalen Erwärmung in einigen Gebieten die Niederschläge und vor allem die Starkniederschläge zunehmen werden, in anderen allerdings Trockenheit und Dürren. Höhere Lufttemperaturen haben zwei entscheidende Folgen:

1. eine Verstärkung der Verdunstung und
2. eine Erhöhung der Wasserdampfkapazität der Atmosphäre.

Die Zunahme der atmosphärischen Wasserdampfkapazität von 7 % pro Grad Celsius und die höhere Verdunstung erhöhen den absoluten Wasserdampfgehalt der Luft. Die relative Feuchtigkeit verändert sich dagegen nur geringfügig. Dadurch ändert sich in einem wärmeren Klima die Niederschlagshäufigkeit nur wenig. Pro Niederschlagsereignis steht aber mehr Wasserdampf zur Verfügung, und deshalb kommt es zu häufigeren Extremereignissen mit größeren Niederschlagsmengen. Allgemein sollte es in vielen Regionen durch die globale Erwärmung eine Abnahme von leichten und moderaten Regenfällen geben und/oder eine Abnahme in der Häufigkeit von Niederschlagsereignissen, aber häufigere und intensivere Starkregen.

Regen oder Schnee

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

Wo die höhere Verdunstung nicht durch mehr Niederschläge ersetzt wird, kommt es zu erhöhter Trockenheit. In bestimmten Regionen spielt auch die Art der Niederschläge eine Rolle. In den Gebirgen der mittleren Breiten bilden die winterlichen Schneemassen eine Wasserreserve im Frühjahr und Sommer, wenn der Schnee schmilzt. Eine Erwärmung verursacht eine kürzere Schneesaison. Es fällt mehr Niederschlag in Form von Regen als in Form von Schnee, und der Schnee schmilzt früher. Im Frühjahr und Sommer steht weniger Bodenfeuchtigkeit zur Verfügung, was Trockenheit zur Folge haben kann. Dem wirkt allerdings entgegen, dass zumindest in den mittleren Breiten die Wolkenbedeckung zunimmt, wodurch die Verdunstung verringert werden kann.

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. Die Folge ist ein sofortiges Abfließen der reichlicher fallenden Regen-Niederschläge mit Hochwassergefahren schon im Winter.

Aerosole

Eine entgegengesetzte Wirkung auf den hydrologischen Zyklus als die Treibhauserwärmung besitzen jedoch die Aerosole, kleinste Schwebstoffteilchen, deren atmosphärische Konzentration ebenfalls in letzter Zeit durch menschliches Einwirken zugenommen hat. Beobachtungen zeigen eine Zunahme der Verdunstung über den relativ aerosolfreien Gebieten der Ozeane, jedoch eine Abnahme trotz eines höheren Temperaturanstiegs über dem Land. Der Grund liegt in der Verringerung der am Boden ankommenden Solarstrahlung infolge der zunehmenden Aerosolbelastung der Atmosphäre. Dieses als "global dimming" bekannte Phänomen hat dazu geführt, dass die Sonneneinstrahlung in den letzten Jahrzehnten weltweit um mehr als 10% abgenommen hat, wodurch sich die Verdunstung abschwächt. Hinzu kommt, dass aufgrund der indirekten Wirkung der Aerosole auf die Wolkenbildung bei der Kondensation eher kleine als größere Tröpfchen entstehen, was die Niederschlagsneigung schwächt. Da der Wasserdampf für die Niederschläge über dem Land zu einem großen Teil von den Ozeanen herantransportiert wird, sollte der Aerosoleffekt auf die Niederschläge aber auch nicht überschätzt werden.

Wasserdampftransport und Zikulationssysteme

Ob es in einem bestimmten Gebiet viel, wenig oder gar nicht regnet, hängt nur zu einem geringen Teil von Temperatur und Verdunstung in diesem Gebiet ab. Die Wassermenge bestimmter Niederschlagsereignisse stammt im globalen Mittel zu ca. 90% aus Wasserdampf, der aus mehr oder weniger größerer Entfernung herantransportiert wurde. So kommt etwa der Wasserdampf, der in einer außertropischen Zyklone in einem Radius von 800 km fällt, aus Entfernungen von bis zu 3200 km. Der Anteil des herantransportierten Wasserdampfes an dem gesamten Wasserdampf, der sich über einem bestimmten Gebiet in Niederschlag umwandelt, ist über dem Land höher als über den Ozeanen und im Winter höher als im Sommer. Für den Wasserdampftransport sind atmosphärische Zirkulationssysteme von entscheidender Bedeutung, z.B. die tropischen Monsune und subtropischen Passate in den niederen Breiten und in den mittleren und höheren Breiten die durch den Jetstream gesteuerten Zugbahnen der Tiefdruckgebiete.

In Nord- und Westeuropa sind es die nordatlantischen Tiefdrucksysteme, die, wie oben gezeigt, vor allem im Winter den Niederschlag regulieren und selbst wiederum von der Nordatlantischen Oszillation (NAO) beeinflusst werden. Der NAO-Index hat in den 1980er und 1990er Jahren eine Tendenz zu auffällig hohen Werte gezeigt, die seit Mitte der 1990er Jahren jedoch wieder zurückgehen. Ein stärkerer NAO-Index ist in der Regel im nördlichen Europa mit mehr Niederschlägen und im südlichen Europa mit geringeren Niederschlägen verbunden. Die in jüngster Zeit beobachtete Zunahme zyklonaler Großwetterlagen, die im wesentlichen durch eine Verstärkung des NAO-Index hervorgerufen wurde, lässt einen Zusammenhang mit der globalen Erwärmung als möglich erscheinen, kann aber auch durch eine natürliche Dekaden-Schwankung der NAO verursacht sein.

• Querverweis: Der NAO-Index (Definition)

Ähnlich liegt der Fall bei einer anderen einflussreichen Klimavariabilität, bei dem El-Niño-Phänomen, das für Extremniederschläge mit der Gefahr von Hochwasser an der südamerikanischen Westküste, in Ostafrika, im Südwesten der USA und extreme Trockenheit mit der Gefahr von Dürren in Indonesien, Australien, Südafrika und Nordost-Brasilien verantwortlich ist. Auch die Stärke von El-Niño-Ereignissen hat in den letzten Jahrzehnten zugenommen, bis hin zu dem "Jahrhundert"-El-Niño von 1997/98. Auch hier wird ein Zusammenhang mit der globalen Erwärmung angenommen und wird von manchen Forschern eine Zunahme von starken El-Niño-Ereignissen für die Zukunft erwartet. Andere bezweifeln jedoch auch eine Verbindung zwischen El Niño und dem anthropogenen Treibhauseffekt.

Zumindest ist die beobachtete Zunahme von Niederschlagsextremen nicht inkonsistent zu den erwarteten Veränderungen durch den anthropogenen Antrieb. Die Frage nach den definitiven Ursachen bleibt aber, wenn es um Festlegungen für ganz bestimmte regionale Ereignisse geht, unbeantwortet. Eine jüngere Untersuchung über die Häufigkeit von Extremereignissen in den USA seit dem Ende des 19. Jahrhunderts, die erstmals digitalisierte Daten von 1895-2000 von 1076 Stationen auswerten konnte, zeigt, dass die natürlichen Schwankungen auch auf Zeitskalen von Dekaden relativ groß sind und als mögliche Ursache oder eine der Ursachen auch für den Anstieg von Extremniederschlägen Ende des 20. Jahrhunderts nicht außer Acht gelassen werden können.

Projektionen für das 21. Jahrhundert

Klima ist ein komplexes, nichtlineares System, bei dem eine Ableitung über das Vorkommen von einzelnen Ereignissen allein aus physikalischen Grundprinzipien nicht genügen kann. Modellberechnungen, die an wirklichen Klimaentwicklungen geeicht sind, stützen jedoch die theoretischen Überlegungen. Schon die frühesten Modellsimulationen kamen zu dem Ergebnis, dass bei einer Zunahme der Treibhausgaskonzentration die Intensität von Niederschlagsereignissen gesteigert und der prozentuale Anstieg von extremen Niederschlägen höher ausfallen wird als der Anstieg der durchschnittlichen Niederschläge. Die regionalen Unterschiede sind allerdings groß, und es ist schwierig, mit Hilfe von Klimamodellsimulationen aufgrund der immer noch zu geringen Auflösung der Computermodelle, zuverlässige Prognosen für einzelne Regionen zu liefern.

Eine Auswertung von neun globalen Modellrechnungen zeigt mit wenigen regionalen Ausnahmen eine Zunahme der Niederschlagsintensität im 21. Jahrhundert in den meisten Regionen der Erde, insbesondere über Nordeuropa, Nordasien und im Nordwesten Nordamerikas, aber auch an der Ostküste Asiens, im nordöstlichen Nordamerika, in Südost-Australien und in den meisten tropischen Gebieten. In diesen Regionen nehmen auch die mittleren Niederschläge zu. Nur im Südwesten der USA, im mediterranen Raum und in Südwest-Australien nehmen die mittleren Niederschläge ab, die Intensität aber (wenn auch geringfügig) zu. Untersuchungen über die Veränderung von starken Niederschlägen über den USA bei einer Verdoppelung der CO₂-Konzentration der Atmosphäre kommen ähnlich zu dem Ergebnis, dass die Niederschlagstage zwar um etwa 3% abnehmen, die Summe des Niederschlags pro Tag aber deutlich zunimmt.

Auch in Europa muss man davon ausgehen, dass der Trend der letzten Jahrzehnte mit zunehmender Erwärmung sich verstärken wird. Insbesondere ist damit zu rechnen, dass trotz abnehmender Sommerniederschläge in weiten Teilen Europas (nach dem A2-Szenarion um 20% und mehr) die sommerlichen Starkniederschläge aufgrund der höheren Wasserdampfkapazität häufiger und intensiver werden. Und auch im Winter nimmt die Gefahr von Starkniederschlägen in den meisten Regionen deutlich zu. So kommt eine Auswertung der Ergebnisse von 19 Klimamodellen zu der Schlussfolgerung, dass bis gegen Ende des 21. Jahrhunderts sehr niederschlagsreiche Winter für große Teile von Mittel- und Nordeuropa bis zu fünf Mal häufiger vorkommen werden als heute.

Für viele Regionen ist der Einfluss einer höheren Treibhausgas-Konzentration auf die natürliche Dynamik des Klimasystems von besonderer Bedeutung. So werden El-Niño-Ereignisse künftig nach den meisten Modellprognosen zunehmen und damit auch die davon abhängigen Extremereignisse. Ebenso wird mit einer Verstärkung der Nordatlantischen Oszillation gerechnet und in der Folge mit feuchteren Wintern in Europa. Auch eine Intensivierung des indischen Monsuns wird von den Klimamodellen prognostiziert, so dass sich die Überflutungsgefahr auf dem indischen Subkontinent erhöhen wird. Die ebenfalls prognostizierte Erwärmung der Ozeane wird die Niederschlagsextreme auf den Kontinenten stark beeinflussen.

Literatur

• Jacob, D. & S. Hagemann (2005): Verstärkung und Schwächung des regionalen Wasserkreislaufs - wichtiges Kennzeichen des Klimawandels, in Lozan, J.L., H. Graßl, P. Hupfer, L. Menzel, C.-D. Schönwiese: Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle? Wissenschaftliche Fakten, Hamburg, 167-170
• Trenberth, K.E., A. Dai, R.M. Rasmussen and D.B. Parsons (2003): The Changing Character of Precipitation, Bulletin of the American Meteorological Society 84, 1205-1217

Weblinks

• D. Kasang (2011): Veränderung regionaler Niederschlagsextreme
• Starkniederschläge in Sachsen im August 2002 DWD-Artikel von 2007
• Frühjahrshochwasser der Elbe 2006 DWD-Artikel
• Hochwasser im östlichen Mitteleuropa im Mai 2010 DWD-Artikel
• Die Jahrhundertflut der Elbe im August 2002 DWD-Artikel (engl.)
• August Hochwasser 2005 Artikel von MeteoSchweiz
• KLIWA-Heft 12 Sonnenscheindauer und Globalstrahlung sowie von Verdunstung und klimatischer Wasserbilanz in Baden Württemberg und Bayern
• Klimawandel und Hochwasser Künftige Hochwasser in Baden Württemberg und Bayern
• H.J. Caspary: Großwetterlagen und hydrometeorologische Extreme S. 115-134 der PDF-Datei des 4. KLIWA-Symposiums
• D. Prellberg: Langjährige Hochwasserabflüsse in Rheinland-Pfalz S. 107-114 der PDF-Datei des 4. KLIWA-Symposiums