Hitzewellen

Abb. 1: Hitzewelle 2018: Änderung des Blattindex (Grünfärbung) infolge der Hitzewelle 2018 im nordwestlichen Mitteleuropa im Vergleich zu 2017, Satellitenaufnahmen vom 24. Juli 2018 (oben) und 19. Juli 2017 (unten).

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

Definitionen

Unter einer Hitzewelle versteht man eine längere Periode mit ungewöhnlich hohen Temperaturen. Es gibt keine allgemein gültige Definition für eine Hitzewelle, da der Begriff vom üblichen Wetter der jeweiligen Region abhängig ist. Was in einem heißen Klima als normales Wetter erscheint, wird in einem kühleren Klima als Hitzewelle erlebt. Daher gelten absolute Kriterien immer nur für eine bestimmte Region. Für Deutschland wird von manchen Forschern eine Folge von mindestens fünf Tagen mit einem Tagesmaximum von im Mittel mindestens 30 ^oC als Hitzeepisode verstanden. Auch wenn man von regional unterschiedlichen Maximalwerten ausgeht und eine bestimmte Überschreitung von z.B. 5 °C als Schwellenwert für eine Hitzewelle festlegt, ist eine globale Vergleichbarkeit nur begrenzt gegeben, da die Schwankungen der Tagestemperaturen in den Tropen viel geringer sind als etwa in den mittleren Breiten. Vielfach wird daher auf relative Bestimmungen zurückgegriffen, z.B. auf die Höhe der Standardabweichung, auf die Wiederkehrperiode oder das Überschreiten bestimmter Perzentilwerte.

Hitzewellen können ernsthafte Auswirkungen auf die Landwirtschaft haben, Waldbrände hervorrufen, die Wasserversorgung und die Gesundheit von Menschen gefährden. Bei solchen Wirkungen von Hitzewellen sind jedoch auch die Dauer der aufeinander folgenden heißen Tagen und die Luftfeuchtigkeit von entscheidender Bedeutung. Gerade für die menschliche Gesundheit sind lang anhaltende Hitzewelle gepaart mit hoher Schwüle wesentlich belastender als wenige und trockene heiße Tage. Neuere Indizes beziehen daher auch die Dauer einer Hitzewelle und die relative Luftfeuchtigkeit mit ein. So wurden Hitzewellenindizes entwickelt, nach denen bei einer Hitzewelle über einen Zeitraum von drei aufeinander folgenden Tagen ein bestimmter Grenzwert überschritten wird. Und für Regionen mit hoher Luftfeuchtigkeit wird oft die gefühlte Temperatur zugrunde gelegt, die aus Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit abgeleitet ist. So wird bei einer gemessenen Temperatur von 35 °C und einer relativen Feuchte von 50 % eine gefühlte Temperatur von 40 °C erreicht. Die Gefahr solcher „feuchten Hitzewellen“, bei denen der menschliche Körper sich kaum noch durch Schwitzen abkühlen kann, besteht für einige stark besiedelte Regionen wie Indien, den Osten der USA und das östliche China in hohem Maße. Auch gefühlte Spitzentemperaturen von 55 °C könnten hier bei einer Erhöhung der globalen Mitteltemperatur von 4 °C in der Zukunft möglich werden, mit zahlreichen Todesfällen vor allem bei Menschen über 65 Jahren. Durch die Verbesserung der Gesundheitssysteme, die zunehmende Verbreitung von Klimaanlagen und Verhaltensänderungen in zahlreichen Ländern sind in jüngster Zeit die Opferzahlen durch Hitzewellen allerdings zurückgegangen.

Hitzewellen weltweit

Abb. 2: Regionale Änderung der höchsten Jahrestemperatur in °C pro Dekade 1986 bis 2015

In den letzten Jahrzehnten sind einige Hitzewellen mit zahlreichen Todesfällen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung diskutiert worden, vor allem die Hitzewelle 2003 in Europa. Der extrem heiße Sommer 2003 in Europa hat nach Einschätzung der World Health Organization (WHO) und anderen Untersuchungen in allen betroffenen Ländern zusammen etwa 70 000 zusätzliche Todesopfer zur Folge gehabt. Nicht weniger schwerwiegend war die Hitzewelle 2010 im westlichen Russland. Hier lagen im Juli und August die Temperaturen in vielen Städten über eine längere Periode bei 40 °C und damit um 10 °C über dem Mittel der früheren Sommertemperaturen. Eine Folge waren großflächige Wald- und Torfbrände und ca. 55 000 Tote.. Weitere Hitzewellen ereigneten sich in den letzten 10 Jahren besonders in Europa, im Nahen Osten, in Nordamerika und in Südasien. Auch Australien erlebte in letzter Zeit zahlreiche Hitzewellen: z.B. im Februar 2004, im April 2005, im November 2006, im Januar und November 2009. 2013 wurde das bis dahin heißeste Jahr in Australien, mit einer Hitzewelle sowohl am Anfang wie am Ende des Kalenderjahres, wobei letztere bis in den Januar 2014 hineinreichte. In Queensland wurde die Rekordtemperatur von 49,3 °C gemessen.

Abb. 3: Klimaänderung und Extreme

Globale Erwärmung

• s. Hauptartikel: Aktuelle Klimaänderungen

Das globale wie das europäische Klima der letzten Jahrzehnte haben sich zunehmend zu wärmeren Bedingungen hin entwickelt. Global beträgt die Erhöhung der bodennahen Mitteltemperatur des Jahrzehnts 2012-2022 im Vergleich zur vorindustriellen Zeit (1850-1900) 1,15 Grad Celsius. Eine solche Erwärmung hat es in den letzten 1000 Jahren wahrscheinlich nicht gegeben. Seit dem Ende der 1970er Jahre hat sich das Tempo der Erwärmung noch einmal deutlich erhöht und lag zu Beginn des 21. Jahrhunderts bei ca. 0,2 °C pro Jahrzehnt. Von den zehn wärmsten Jahren der gesamten Periode liegen alle bereits in den 2010er Jahren und danach. Die Temperaturen in Europa sind zwischen 1991 und 2021 um 0,5 °C pro Jahrzehnt angestiegen und damit mehr als doppelt so stark wie das globale Mittel. Europa ist damit der Kontinent, der sich am stärksten erwärmt hat. Höhere Durchschnittstemperaturen machen aber auch häufigere und stärkere Extremereignisse wahrscheinlicher (s. Abb. 3).

Zunahme von Hitzewellen

Abb. 4: Änderung der Verbreitung von heißen (0,43 Standardabweichungen), sehr heißen (2 Standardabweichungen) und extrem heißen (3 Standardabweichungen) Sommern auf der Landoberfläche der Nordhalbkugel.

Abb. 5: Anteil der heißen Tage und Nächte pro Jahr in armen (blau) und wohlhabenden (rot) Ländern. Gezeigt wird die Zunahme von solchen heißen Tagen und Nächten, die im Zeitraum 1961-1990 zu den 10 % heißesten Tagen bzw. Nächten pro Jahr gehört haben.

Trends

Allgemein haben in den letzten Jahrzehnten die Zahl der kalten Nächte und Tage deutlich ab- und die der warmen Nächte und Tage zugenommen. Nur weniger als 1 % der Landgebiete, z.B. das südliche Grönland und das südliche Südamerika, zeigt Abkühlungstendenzen. Ein ähnliches Bild ergibt sich bei den Extremwerten: Kältewellen haben im allgemeinen ab- und Hitzewellen zugenommen. Vergleicht man die räumliche Verbreitung von extrem heißen Sommern in den letzten Jahren mit dem durch den Klimawandel nur wenig berührten Zeitraum 1951-1980, zeigen sich deutliche Unterschiede: 1951-1980 war weniger als 1 % der globalen Landfläche von extrem heißen Sommern betroffen. 2006-2011 waren es je nach Jahr 4-23 % der globalen Landfläche, auf denen extrem heiße Sommer auftraten. Das ist eine Steigerung um mehr als den Faktor 10. Dabei ist ein "extrem heißer Sommer" definiert als mindestens die dreifache Standardabweichung bezogen auf den Vergleichszeitraum 1951-1980. Heiße Sommer, definiert als Standardabweichung von 0,43, die in früheren Jahren auf 30 % der globalen Landoberfläche vorkamen, sind heute auf 70 % der Fläche verbreitet.

Die Tageshöchsttemperaturen sind besonders in Europa und im nördlichen Südamerika angestiegen. Bei Hitzewellen (Perioden mehrerer aufeinander folgender heißer Tage) haben seit 1950 sowohl die Dauer wie die Intensität zugenommen. Besonders starke Anstiege verzeichnen Europa und Australien, aber auch China und Indien. Auch während der sogenannten „Erwärmungspause“ zwischen 1998 und 2012, als die globale Mitteltemperatur nur mäßig zugenommen hat, haben sich die Temperatur-Extreme weiter verstärkt. Die Minimumtemperaturen, z.B. in der Nacht oder im Winter, steigen dabei stärker an als die hohen Temperaturen tagsüber oder im Sommer und haben sich seit 1950 im globalen Mittel um 4 °C erhöht. Als Folge ist eine deutliche Abnahme von Kälteperioden zu beobachten, was besonders für die mittleren Breiten der Nordhemisphäre zutrifft.

Bezeichnend ist, dass gerade die ärmsten Länder von einigen der schlimmsten Folgen des Klimawandels betroffen sind, obwohl sie kaum zur Emission von Treibhausgasen beigetragen haben. So befinden sich die Temperaturen in diesen zumeist äquatornah gelegenen Ländern bereits heute an der oberen Grenze des menschlichen Wohlbefindens. Die geringen Schwankungen der Temperatur in den Tropen haben zur Folge, dass bereits durch kleine Änderungen bisherige Temperaturextreme überschritten werden. Heiße Tage, die im Zeitraum 1961-1990 zu den 10 % heißesten Tagen pro Jahr gehört haben, nehmen in den armen Ländern auf 22 % zu (bzw. von 37 auf 80 Tage pro Jahr), in den wohlhabenden Staaten dagegen nur von 10 % auf 15 % (von 37 auf 55 Tage pro Jahr). Noch etwas stärker nimmt der Anteil von heißen Nächten pro Jahr in den armen Ländern zu, nämlich von 10 % auf 26 %. Das ist insofern besonders problematisch, weil die Sterblichkeit bei Hitzewellen stark davon abhängt, ob sich der menschliche Körper während der Nacht durch Abkühlung erholen kann.

Erklärungen

Diese gravierenden Veränderungen können nicht ohne den globalen Klimawandel erklärt werden. So kann diese Entwicklung nur dann in Klimamodellrechnungen simuliert werden, wenn die anthropogenen Antriebe, d.h. die Zunahme der Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre, einbezogen werden. Nur aus natürlichen Schwankungen des Klimas kann die beobachtete Zunahme von Hitzewellen in Klimamodellen nicht nachgebildet werden. Das spricht deutlich dafür, dass das zunehmende Auftreten von heißen Perioden durch den menschlichen Klimawandel beeinflusst ist. Zwar hätte jedes extreme Ereignis theoretisch auch in der Vergangenheit geschehen können. Die Wahrscheinlichkeit z.B. einer Hitzewelle wie im Sommer 2003 in Europa ist durch den Klimawandel jedoch deutlich größer geworden. James Hansen, Direktor des Goddard Institute for Space Studies (GISS) der NASA, geht sogar davon ausgehen, dass Hitzewellen wie 2003 in Frankreich, 2010 in Russland oder 2011 in Texas mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht ohne die globale Erwärmung geschehen wären. Unmittelbar seien die Hitzewellen zwar auf bestimmte Wetterlagen zurückzuführen. So beruhte die russische Hitzewelle 2010 auf eine blockierende Wetterlage und der extrem heiße Sommer in Texas von 2011 auf La-Nina-Verhältnissen. Solche Wetterlagen habe es aber auch früher schon gegeben, ohne dass es zu so hohen Temperaturabweichungen gekommen sei.

In letzter Zeit sind blockierende Wetterlagen, die zu den Hitzewellen auf der Nordhalbkugel geführt haben, in Verbindung mit dem Abschmelzen des arktischen Meereises gebracht worden. Durch positive Rückkopplungseffekte habe das Abschmelzen sowohl des Meereises als auch der Schneebedeckung auf den Kontinenten in den nördlichen hohen Breiten zu einer starken Erwärmung geführt, der sogenannten 'arktischen Verstärkung'. Dadurch wurde nach dieser Auffassung der Unterschied zwischen den Luftdruckverhältnissen in den hohen und mittleren Breien verringert. Der durch diesen Unterschied in der Höhe angetriebene Jetstream wurde in Folge dessen abgeschwächt. Er bewegt sich langsamer als in früheren Zeiten von West nach Ost und vollzieht stärkere Pendelbewegungen, die zu verstärkten meridionalen bzw. Nord-Süd-gerichteten Luftströmungen führen. Dadurch strömen einerseits Warmluftmassen stärker nach Norden ein, andererseits Kaltluftmassen nach Süden. Die einen können zu Hitzewellen führen, die anderen zu extrem kalten Wintern. Da der Jetstream sich langsamer bewegt, bleiben die dadurch bedingten Wetterlagen längere Zeit stationär und begünstigen die Entwicklung von Extremwetterereignissen. Die bisherige Datenlage reicht jedoch nicht aus, um diese schon als bewiesen gelten zu lassen.

In jüngster Zeit hat sich immmer mehr herausgestellt, dass vor allem der menschengemachte Klimawandel für die immer häufiger auftretenden und immer intensiveren Hitzewellen verantwortlich ist. Zu dieser Erkenntnis beigetragen hat besonders die Wissenschaft von der Zuordnung einzelner Extremereignisse, die besonders bei Hitzewellen immer wieder gezeigt hat, dass die extrem hohen Temperaturen der letzen Jahre entscheidend durch den Klimawandel ermöglicht wurden. Nach dem heißen Jahr 2022 erlebten z.B. mehrere Regionen der Nordhalbkugel nach einem heißen Juni 2023 im folgenden Juli extreme Hitzewellen. Nordamerika, Europa und China haben schon in den Jahren davor zunehmend unter starker Hitze gelitten. Die Hitzewellen im Juli 2023 sind daher unter den gegenwärtigen Klimabedingungen keine große Ausnahme. Ohne den vom Menschen verursachten Klimawandel wären sie jedoch extrem selten. In den USA und Mexiko sowie in Europa wären sie ohne die Aufheizung des Klimas durch fossile Brennstoffe praktisch unmöglich, in China ein sehr seltenes Ereignis, dass höchstens alle 250 Jahre einmal vorgekommen wäre. In einer um 2 °C wärmeren Welt würden vergleichbare Hitzewellen alle 2-5 Jahre vorkommen. Hitzewellen mit derselben Auftrittswahrscheinlichkeit wie gegenwärtig wären ohne den Klimawandel in Südeuropa um bis zu 4 °C kühler und in einer um nur 0,8 °C wärmeren Welt um ca. 2 °C wärmer als heute.

Abb. 6: Anteil heißer Sommermonate mit Temperaturen von mehr als drei Standardabweichungen 2071-2099 nach dem RCP8.5-Szenario

Abb. 7: Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer gefühlten Temperatur von 40 °C (oben) und 55 °C (unten) bei einer globalen Erwärmung von 4 °C.

Zukünftige Entwicklung

Sehr wahrscheinlich wird sich das Klima in den nächsten Jahrzehnten weiter erwärmen, und damit werden europäische Sommer wie 2003 häufiger vorkommen. Die globale Mitteltemperatur wird bis zum Jahre 2100 je nach Szenario um 1,4 bis 5,8 ^oC ansteigen. Eine aktuelle Untersuchung mit einem Ensemble von Klimamodellen in dem sog. CMIP5-Projekt, das auch dem neuen Bericht des IPCC zugrundeliegt, kommt zu dem Schluss, dass immer größere Gebiete der globalen Landoberfläche von Hitzewellen betroffen sein werden. Als Kriterium für Hitzewellen werden in dieser Studie Monatsmitteltemperaturen mit mehr als drei Standardabweichungen angenommen. Solche Extreme kommen in den N-Sommer-Monaten gegenwärtig auf 5 % der globalen Landoberfläche, Temperaturen mit 1 bis 2 Standardabweichungen auf 40 bzw. 15 % der globalen Landoberfläche vor.

Nach dem jüngsten Bericht des Weltklimarats IPCC werden bis zum Ende des 21. Jahrhunderts die Länge, Häufigkeit und Intensität von Hitzewellen weiter zunehmen, auch wenn die globale Erwärmung unter 1,5 °C bleiben sollte. Nach Modellrechnungen ist in manchen Regionen eine doppelt so hohe Steigerung der Extremtemperaturen wie der globalen Mitteltemperatur wahrscheinlich. Bei einer Erwärmung von 2 °C werden die sommerlichen Maximum-Temperaturen mit Ausnahme der Arabischen Halbinsel, Nordindien und Pakistan in den meisten Gebieten der Welt unter 50 °C liegen. Bei einer Erwärmung von 3 und 4 Grad wird die Überschreitung der Grenze von 50 °C auf allen Kontinenten mit Ausnahme der Antarktis erwartet (Abb. 6). In Pakistan, Irak und Saudi-Arabien wird es zu Extremtemperaturen von über 60 °C kommen, und Hitzeereignisse, die vorindustriell einmal in 100 Jahren passierten, werden sich in großen Teilen der Welt, so auch in Südeuropa, jährlich ereignen.

Betroffen sind hauptsächlich die Tropen, der Mittelmeerraum,m der mittlere Osten und Südasien. Modellsimulationen und Beobachtungen stimmen darin weitgehend überein. Nach Modell-Berechnungen werden Sommer-Temperaturen mit drei Standardabweichungen 2020 auf 10 % und 2040 auf etwa 20 % der globalen Landflächen vorkommen. Neu hinzu kommen werden Temperaturen mit fünf Standardabweichungen auf 3 % der globalen Landflächen. Ab Mitte des 21. Jahrhunderts wird die Häufigkeit von Hitzewellen zunehmend von den Szenarien abhängig. Gegen Ende des Jahrhunderts werden Temperaturen mit 3 und 5 Standardabweichungen auf 85 % bzw. 60 % der globalen Landgebiete vorkommen. Standardabweichungen sind relative Werte. Sie sind in den Tropen deswegen besonders hoch, weil die tropischen Temperaturen normalerweise nur geringe Schwankungen aufweisen. Drei Standardabweichungen müssen in den Tropen keine hohen absoluten Werte bedeuten.

Regionale Klimamodellrechnungen prognostizieren, dass sich die europäischen Sommertemperaturen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts um 3-5 ^oC erhöhen werden. Das mediterrane Klima mit seinen sehr trockenen Sommermonaten wird dabei höchstwahrscheinlich bis nach Mitteleuropa vordringen. Außerdem werden auch die jährlichen Klimaschwankungen zunehmen. Die Veränderung des mittleren Klimas und seiner Variabilität wird zur Folge haben, dass jeder zweite Sommer so heiß oder sogar heißer als der von 2003 sein wird. Andere Modellergebnisse kommen zu dem Schluss, dass bereits in den 2040er Jahren jeder zweite Sommer wärmer als der des Jahres 2003 sein könnte und dass gegen Ende des Jahrhunderts der Sommer 2003 sogar als kühler Sommer eingestuft werden müsste. Bei einer globalen Erwärmung von 4 °C liegt die Wahrscheinlichkeit einer Hitzewelle, die das russische Extremereignis von 2010 übertrifft, für Mitteleuropa, Indien und große Teile Afrikas bei jährlich 10 %. Für die östlichen USA, das nördliche Lateinamerika und China bei 50 % und damit bei einer Hitzewelle dieser Größenordnung alle zwei Jahre. Diese Regionen müssen bei einer Zunahme der globalen Mitteltemperatur um 4 °C mit maximalen gefühlten Höchsttemperaturen von 55 °C rechnen, woran sehr stark die Feuchtigkeit beteiligt ist. Das entspricht einer Überschreitung der Kühlgrenztemperatur von 35 °C, die in bisherigen Messungen nicht vorgekommen ist. Die Kühlgrenztemperatur gibt den Wert an, bis zu dem eine Luftmasse durch Verdunstung abgekühlt werden kann. 35 °C ist die obere Grenze der Kühlgrenztemperatur für den menschlichen Körper, bei der eine Abkühlung durch Schwitzen und einer dadurch möglichen Verdunstung nicht mehr möglich ist. Auch sehr gesunde Menschen können eine Kühlgrenztemperatur von über 35 °C, wenn sie ihr mehr als sechs Stunden ausgesetzt sind, nicht überleben.

Besonders gefährdet durch künftige Hitzewellen ist die Golfregion im mittleren Osten. Im gegenwärtigen Klima kommen Kühlgrenztemperaturen von 31 °C hauptsächlich über dem Golf und angrenzenden Küstengebieten vor. Grund sind die absteigenden Luftmassen im Sommer, die dadurch bedingte starke Sonneneinstrahlung und die geringe Albedo der Wasseroberfläche des Golfs. Die hohe Einstrahlung führt über dem Wasser zu hohen Verdunstungsraten, die die relative Feuchtigkeit über dem Wasser stark erhöht. Luftströmungen transportieren diese feuchten und heißen Luftmassen in die teilweise stark besiedelte Küstenzone. Unter den Bedingungen des RCP8.5-Szenarios werden ‚normale‘ Temperaturwerte von über 45 °C relativ häufig vorkommen. In Kuwait City ist in einigen Jahren sogar mit einer Höchsttemperatur von über 60 °C zu rechnen. Dadurch wird sich das Gebiet mit einer Kühlgrenztemperatur von über 31 °C bis zum Ende des 21. Jahrhunderts deutlich ausdehnen. Einige Gebiete über dem Golf und in angrenzenden Küstenstreifen werden wahrscheinlich sogar eine Kühlgrenztemperatur von 35 °C überschreiten. Besonders gefährdet sind etwa Städte wie Abu Dhabi, Dubai, Dhahran und Banda Abbas.

Literatur

• Tinz, B., E. Freydank und P. Hupfer (2008): Hitzeepisoden in Deutschland im 20. und 21. Jahrhundert, in: J. Lozán u.a.: Warnsignal Klima. Gesundheitsrisiken. Gefahren für Pflanzen, Tiere und Menschen, Hamburg, S. 141-148

Weblinks

• Hitzewelle 2003 Wikipedia
• Extreme Temperaturen Artikel des Deutschen Wetterdienstes über extreme Temperaturereignisse in Deutschland

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)

Lizenzhinweis

Kontakt: Dieter Kasang