Dürren und Starkregen im Sahel

Aus Klimawandel
Abb. 1: Schematische Darstellung des Monsunsystems auf der Nordhalbkugel.

Niederschläge im Sahel

Abb. 2: Oberflächenwinde in Westafrika: Oberflächenwinde (Pfeile) und Luftdruck (in mb) über Westafrika im Winter und während des Höhepunkts des Sommermonsuns.

Der Jahresgang der Niederschläge ist durch ausgeprägte Regen- und Trockenzeiten gekennzeichnet. Der Niederschlag wandert grob gesehen mit dem Sonnenstand von Süden nach Norden und zurück. Im Nord-Winter kommt es zu starken Niederschlägen über dem Ozean vor der Südküste Westafrikas, im anschließenden Frühjahr (April-Juni) über der tropischen Küstenzone und im Sommer (Juni-September) über der Sahelzone, wobei hier die meisten Niederschläge im August fallen.[1] Traditionell wurden die jahreszeitlichen Schwankungen der Niederschläge im Sahel durch die Wanderung der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) mit dem Stand der Sonne erklärt. Danach bewirkt die hochstehende Sonne eine starke Erwärmung und Verdunstung über dem Sahel sowie das Aufsteigen der erwärmten und feuchten Luftmassen. Die Luft kühlt sich dann in der Höhe ab, wodurch der Wasserdampf kondensiert und es zum Niederschlag kommt. Dieses Bild ist nach neuerer Forschung allerdings so nicht mehr gültig. Als ein Beleg dafür wird angeführt, dass die ITCZ im Hochsommer rund 1000 km nördlich von der Zone mit den höchsten Niederschlägen liegt.[1] Ein anderes Argument ist, dass die vor Ort entstehende Feuchtigkeit durch Verdunstung nur einen geringen Anteil am gesamten Niederschlag ausmacht.[2]

Der Niederschlag in Westafrika hat aus Sicht der neueren Forschung weniger mit dem Aufeinandertreffen der vom Sonnenstand gesteuerten Passatwinde zu tun als mit dem Westafrikanischen Monsun, der im Sommer feuchte Luftmassen vom Atlantik bis in die Sahelzone transportiert.[3] Die Monsunzirkulation wird durch den Temperaturgegensatz zwischen der Sahara und dem tropischen Atlantik angetrieben, der allerdings durch den Stand der Sonne beeinflusst wird (vgl. Abb. 1). Über dem tropischen Ost-Atlantik ist die Luft durch das relativ kalte Wasser im Golf von Guinea verhältnismäßig kühl. Ursache für die vergleichsweise niedrigen Wassertemperaturen im Golf von Guinea ist eine südöstliche Strömung vom subtropischen Hoch über dem Südatlantik. Über der westlichen Sahara entsteht ein sommerliches Hitzetief, das feuchte Luftmassen aus dem Südwesten ansaugt (Abb. 2, unten). Diese bilden sich über dem Atlantik vor der Südküste Westafrikas durch Verdunstung, die die Luft mit Wasserdampf sättigt. Unter dem Einfluss der Corioliskraft entsteht eine südwestliche Strömung zwischen dem östlichen tropischen Atlantik und dem Tief über der Sahara. Über der Sahelzone steigen die feuchten Luftmassen dann auf und es kommt zum Niederschlag. Die Position der Konvergenzzone wird durch nordöstliche Passatwinde (Harmattan) und verschiedene Höhenströmungen beeinflusst. Im Winter erreichen die Monsunniederschläge nur den Küstensaum am Südrand Westafrikas.[4]

Abb. 3: Niederschläge im Juni-Oktober in der Sahelzone 1900-2013. Gezeigt ist die Abweichung vom Mittel der Jahre 1898–1993 als Index.

Langfristige Änderungen der Niederschläge: Dürren und Starkregen

Dürren im 20. Jahrhundert

Das Monsun-System über Westafrika unterliegt neben jahreszeitlichen auch dekadischen Schwankungen, die gravierende Unterschiede in den Niederschlägen zur Folge haben (Abb. 3). Das Niederschlags-Regime der Sahelzone ist das vielleicht sensibelste der Welt.[4] Während der letzten 1000 Jahre haben sich immer wieder feuchte und trockene Perioden abgewechselt. So waren das Mittelalter und die Zeit vom 16. bis 17. Jahrhundert relativ feucht, während es im 18. und in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts katastrophale Dürren gab.

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts zeigen die Sahel-Niederschläge drei unterschiedliche und jeweils über Jahrzehnte reichende Phasen (Abb. 3). In den 1950er und 1960er Jahren erlebte der Sahel eine ausgesprochen feuchte Periode, in der die Niederschläge etwa 20% über dem langjährigen Mittel lagen.[4] In den 1970er und 1980er Jahren folgte darauf eine außergewöhnlich starke Dürreperiode, die in den frühen 1980er Jahren schätzungsweise 100.000 Tote durch Hunger, Unterernährung und Krankheiten gefordert hat.[1] Die Niederschläge lagen im Nordsahel bis 60% und im Süd-Sahel 25-30% unter dem langjährigen Mittel.[5] Wahrscheinlich hat es seit Beginn der Messungen nirgendwo sonst auf der Welt so dramatische Veränderungen der Niederschlagsverhältnisse über einen so langen Zeitraum gegeben. In der dritten Phase, seit den 1990er Jahren, nahmen die Sahel-Niederschläge dann wieder zu, jedoch mit auffällig starken und unregelmäßigen Regenfällen.

Abb. 4: Anzahl der Regentage und die Niederschlagsintensität in der Sahelzone 1955-2010. Regentage in verschiedenen Sektoren der Sahelzone als Jahres- und als 11-Jahres-Mittel. Niederschlagsintensität in mm pro Tag.

Die Sahel-Dürren der 1970er und 1980er Jahre wurden früher mit Änderungen der Landbedeckung durch Überweidung und Übernutzung infolge des starken Bevölkerungswachstums erklärt. Die verringerte Vegetationsbedeckung erhöhte nach dieser Auffassung die Albedo, wodurch mehr Sonneneinstrahlung reflektiert wurde, die Temperaturen absanken und es weniger Konvektion und Niederschläge gab.[6] Zwei wissenschaftliche Entwicklungen haben jedoch zu einem Paradigmenwechsel in dieser Frage geführt: 1. haben Satellitenbeobachtungen gezeigt, dass die Vegetation sich schnell wieder ausbreitete, als die Niederschläge in den 1990er Jahren erneut zunahmen. Und 2. haben Computermodelle eine Abnahme der Sahel-Niederschläge durch kühlere Meeresoberflächentemperaturen im subtropischen Nordatlantik simuliert.[3] Als Ursache für die Abkühlung des Nordatlantik und damit als Hauptantrieb für die Sahel-Dürre gelten inzwischen die Aerosolemissionen aus Europa und Nordamerika durch die schmutzige Industrie in den Nachkriegsjahrzehnten.[5] Aerosole reflektieren nicht nur Sonnenstrahlen, sondern erzeugen auch niederschlagsarme, aus kleinen Tröpfchen bestehende Wolken, die ebenfalls abkühlend wirken. Niedrigere Temperaturen über dem subtropischen Nordatlantik beeinflussen auch die Temperaturen über der Sahara und bewirken eine Verschiebung des Sahara-Hitzetiefs und damit auch der westafrikanischen Monsunzirkulation nach Süden – mit der Folge, dass auch der sommerliche Niederschlagsgürtel den Sahel nur noch begrenzt erreicht.[3]

Ein neues Niederschlagsregime seit den 1990er Jahren

Niederschlagsveränderungen

Seit den 1990er Jahren erholten sich die Niederschläge im Sahel wieder, ohne aber das Niveau vor der Großen Dürre zu erreichen. Eine deutliche Niederschlagszunahme um 9,7 mm/Tag gab es vor allem im ersten Jahrzehnt. Zwischen 1999 und 2016 schwächte sich die Zunahme auf 2,2 mm/Tag ab.[7] Hinzu kam, dass im Vergleich zu früheren Jahrzehnten häufiger Starkregen fielen, die Niederschläge unregelmäßiger waren und sich jahreszeitlich auf die spätere Regenzeit konzentrierten. So ist die Anzahl der Regentage in der Sahelzone seit ca. 1990 nur leicht angestiegen, die Niederschlagsintensität dagegen deutlich (Abb. 4). Entsprechend nahm der Anteil von extremen Regenfällen am jährlichen Gesamtniederschlag von 17% in den 1970er und 1980er Jahren auf 21% im Jahrzehnt 2001-2010 zu. Daher lässt sich weniger von einer Rückkehr zur Normalität sprechen als von einem neuen Niederschlagsregime.[3]

Abb. 5: Hochwasser am Niger in Niamey am 7. September 2020

Seit den 1990er Jahren ist der Sahel nach den Jahrzehnten der Trockenheit zunehmend von Überschwemmungen und Hochwasserkatastrophen betroffen, unter denen Millionen von Menschen zu leiden hatten.[8] In Burkina Faso z.B. gab es 1986-2005 nur ein größeres Hochwasser pro Jahr, im darauffolgenden Jahrzehnt 2006-2016 waren es dagegen jährlich fünf solcher Ereignisse. Eines der stärksten durch Niederschlag direkt verursachten Hochwasser geschah am 1. September 2009 in der Hauptstadt Ouagadougou. Unmittelbare Ursache war der höchste je an diesem Ort beobachtete Starkniederschlag von 260 mm in wenigen Stunden (bei einem langjährigen Jahresmittel von 765 mm), der zu einer Überschwemmung von großen Teilen der Stadt und starken Zerstörungen in dicht besiedelten Wohngebieten führte.[9] In demselben Jahr waren auch andere Sahel-Länder wie Senegal, Ghana und Niger betroffen. Zerstörerische Hochwasser gab es auch 2007, 2010 und in den folgenden Jahren. Besonders stark waren die Überschwemmungen im Jahr 2020 in Nigers Hauptstadt Niamey (Abb. 5). Die Fluten zerstörten Häuser und Infrastrukturanlagen, Ernten und Felder. Zahlreiche Menschen erkrankten besonders in Niamey durch Erreger aus dem wochenlang nicht abfließenden Wasser. Im gesamten Staat Niger waren von den Überschwemmungen 500.000 Menschen betroffen.[10] Vielfach wird mit Bezug auf derartige Hochwasserereignisse von der „anderen Sahel-Katastrophe“ gesprochen.[11]

Ursachen

Was sind die Ursachen für das neue Niederschlagsregime, das den Wassermangel der 1970er und 1980er Jahre in gewisser Hinsicht in sein Gegenteil verwandelt hat? Die Forschung nennt 1. den Rückgang der Aerosolbelastung und 2. die Zunahme von Treibhausgasen durch den anthropogenen Klimawandel. Beide Faktoren führten seit den 1990er Jahren zu einer Temperaturerhöhung in der Sahara, die sich zwei bis vier Mal stärker erwärmte als im tropischen Mittel. Die Folge ist eine Verstärkung des Temperaturunterschieds zwischen dem tropischen Atlantik und der Sahara und damit eine Intensivierung des westafrikanischen Sommermonsuns.[5] Dabei ist die Zunahme von Starkregen hauptsächlich durch die erhöhte Treibhauskonzentration bedingt. Eine wärmere Atmosphäre nimmt mehr Wasserdampf auf und gibt ihn durch stärkere Niederschläge wieder ab. Schon die Große Dürre im 20. Jahrhundert war primär durch Emissionen (in diesem Fall von Aerosolen) in den entwickelten Staaten Europas und Nordamerikas verursacht. Die Luftreinhaltepolitik in diesen Staaten führte dann zwar zum teilweisen Rückgang der extremen Dürreverhältnisse im Sahel. Die Treibhausgasemissionen ebendieser Staaten und weiterer wie China bewirkten aber kaum weniger verheerende Wetterverhältnisse in Form von katastrophalen Starkniederschlägen mit Überschwemmungen.[3]

Dennoch blieben unter den neuen Niederschlagsverhältnissen Dürren auch während der feuchten Jahreszeit im Sommer nicht aus. Zwischen den Phasen mit reichhaltigen Niederschlägen kam es auch immer wieder zu Niederschlagsdefiziten. So lag der Niederschlag des Jahres 2011 während der Regenzeit um 17% unter dem langjährigen Mittel.[12] Die Anzahl isolierter trockener Tage hat im westafrikanischen Sahel nach Daten bis 2014 im Sommer sogar zugenommen. Die Länge der Trockenphasen ist jedoch insgesamt um 32% zurückgegangen, und auch die Anzahl der trockenen Tage (< 1mm/Tag) pro Jahr hat um neun Tage abgenommen.[13]

Projektionen

Abb. 6: Änderung der Niederschläge in Westafrika im Sommer zwischen 1960-1999 und 2060-2099 nach dem RCP8.5 Szenario in mm/Tag nach CMIP6-Modell-Simulationen. Die roten Konturen zeigen die historischen Niederschläge in mm/Tag.

Mit einer weiteren Abnahme der Aerosolbelastung im Nordatlantikraum und einer globalen Zunahme der Treibhausgaskonzentration ist auch für die kommenden Jahrzehnte zu rechnen. Das bedeutet aber nicht, dass damit die künftige klimatische Entwicklung der Sahelzone schon vorgezeichnet ist. Noch immer sind Klimamodellsimulationen der zukünftigen Sahel-Niederschläge mit großen Unsicherheiten behaftet. Dennoch bestätigen nahezu alle Projektionen sogar von verschiedenen Modellgenerationen (CMIP3, 5 und 6) eine Zunahme der Niederschläge im zentralen Sahel und eine Abnahme im westlichen Sahel, wobei die Grenze bei ca. 5° W angenommen wird (Abb. 6). Die Abnahme über dem westlichen Sahel findet sich hauptsächlich in der Regenzeit von Mai bis August, die Zunahme im mittleren Sahel im August-Oktober am Ende der Regenzeit.[14] Zwischen den Zeiträumen 1986-2005 und 2080-2099 wird die Niederschlags-Abnahme im West-Sahel von Gaetani et al. (2020)[15] auf 13% geschätzt und die Zunahme im mittleren und östlichen Sahel auf 35%. Der negative Trend im West-Sahel von -75 mm am Ende des 21. Jahrhunderts beruht vor allem auf einer Abnahme der Anzahl von feuchten Tagen, die um 20% zurückgehen. Außerdem zeigen einige Modelle eine Verkürzung der Regenzeit durch einen späteren Beginn.

Durch die zunehmende globale Erwärmung wird das Hitze-Tief über der Sahara weiter verstärkt. Die Folge ist eine Intensivierung der Monsunzirkulation und ihre Verschiebung nach Norden, wodurch der zentrale Sahel mehr Niederschläge erhält. Gleichzeitig erwärmt sich allerdings auch die Meeresoberflächentemperatur im Golf von Guinea, was zwei Folgen hat. Einerseits erhöht sich die Verdunstung über dem Ozean und es wird mit dem Monsun mehr Feuchtigkeit Richtung Sahel transportiert. Andererseits schwächt sich die Zirkulation ab, weil der Land-Meer-Gegensatz abgeschwächt wird. Dieser Effekt wird jedoch von den Auswirkungen der starken Sahara-Erwärmung übertroffen.[14]

Das Sahara-Tief hat jedoch nicht dieselben Folgen für den westlichen Sahel. Während durch das Hitze-Tief der Sahara feuchte Luft vom östlichen tropischen Atlantik bzw. Golf von Guinea in den zentralen Sahel gelangt, lenkt es in den westlichen Sahel trockenere Luft vom subtropischen Atlantik.[3] Der westliche Sahel steht stärker unter dem Einfluss von Temperaturdifferenzen über dem Atlantik als unter dem Einfluss des Gegensatzes zwischen tropischem Atlantik und dem Innern des Kontinents (d.h. der Sahara).[14] Die projizierte unterschiedliche Entwicklung zwischen westlichem und zentralem Sahel ist durchaus schon in Beobachtungen festzustellen. So hat sich der westliche Sahel (Senegal und das westliche Mali) bis Ende der 2010er Jahre nur begrenzt von der Dürre erholt, während in Burkina Faso und Niger das durchaus der Fall war, vor allem durch eine Zunahme der Intensität der Regenfälle.[3]

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Nicholson, S. E. (2013): The West African Sahel: A Review of Recent Studies on the Rainfall Regime and Its Interannual Variability. ISRN Meteorology, 1–32
  2. ↑ Sheen, K. L., D. M. Smith, N. J. Dunstone, R. Eade, D. P. Rowell & M. Vellinga (2017): Skilful prediction of Sahel summer rainfall on inter-annual and multi-year timescales. Nat. Commun. 8, 14966 doi: 10.1038/ncomms14966
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Biasutti, M. (2019): Rainfall trends in the African Sahel: characteristics, processes, and causes. Wiley Interdiscip Rev Clim Chang, 10:e591.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Nicholson, S.E. (2018): Climate of the Sahel and West Africa, Oxford Research Encyclopedias, Climate Science
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 IPCC (2021): Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on 5 Climate Change, 8.3.2.4.3
  6. ↑ Charney, J. G. (1975). The dynamics of deserts and droughts. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 101, 193–202
  7. ↑ Chen, T., S. Zhou, C. Liang et al. (2020): The Greening and Wetting of the Sahel Have Leveled off since about 1999 in Relation to SST. Remote Sensing. 2020; 12(17):2723.
  8. ↑ Tschakert, P., R. Sagoe, G. Ofori-Darko, S.N. Codjoe (2010): Floods in the Sahel: an analysis of anomalies, memory, and anticipatory learning, Climatic Change 103, 471-502, DOI 10.1007/s10584-009-9776-y
  9. ↑ Tazen, F., A. Diarra, R.F. Kabore et al. (2019): Trends in flood events and their relationship to extreme rainfall in an urban area of Sahelian West Africa: The case study of Ouagadougou, Burkina Faso. J. Flood Risk Manage. 12, e12507.
  10. ↑ Massazza, G., M. Bacci, L. Descroix et al. (2021): Recent Changes in Hydroclimatic Patterns over Medium Niger River Basins at the Origin of the 2020 Flood in Niamey (Niger), Water 13, 1659
  11. ↑ Aich, V., S. Liersch, T. Vetter et al. (2015): Climate or land use? Attribution of changes in river flooding in the Sahel zone. Water 7, 2796–2820.
  12. ↑ Bass, H.-H., K.v. Freyhold, C. Weisskoeppel (2013): Wasser ernten, Bäume schützen: Ernährungssicherung im Sahel. Bremen: Hochschule Bremen, Fak. Wirtschaftswissenschaften, Institute for Transport and Development. https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:0168-ssoar-325187
  13. ↑ Bichet, A., A. Diedhiou (2018a): West African Sahel has become wetter during the last 30 years but dry spells are shorter and more frequent. Climate Research 75(2):155-162.
  14. ↑ 14,0 14,1 14,2 Monerie, P.A., E. Sanchez-Gomez, M. Gaetani et al. (2020a): Future evolution of the Sahel precipitation zonal contrast in CESM1. Clim Dyn 55, 2801–2821
  15. ↑ Gaetani, M., S. Janicot, M. Vrac et al. (2020): Robust assessment of the time of emergence of precipitation change in West Africa. Sci Rep 10, 7670


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