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16.07.2021

Bewirkt der Klimawandel die heftigen Regenfälle?

Anlass

Nach den sommerlichen Dürren der vergangenen Jahre scheint das Wetter in diesem Jahr in die andere Richtung umzuschlagen: langandauernder und sehr heftiger Starkregen. Die Folgen waren mehrere Tote, Häuser in der Eifel stürzten ein, Dämme und Regenrückhaltebecken überfluteten oder brachen, die Stromversorgung brach offenbar wegen überfluteter Netzstationen zum Beispiel in einigen Stadtteilen von Köln zusammen. Die Frage ist: Sind diese Starkregenfälle noch ein Teil der bisher üblichen Wetter-Varianz, und welchen Anteil hat die Klimaerwärmung?

Übersicht

     

  • Dr. Friederike Otto, Geschäftsführende Direktorin des Environmental Change Institute (ECI), und Associate Professor, Climate Research Programme, University of Oxford
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  • Dr. Jakob Zscheischler, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Erdsystem-Modellierung: Biogeochemische Kreisläufe, Institut für Klima und Umweltphysik (KUP), Universität Bern, Schweiz, und Gruppenleiter, Department of Computational Hydrosystems, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Leipzig
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  • Prof. Dr. Stefan Rahmstorf, Professor im Fach Physik der Ozeane, Leiter des Forschungsbereiches Erdsystemanalyse, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Potsdam
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  • Prof. Dr. Douglas Maraun, Leiter der Forschungsgruppe Regionales Klima, Associate Professor Wegener Center für Klima und Globalen Wandel, Karl-Franzens-Universität Graz, Graz
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  • Dr. Carl-Friedrich Schleussner, Forschungsgruppenleiter, Geographisches Institut, Humboldt-Universität zu Berlin, und Head of Climate Science, Climate Analytics
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  • Dr. Sebastian Sippel, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Klimaphysik, Institut für Klima und Atmosphäre, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz
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  • Dr. Christian Grams, Nachwuchsgruppenleiter,
    und Dr. Julian Quinting, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Arbeitsgruppe Großräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit, Institute für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen
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Statements

Dr. Friederike Otto

Geschäftsführende Direktorin des Environmental Change Institute (ECI), und Associate Professor, Climate Research Programme, University of Oxford

„Bei den extremen Niederschlägen, die wir in den letzten Tagen in Europa erleben, handelt es sich um Extremwetter, deren Intensität sich durch den Klimawandel verstärkt und mit zunehmender Erwärmung weiter verstärken wird. Das wissen wir sowohl aus der Physik als auch von Beobachtungen und Klimaprojektionen. Allerdings ist die Erhöhung der Häufigkeit des Auftretens solcher Starkregenfälle geringer als bei Hitzeextremen.“

„Dass derartige Starkregenfälle so dramatische Konsequenzen haben, liegt zu einem großen Teil an der Versiegelung der Böden.“

Dr. Jakob Zscheischler

Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Erdsystem-Modellierung: Biogeochemische Kreisläufe, Institut für Klima und Umweltphysik (KUP), Universität Bern, Schweiz, und Gruppenleiter, Department of Computational Hydrosystems, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Leipzig

„Schon vor mehr als zehn Jahren hat die Klimaforschung vorausgesagt, dass extreme Niederschläge mit dem Klimawandel stärker ausfallen und häufiger vorkommen werden. Das hängt vor allem damit zusammen, dass eine wärmere Atmosphäre mehr Wasserdampf aufnehmen kann, welcher dann bei einem Niederschlagsereignis als Regen fällt. In den letzten Jahren konnte man diesen Zusammenhang auch von Beobachtungsdaten ableiten und damit die Theorie bestätigen. In der Zukunft werden solche Starkniederschläge also noch extremer werden, solange wir weiterhin CO2 ausstoßen.“

Prof. Dr. Stefan Rahmstorf

Professor im Fach Physik der Ozeane, Leiter des Forschungsbereiches Erdsystemanalyse, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Potsdam

„Das Wettergeschehen ist heute immer ein Zusammenspiel aus dem üblichen Wetterzufall und den veränderten Randbedingungen durch die stark erhöhte Treibhausgasmenge in unserer Atmosphäre. Bei Hitzerekorden sind manche derart extrem, dass sie ohne Erderwärmung praktisch unmöglich wären, wie jüngst im Westen Nordamerikas.“

„Bei Niederschlagsextremen ist die Zunahme noch nicht so groß, weil die natürlichen Schwankungen im Vergleich zum Effekt der Erderwärmung stärker sind. Man kann daher nicht sagen, ob dieses Ereignis eine Folge der Erderwärmung ist, aber man kann festhalten, dass derartige Ereignisse durch die Erderwärmung häufiger werden.“

„Schon vor über 30 Jahren [1] haben Klimamodelle vorhergesagt, dass Extremniederschläge häufiger werden, während Tage mit schwachem Regen seltener werden. Das ist eine Folge der Physik: Pro Grad Erwärmung kann die Luft sieben Prozent mehr Wasserdampf aufnehmen und dann auch abregnen. Weil mehr Wasser an starken Regentagen fällt, bleibt weniger für den Rest der Zeit. Denn der Wasserdampfnachschub durch Verdunstung nimmt nur um zwei bis drei Prozent pro Grad Erwärmung zu und kann daher die Zunahme um sieben Prozent pro Grad nicht ausgleichen.“

„Die Zunahme der Starkregen und Abnahme von Tagen mit schwachem Regen ist inzwischen auch in den Messdaten gut nachgewiesen, vor allem in den mittleren nördlichen Breiten, zu denen auch Deutschland gehört.“

„Ein weiterer in der Forschung viel diskutierter Effekt ist die Abschwächung der Sommerzirkulation [2] der Atmosphäre, die zu weniger Wetterwechsel und länger anhaltenden Wetterlagen führt – so werden ein paar heiße Tage zur Hitzewelle, ein ‚steckengebliebenes‘ Tief führt zu Dauerregen. Das hat mit der Tatsache zu tun, dass die Arktis sich in den letzten Jahrzehnten dreimal so stark erwärmt hat wie der Rest der Erde. Dadurch schwächt sich das Temperaturgefälle von den Subtropen zum Pol ab, das die typische Luftbewegung von Westen nach Osten in den mittleren Breiten antreibt.“

Prof. Dr. Douglas Maraun

Leiter der Forschungsgruppe Regionales Klima, Associate Professor Wegener Center für Klima und Globalen Wandel, Karl-Franzens-Universität Graz, Graz

„Das Unwetter wurde durch Tief Bernd ausgelöst, das feuchte und warme Luft nach Deutschland gebracht hat. Zudem ist das Tief sehr stabil und nur langsam weitergezogen, sodass die starken Regenfälle vor allem auch sehr langanhaltend waren. Laut dem Deutschen Wetterdienst hat es eine vergleichbare Wetterlage zuletzt vor 15 Jahren gegeben.“

„Solche Wetterlagen treten ganz natürlich auch ohne Klimawandel auf, und auch ohne Klimawandel wären die Niederschläge heftig gewesen. Allerdings kann wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Man kann deshalb davon ausgehen, dass der Klimawandel die Niederschläge gestern um sicher 10 bis 20 Prozent verstärkt hat.“

Auf die Frage, ab wann man von einem Extremwetter-Ereignis spricht, wodurch diese zustande kommen und wie genau man diese auf den Klimawandel zurückführen kann:
„Eine genau definierte Grenze gibt es nicht. Man beschreibt die Stärke eines Extremereignisses durch die Jährlichkeit: Alle wie viel Jahre erwartet man im Mittel ein vergleichbares Ereignis? Je nachdem, wer oder was betroffen ist, können unterschiedliche Jährlichkeiten relevant sein: Die Kanalisation ist häufig auf Jährlichkeiten von wenigen Jahren ausgelegt, ein Damm sollte einem 100-Jahres-Ereignis standhalten, ein Kernkraftwerk einem 10.000-Jahres-Ereignis.“

„Extremereignisse entstehen meist durch das Zusammenspiel verschiedener Faktoren, zum Beispiel eine auslösende Wetterlage, dazu besonders feuchte und warme instabile Luft, vielleicht auch ein mit Wasser gesättigter Boden, und vielleicht eine zufällig sehr ungünstige Lage: Vor einigen Jahren gab es in Schleswig-Holstein eine Konvergenzlinie, an der feuchte Luft aufgestiegen ist und sich abgeregnet hat. Dummerweise ist das genau über einer Senke passiert, in der sich alles Wasser gesammelt hat. Der Ort Gelting wurde damals überflutet.“

„Der Klimawandel beeinflusst vor allem alle Faktoren, die direkt an die Temperatur gekoppelt sind: Starkniederschläge können stärker werden, weil mehr Luftfeuchte zur Verfügung stehen kann, Hitzewellen werden heißer und Dürren trockener, weil der Boden stärker austrocknen kann. Starkniederschläge können um 7 bis 14 Prozent pro Grad globaler Erwärmung intensiver werden. Aber der Klimawandel kann prinzipiell auch die Häufigkeit und Dauer von Wetterlagen beeinflussen, die Extremwetter auslösen. Wie stark dieser indirekte Einfluss ist, und ob der tatsächlich verstärkend wirkt, ist aber noch unklar, siehe dazu mein Essay auf Spiegel Online [3].“

Auf die Frage, inwiefern Extremwetter-Ereignisse in naher Zukunft zunehmen werden und welche besonders zu erwarten sind:
„Auch hier gilt: Die an die Temperatur gekoppelten Effekte werden relativ schnell spürbar stärker werden. Hitzewellen werden heißer werden, Dürren trockener, Starkregen intensiver. Ihre Häufigkeit und Dauer sind aber sehr stark von natürlichen Klimaschwankungen bestimmt, die in den nächsten Jahrzehnten den Klimawandel überlagern. Es ist deshalb unklar, ob Dürresommer wie der von 2018, Hitzewellen wie die aktuell in Kanada oder Starkregen wie der in NRW in den nächsten 20 bis 30 Jahren häufiger werden. Doch wenn sie auftreten, werden sie heftiger ausfallen.“

Dr. Carl-Friedrich Schleussner

Forschungsgruppenleiter, Geographisches Institut, Humboldt-Universität zu Berlin, und Head of Climate Science, Climate Analytics

„Im Jahre 2021 stellt sich nicht mehr die Frage, ob der Klimawandel dazu beigetragen hat. Die Frage ist nur noch, wieviel. Wir wissen, dass es aufgrund der Erwärmung zu einer Zunahme von Starkregen kommt und damit auch leider zu häufigeren, verheerenden Flutereignissen wie tragischerweise jetzt in Westdeutschland, Belgien und Luxemburg. Gleichzeitig nehmen Wetterlagen zu, die zu solchen Extremwetterereignissen führen.“

Dr. Sebastian Sippel

wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Klimaphysik, Institut für Klima und Atmosphäre, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz

„Es ist nach wie vor sehr schwierig, Einzelereignisse kausal auf den Klimawandel zurückzuführen. Das dürfte auch für den aktuellen Starkregen gelten. Jedoch kann die Attributionsforschung mittlerweile in vielen Fällen aufzeigen – zum Beispiel für viele Hitzeereignisse und Starkregen –, dass die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten solcher Ereignisse, wie auch häufig die Intensität solcher Ereignisse, durch den Klimawandel zunehmen. Das ist auch durch physikalische Gesetzmäßigkeiten und Analysen von Trends in Beobachtungsdaten vielfach belegt – unten mehr zu diesen beiden Punkten.“

„In der Attributionsforschung konnte zum Beispiel gezeigt werden, dass Starkregenereignisse im Mai und Juni 2016 in Frankreich, die zu Überschwemmungen an der Seine und Loire führten, durch den Klimawandel etwa doppelt so häufig auftreten [4]. Dennoch kann dies nicht für jedes Ereignis gezeigt werden, denn beispielsweise für Starkregen im Mai und Juni 2013 an Elbe und Donau konnte kein signifikanter Einfluss gezeigt werden [5]. Für das aktuelle Ereignis gibt es noch keine solche Studie.“

„Pro ein Grad Celsius Temperaturerhöhung kann die Atmosphäre etwa sieben Prozent mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Diese durch Erwärmung zusätzliche Feuchte führt daher in der langfristigen Tendenz zu höheren Niederschlagsmengen, insbesondere bei Starkregen. Es ist daher aufgrund dieser einfachen physikalischen Gesetzmäßigkeit davon auszugehen, dass langfristig in den mittleren Breiten Starkregenereignisse zunehmen, obwohl auch die natürliche Variabilität bei Niederschlagsereignissen sehr groß ist – was unter anderem bei potenzieller Zuordnung zum Klimawandel berücksichtigt werden muss, siehe oben. Diese langfristige Zunahme von Starkregenereignissen ist vielfach in Beobachtungsdaten belegt [6]. Abgesehen von der Zunahme von Starkregenereignissen ist insbesondere eine Zunahme von Hitzewellen zu erwarten.“

Dr. Christian Grams

Nachwuchsgruppenleiter, Arbeitsgruppe Großräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit, Institute für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen

Dr. Julian Quinting

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Arbeitsgruppe Großräumige Dynamik und Vorhersagbarkeit, Institute für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen

„In der Nacht zu Donnerstag, 15. Juli 2021, gingen Regenmengen von mehr als 150 Litern pro Quadratmeter in kurzer Zeit über Teilen von Rheinland-Pfalz, Nordrhein-Westfalen, Belgien, Luxemburg, und Nordfrankreich nieder. Wettervorhersagemodelle hatten dieses Ereignis seit Tagen angedeutet und bereits drei Tage im Voraus zeichneten sich für die betroffenen Regionen sehr hohe Niederschlagsmengen ab. Entsprechend warnte der Deutsche Wetterdienst frühzeitig vor extremem Niederschlag und Hochwasser. Leider konnte dennoch insbesondere in den westdeutschen Mittelgebirgsregionen eine Flutkatastrophe nicht abgewendet werden und es sind viele Todesopfer und Sachschäden zu beklagen. Besonders betroffen ist die Eifel, wo beispielsweise der Pegel der Ahr in Altenahr die bisherige Rekordmarke von 3,71 Metern vom Juni 2016 um mehr als 2 Meter übertraf, bis die Messung bei 5,75 Metern ausfiel.“

„Meteorologisch führten verschiedene Faktoren zu den enormen Niederschlagsmengen. Eingebettet in eine stark ausgelenkte Höhenströmung und festgehalten von stationären Hochdruckgebieten über dem Atlantik und Nordosteuropa wurde Tief ‚Bernd‘ in den letzten Tagen nahezu ortsfest über Mitteleuropa. Zunächst steuerte das Tief aus dem Mittelmeerraum sehr feuchte und warme Luft nach Deutschland und löste bereits am Wochenende vielerorts lokalen Starkregen und Hagelunwetter aus. Von Westen wurde gleichzeitig kühlere Atlantikluft herangeführt. Am Mittwoch steuerte Tief ‚Bernd‘ nun die warme Mittelmeerluft von der Nordsee und Osteuropa her zurück nach Süden wo sie über Westdeutschland und Benelux über die kühlere Luftmasse südwärts aufstieg, was zu den extremen Niederschlagsmengen führte. Zusätzlich waren die Böden in Mitteleuropa aufgrund der Niederschläge in den letzten Wochen gesättigt. Das stark gegliederte Gelände der betroffenen Region mit teils tief eingeschnittenen Flusstälern verstärkte weiterhin den Oberflächenabfluss. All diese Faktoren führten zusammengenommen letztlich zur verheerenden Flutkatastrophe von Juli 2021.“

„Zwangsläufig stellen sich die Fragen, wie ungewöhnlich das Ereignis war, ob es mit dem Klimawandel zu tun hat, und ob man sich in Zukunft verstärkt auf solche Extremereignisse einstellen muss. Von Extremereignissen spricht man, wenn eine Kenngröße, wie zum Beispiel die Niederschlagsmenge, am Rande des Spektrums vergangener Messwerte liegt – zum Beispiel im oberen Prozent der je aufgetretenen Messwerte – oder bisher gemessene Werte sogar überschreitet. Das aktuelle Ereignis lag für viele Kenngrößen außerhalb jeglicher bisheriger Beobachtungen.“

„Die sehr hohen Niederschlagsmengen in kurzer Zeit, das relativ große betroffene Gebiet und die hohen Abflussmengen kleiner und mittlerer Bäche und Flüsse sind extrem.

Christian Grams: ‚Vergleichbare Wetterlagen betrafen in der Vergangenheit eher das Erzgebirge und die Alpen.‘ [7] Prof. Dr. Andreas Fink: ‚Doch sollte das Augenmerk auf dem hohen Wassergehalt der Luftmasse im Kontext der Klimaerwärmung liegen. Der Wassergehalt erreichte Werte, die statistisch gesehen nur alle 40 Jahre zu erwarten sind.‘ [8]

Dr. Julian Quinting: ‚Physikalische Gesetze sagen uns, dass wärmere Luftmassen mehr Wasserdampf speichern können – in etwa 7 Prozent mehr pro Grad Celsius Erwärmung.‘

Dieser steht dann für Niederschlag zur Verfügung. Dies verändert die Stärke möglicher Niederschlagsereignisse, so dass auch bisher unbeobachtete Extremniederschläge möglich werden.

Dr. Julian Quinting: ‚Dabei können in Zukunft bei entsprechenden meteorologischen Faktoren die kurzfristigen Extremniederschläge auch mehr als 7 Prozent ansteigen.‘“

„Daher ist es so, dass wir vor dem Hintergrund der Klimaerwärmung generell bei uns mit mehr und stärkeren Extremereignissen rechnen müssen. Dies betrifft nicht nur Starkregenereignisse, sondern auch Hitze- und Dürreperioden. Denn wäre die Höhenströmung einige tausend Kilometer nach Westen verschoben, würden wir jetzt eine Hitzewelle erleben wie gerade in Nordosteuropa oder bei uns in den letzten Jahren. Und auch solche Hitzewellen werden vor dem Hintergrund der Klimaerwärmung extremer als bisher beobachtet. Dass ortsfeste Wettermuster – wie zuletzt häufig beobachtet – durch den Klimawandel verstärkt auftreten, wird von vielen Expert*innen vermutet und ist gegenwärtig Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Forschung.“

Als Hintergrund zu ihrer Forschung geben Dr. Grams und Dr. Quinting folgendes an:
„Mehrere Arbeitsgruppen des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung – Department Troposphärenforschung (IMK-TRO) des KIT leisten Grundlagenforschung zum besseren Verständnis solcher Extremwetterereignisse, wie zum Beispiel in dem vom BMBF geförderte Projekt ‚ClimXtreme‘ und der Helmholtz Nachwuchsgruppe ‚SPREADOUT‘. Hier werden die Dynamik und Auswirkung großräumiger Strömungsmuster und des regionalen Klimawandels auf Extremereignisse wie Hitzewellen und Fluten im heutigen und zukünftigen Klima erforscht. Die Verbesserung von computergestützten Wettervorhersagen ist Ziel des Sonderforschungsbereich ‚Waves to Weather‘.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Dr. Friederike Otto: „Keine Interessenskonflikte.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Fischer EM et al. (2016): Observed heavy precipitation increase confirms theory and early models. Nature Climate Change; 6: 986-991. DOI: 10.1038/nclimate3110.

[2] Coumou D et al. (2015): The weakening summer circulation in the Northern Hemisphere mid-latitudes. Science; 348 (6232): 324-327 DOI: 10.1126/science.1261768.

[3] Maraun D (30.06.2019): Das Wetterproblem. Spiegel.de.

[4] Philip S et al. (2018): Validation of a rapid attribution of the May/June 2016 flood-inducing precipitation in France to climate change. Journal of Hydrometeorology; 19 (11): 1881-1898. DOI: 10.1175/JHM-D-18-0074.1.

[5] Schaller N et al. (2014): The Heavy Precipitation Event of May–June 2013 in the upper Danube and Elbe basins. Bulletin of the American Meteorological Society 95.

[6] Lehmann J et al. (2015): Increased record-breaking precipitation events under global warming. Climatic Change; 132 (4): 501-515. DOI: 10.1007/s10584-015-1434-y.

[7] Grams C et al. (2014): Atmospheric processes triggering the central European floods in June 2013. Nat. Hazards Earth System Science; 14: 1691-1702. DOI: 10.5194/nhess-14-1691-2014.

[8] Ulbrich U et al. (2003): The central European floods in August 2002. Part II: Synoptic causes and considerations with respect to climate change. Weather; 58 (10): 434-442. DOI: 10.1256/wea.61.03B.

Weitere Recherchequellen

Science Media Center (2018): Häufigere sommerliche Extremwetter in Zukunft wahrscheinlich. Research in Context. Stand: 21.10.2018.

Science Media Center (2020): Auswirkungen von Extremwetter auf Energiesysteme. Research in Context. Stand: 17.02.2020.

Imada Y et al. (2020): Advanced risk-based event attribution for heavy regional rainfall events. npj Climate and Atmospheric Science; 3 (37). DOI: 10.1038/s41612-020-00141-y.

O'Gorman PA (2015): Precipitation Extremes Under Climate Change. Current Climate Change Reports; 1: 49-59. DOI: 10.1007/s40641-015-0009-3.

Fischer EM (2015): Anthropogenic contribution to global occurrence of heavy-precipitation and high-temperature extremes. Nature Climate Change; 5: 560-564. DOI: 10.1038/nclimate2617.

Dr. Sebastian Sippel gibt folgende Quellen zur weiteren Recherche an:

WDR aktuell (12.07.2021): Studiogespräch: Stefan Rahmstorf, Klima- und Meeresforscher an der Uni Potsdam.

Prof. Dr. Reto Knutti (25.06.2021): Twitter-Thread zur Attribution der Regenfälle Ende Juni in der Schweiz.

Klimafakten.de (29.06.2021): Neuer Faktencheck: Was sagt die Forschung über den Zusammenhang von Klimawandel und Extremwettern?