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01.05.2019

Menschlicher Einfluss auf die Entstehung von Dürren

Anlass

Der Mensch könnte über seinen Einfluss auf das globale Klima auch großen Einfluss auf die Häufigkeit und Länge von Dürren nehmen. Steigende Treibhausgas- und Aerosol-Emissionen sind dabei die wesentlichen Treiber. Zu diesem Ergebnis kommt eine aktuelle Studie eines Teams um die Klimaforscherin Kate Marvel vom NASA Goddard Institute for Space Studies in New York.

Es ist bisher ausgesprochen schwierig, den menschlichen Einfluss über das Klima auf das Entstehen von Dürren zweifelsfrei festzustellen. Zu groß sind die natürlichen Schwankungen, zu kurz die Beobachtungszeiträume. Der 5. Sachstandsbericht des Weltklimarates IPCC beschreibt daher auch die Wahrscheinlichkeit, dass veränderte Dürremuster – Länge und/oder Intensität von Dürren – auch vom Menschen verursacht werden, mit ‚low confidence’ [a].

Die Autoren der aktuellen Studie identifizieren nun drei verschiedene Perioden, in denen der Mensch unterschiedlichen Einfluss auf die Entstehung von Dürren genommen hat. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts sei eine klare Verbindung von steigenden CO2-Emissionen und steigendem Dürre-Risiko zu finden. Zwischen 1950 und 1975 kehrt sich der menschliche Einfluss um – die Wissenschaftler erklären dies mit massiven Aerosol-Emissionen, die zu stärkerer Wolkenbildung und somit häufigeren Niederschlägen geführt haben. Seit Beginn der 1980er Jahre findet sich wieder ein Anstieg des Dürre-Risikos, auch wenn dies noch nicht eindeutig auf die hohen CO2-Emissionen zurückzuführen sei.Die Studie ist am 1. Mai 2019 im Fachjournal Nature erschienen (siehe Primärquelle).

 

Übersicht

  • Prof. Dr. Douglas Maraun, Leiter der Forschungsgruppe Regionales Klima, Wegener Center für Klima und Globalen Wandel, Universität Graz, Österreich
  • Prof. Dr. Daniela Jacob, Direktorin, Climate Service Center Germany – Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Hamburg
  • Prof. Dr. Sonia I. Seneviratne, Professorin am Center für Klimasystem-Modellierung, Institut für Atmosphäre und Klima (IAC), Department Umweltsystemwissenschaften, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Schweiz
  • Dr. Stefan Hagemann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Regionale Atmosphärenmodellierung, Bereich Systemanalyse und Modellierung, Institut für Küstenforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material und Küstenforschung (HZG), Geesthacht
  • Prof. Dr. Andreas Fink, Arbeitsgruppe Atmosphärische Dynamik, Department Troposphärenforschung, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe
  • Prof. Dr. Gabriele Hegerl, Professorin für Climate System Science, Forschungsgruppe Atmospheric Chemistry and Climate of the Anthropocene, School of Geosciences, University of Edinburgh, Vereinigtes Königreich

Statements

Dr. Douglas Maraun

Leiter der Forschungsgruppe Regionales Klima, Wegener Center für Klima und Globalen Wandel, Universität Graz, Österreich

„Die Studie von Marvel et al. untersucht den Einfluss des Menschen auf Bodenfeuchte-Dürre in verschiedenen Regionen. Die Ergebnisse sind zu erwarten: Der Trend im Fingerprint – also der Einfluss des Menschen – sieht dem Temperaturtrend der letzten 100 Jahre sehr ähnlich; Temperatur steuert die potenzielle Evapotranspiration (Verdunstung und Vegetationstranspiration), eine wesentliche Eingangsgröße des benutzten Palmer Drought Severity Index. Wie stark der Fingerprint – und deshalb der Einfluss des Menschen – ist, unterschlagen die Autoren jedoch. Die Analyse des Einflusses von Aerosolen ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Allerdings ist die Hypothese konsistent mit anderen Studien, die einen Einfluss von Aerosolen auf den Temperaturtrend aufzeigen.“

„Die Studie lässt jedoch keine Rückschlüsse auf den Sommer 2018 zu. Das Besondere dieses Sommers war das Ausbleiben von Niederschlag über mehrere Monate. Dieses Phänomen wurde in der Studie nicht betrachtet und jetzige Wettervorhersage- und Klimamodelle sind noch nicht gut genug, um solche langen Trockenperioden zu simulieren. Ob diese in der Zukunft häufiger oder eventuell sogar seltener werden, ist in der Forschung umstritten. Diese Studie zeigt lediglich, dass der Boden bei einem vergleichbaren Ereignis in der Zukunft noch trockener würde, schlicht weil die Temperaturen steigen.“

„Es gibt verschiedene Formen der Dürre. Meteorologische Dürre bezeichnet zunächst das Ausbleiben von Niederschlag über längere Perioden. Typischerweise wird diese Form durch die maximale Zahl aufeinanderfolgender Trockentage in einem Jahr beschrieben. Bodenfeuchte-Dürre bezeichnet das Austrocknen des Bodens durch Evapotranspiration (Verdunstung und Transpiration der Pflanzen) in einer Trockenperiode. Weiterhin gibt es noch landwirtschaftliche Dürren, wenn Ernteschäden resultieren.“

Auf die Frage, ob die aktuelle Studie etwas an der Einschätzung im 5. IPCC-Sachstandsbericht ändert, in dem der menschliche Einfluss auf veränderte Dürremuster mit „low confidence“ beschrieben wird:
„Die IPCC-Einschätzung bezieht sich auf Bodenfeuchte-Dürren. Die Einstufung ‚low confidence’ resultiert vor allem aus der Tatsache, dass es keine flächendeckenden Bodenfeuchte-Messungen gibt und daher Indizes wie der für die Studie genutzte Palmer Drought Severity Index betrachtet werden, die aus Temperatur, Niederschlag und anderen Größen – zum Beispiel Wind und Strahlung – berechnet werden. Je nach benutzten – teilweise sehr unsicheren – Eingangsdaten und genauer Berechnungsmethode ergeben sich hier widersprüchliche Ergebnisse.“

„Mir sind zwei globale Studien zu beobachteten Dürre-Änderungen bekannt, die sowohl von Marvel et al. als auch vom 5. IPCC-Sachstandsbericht zitiert werden und deren Daten auch in die Studie einfließen [1][2]. Die aktuelle Studie nutzt zusätzlich Dürre-Atlanten, basierend auf Baumring-Rekonstruktionen, die teilweise mehrere Jahrhunderte zurückreichen, vor allem um natürliche Schwankungen in vorindustrieller Zeit abzuschätzen. Darüber hinaus werden aber keine zusätzlichen Regionen betrachtet. Im Gegenteil sind die Analysen auf einige Regionen beschränkt, während die anderen Studien global waren. Zu Afrika und Südamerika etwa gibt es keine speziell neuen Ergebnisse über Dürreänderungen.“

„Die Hauptaussage der Studie ist allerdings etwas fragwürdig, da ein wesentliches Ergebnis nicht genannt wird: Es wird zwar ein Fingerprint gefunden, allerdings ist nicht klar, wie stark dieser Fingerprint – also der Einfluss des Menschen – wirklich ist.“

„Der Vergleich von Palmer Drought Severity Index (PDSI) basierten Ergebnissen mit anderen Dürreindizes (siehe Fig. 2b und c in der aktuellen Studie; Anm. d. Red.) hilft zumindest prinzipiell, bestehende Widersprüche zwischen älteren Studien aufzulösen: Die resultierenden Fingerprints sind ähnlich – allerdings muss einschränkend gesagt werden, dass nur Fingerprints gezeigt werden und nicht klar ist, wie ähnlich sich die tatsächlichen Dürrezeitreihen sind.“

„Die Studie erweitert das aktuelle Wissen, um den Dürresommer 2018 richtig einzuordnen, gar nicht. Das Besondere an der Dürre 2018 war das Ausbleiben des Niederschlags über mehrere Monate – also der meteorologische Aspekt. Inwieweit dieser Aspekt durch den Klimawandel beeinflusst ist, ist – im Gegensatz zur medialen Diskussion – in der Wissenschaft sehr umstritten, da jetzige Wettervorhersage- und Klimamodelle solche Ereignisse nicht richtig simulieren können. Zum Beispiel haben typische Wettervorhersagemodelle während der Dürre 2018 immer wieder deren Ende vorausgesagt.“

„Die vorliegende Studie betrachtet jedoch Bodenfeuchte-Dürren. Diese sind stark temperaturgetrieben: je höher die Temperatur, desto höher die Verdunstung. Wenn Niederschlag und andere Faktoren kaum langfristige Trends aufweisen, erwartet man also ein Signal, das in etwa dem Verlauf der globalen Mitteltemperatur entspricht – genau dieses finden die Autoren. Über Änderungen in der Länge von Trockenperioden sagt die Studie nichts aus.“

„Die Methodik ist im Wesentlichen in Ordnung. Es wird eine aktuelle Version des Palmer Drought Severity Index (PDSI) benutzt, die in den letzten Jahren gefundene Fehler berücksichtigt. Allerdings betrachtet der PDSI nicht die tatsächliche Evapotranspiration, sondern die potenzielle, also die, die auftreten würde, wenn genügend Feuchte zur Verfügung steht. In trockenen Regionen ist diese Größe kein sinnvolles Dürremaß. Wahrscheinlich ist das simulierte Signal jedoch zu stark, da der PDSI nicht berücksichtigt, dass Pflanzen bei hohen Temperaturen und hohem CO2-Gehalt ihre Spaltöffnungen schließen und dadurch ihre Transpiration verringern. Dies hätte dann Auswirkungen auf die Detektionszeiten und Vertrauenslevel – das würde das Ergebnis aber nicht qualitativ verändern. Gerade auf regionaler Skala zeigen sich die Grenzen des PDSI als Bodenfeuchteindikator – siehe zum Beispiel den Unterschied zwischen Fig. 2a, b, und c für Alaska.“

„Die größten Probleme sehe ich bei der Detektions- und Attributionsanalyse. Zunächst geben die Autoren nicht an, wie viel der Jahr-zu-Jahrschwankungen im PDSI durch den Fingerprint erklärt werden. Normalerweise wird dies in ‚Prozent erklärter Varianz’ angegeben. Wenn dieser Wert hoch ist, ist der Fingerprint deutlich sichtbar, wenn er klein ist, ist das Signal schwach im Vergleich zu natürlichen Schwankungen. Wie hoch der Wert ist, wird nicht angegeben. Bei der Berechnung des Signal-to-Noise-Ratio werden die natürlichen Schwankungen auf den Fingerprint projiziert, das heißt: Schwankungen, die räumlich anders aussehen als der Fingerprint, werden herausgefiltert und gar nicht betrachtet.“

„Die Ergebnisse der Attributionsanalyse zu Aerosolen sind einerseits sehr unsicher, andererseits aber auch zu erwarten. Der Fingerprint wird über einen sehr kurzen Zeitraum abgeschätzt (1950-1975) und wird aus Simulationen gewonnnen, die alle Klimatreiber – CO2, Aerosole, Sonne, Vulkane – enthalten. Der Fingerprint ist deshalb deutlich von natürlichen Schwankungen und eventuell anderen Treibern überlagert und erklärt nur einen sehr kleinen Teil der Dürre-Änderungen.“

„Allerdings gibt es unabhängige Evidenz, dass Aerosole für das Absinken der Temperatur nach dem 2. Weltkrieg mitverantwortlich waren – da in dieser Studie vor allem ein Temperatursignal gefunden wird, ist der Schluss, dass ein Aerosoleinfluss gefunden wird, also trotzdem recht naheliegend.“

„Das RCP-8.5-Szenario (RCP: Representative Concentration Pathway; vier für den 5. IPCC-Bericht vorgestellte Szenarien zur künftigen Entwicklung des Treibhauseffektes; RCP8.5 ist das Szenario mit den stärksten CO2-Emssionen und einem Temperaturanstieg von 4,8°C; Anm. d. Red.) wurde hier sinnvollerweise benutzt, um ein möglichst großes Signal-Rausch-Verhältnis in der Bestimmung des Fingerprints zu bekommen, es wurden aber nur Analysen für die Vergangenheit durchgeführt. Allerdings kann man die zu erwartenden Dürre-Änderungen für ein RCP4.5 (RCP4.5 führt zu 2,6 °C Temperaturanstieg, Anm. d. Red.) relativ leicht aus dem Fingerprint von RCP8.5 bekommen. Man skaliert einfach mit dem globalen Temperaturanstieg in beiden Szenarien um. Dieses sogenannte Pattern-Scaling funktioniert gut, solange der Klimawandel nicht so stark wird, dass Tipping-Points überschritten werden, was in den nächsten 100 Jahren eher unwahrscheinlich ist."

Auf die Frage, warum der Einfluss der Aerosole im Zeitraum 1950-1975 ein anderer war als in den beiden anderen betrachteten Perioden, wenn doch die Emission von Treibhausgasen häufig einhergeht mit der Emission von Aerosolen:
„Wie oben beschrieben ist das Ergebnis im Wesentlichen trivial. Das Signal, das gefunden wurde, ist stark temperaturgetrieben. Es ist bekannt, dass wir in der Zeit 1950 bis 1975 einen starken Einfluss von Aerosolen hatten, da Emissionen aus Kraftwerken damals noch ungefiltert waren. Später wurde der Ausstoß von Aerosolen stark reduziert, so dass die kühlende Wirkung verringert wurde. Ein Einfluss davor und danach wurde in der Studie nicht untersucht beziehungsweise konnte auch nicht untersucht werden, da ja keine isolierten Treibhausgas- und Aerosol-Fingerprints berechnet wurden.“

Auf die Frage, welche Erkenntnisse es braucht, um das Signal der Periode 1980 bis heute sicher von der natürlichen Variabilität abzugrenzen und warum dies trotz der massiven CO2-Emissionen in dieser Zeit schwierig ist:
„Wie von den Autoren geschrieben, gab es von 1998 bis 2014 den sogenannten Global Warming Hiatus – die Pause der Erderwärmung. In der gesamten Periode ist der Temperaturtrend und sein Einfluss auf Dürren klein, andere Faktoren dominieren. Eine sichere Detektion erhält man nur, indem man wartet, bis das Signal wieder aus den natürlichen Schwankungen hervortritt. Seit etwa 2015 steigen die Temperaturen wieder deutlich, in einigen Jahren sollte dies also möglich sein.“

Prof. Dr. Daniela Jacob

Direktorin, Climate Service Center Germany – Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Hamburg

„Diese Studie stützt die Ergebnisse des IPCC und ergänzt mit neuen Analysen. Nach wie vor ist jedoch eine Attribution von Dürren an den Klimawandel schwierig. Hier verbinden die Autoren die Dürre-Indizes in einem globalen Dürre-Atlas mit menschlichem Handeln. Dies erklärt in Teilen den Anstieg in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts und den Rückgang durch verstärkte Aerosol-Konzentrationen in der Atmosphäre. Allerdings sollten detailliertere Studien diese Effekte weiter analysieren und vor allen im Detail erklären.“

Auf die Frage, ob sich etwas über die Auswirkungen in den Gebieten ableiten lässt, die in der Studie nicht berücksichtigt werden:
„Dürren in Afrika und Südamerika sind leider weiterhin nicht so einfach auf den Klimawandel zurückzuführen. Die in der Studie genutzte Methode zeigt dort keine Signale.“

Auf die Frage, inwieweit die Studie das aktuelle Wissen erweitert, um den Dürresommer 2018 richtig einzuordnen:
„Die Studie ist ein weiterer wichtiger Baustein zur Erklärung der Veränderungen. Allerdings gibt es so viele verschiedene Faktoren, die Dürren in verschiedenen Regionen der Erde sehr unterschiedlich beeinflussen, so dass die Analyse zum Beispiel aus globalen Zirkulationsmodellen nur geeignet ist, um Studien zum Einfluss der Aerosole oder der CO2-Veränderungen herauszuarbeiten. Wassernutzung und anderes sind meist nicht enthalten. Die Variabilität, die diese Studie zeigt, hilft jedoch, auch die jüngsten Ereignisse etwas einschätzen.“

„Die Autoren waren sehr sorgfältig. Sie haben sowohl Beobachtungsdatensätze als auch Ergebnisse von generellen Zirkulationsmodellen (GCM) verwendet, um die Bandbreite der Variabilität abzuschätzen. Die rekonstruierten Beobachtungen stützen die Modellergebnisse, was zu mehr Vertrauen in diese für zukünftige Zeiträume führt. Allerdings haben viele GCM in vielen Regionen der Erde Schwächen bei der Niederschlagsmodellierung. Diese Schwächen beeinflussen natürlich die Ergebnisse direkt. Das betrachtete RCP8.5-Szenario ist ein starkes Szenario. Man kann die Ergebnisse der Studie nicht so einfach auf andere Szenerien mit weniger CO2-Emissionen herunterskalieren – wegen der starken Variabilität und Nichtlinearität in den Niederschlägen.“

Auf die Frage, warum der Einfluss der Aerosole im Zeitraum 1950-1975 ein anderer war als in den beiden anderen betrachteten Perioden, wenn doch die Emission von Treibhausgasen häufig einhergeht mit der Emission von Aerosolen:
„Aerosole und Treibhausgas-Verteilung sind nicht direkt gekoppelt. Während die Treibhausgas-Emissionen quasi kontinuierlich anstiegen, sind Aerosole stark an industrielle Aktivitäten und Auflagen gekoppelt. So hat zum Beispiel der Zusammenbruch der Industrie in Raum Bitterfeld nach 1990 zu einer deutlichen Abnahme von Aerosolen geführt. Zur Mitte des 20. Jahrhunderts gab es starken Ausstoß von Schwefel und Ruß-Partikeln durch die Verbrennung von fossilen Energien. Diese trüben nicht nur das Sonnenlicht, sondern sie dienen auch als Keime für Wolkentropfenbildung. Und je mehr Wolken, desto weniger Sonnenstrahlung kommt am Boden an und vor allem umso mehr Regen fällt. Die detaillierte Niederschlagsverteilung liegt mir allerdings hier nicht vor, ebenso wie die vorgeschriebene Entwicklung der Aerosole.“

Auf die Frage, welche Erkenntnisse es braucht, um das Signal der Periode 1980 bis heute sicher von der natürlichen Variabilität abzugrenzen und warum dies trotz der massiven CO2-Emissionen in dieser Zeit schwierig ist:
„Es braucht zum einen klarere Methoden, um die einzelne Gründe, die zur Entstehung und Entwicklung von Dürren führen, und ihre Wechselwirkungen auseinander halten zu können, und um den Einfluss jedes einzelnen Treibers genauer zu verstehen, ebenso wie mögliche Wechselwirkungen untereinander und gegenseitige Verstärkungen. Dann kann der menschliche Einfluss daraus bestimmt werden. Zum anderen braucht es viel mehr hochaufgelöste Simulationen, die die regionalen Niederschlagsverteilungen besser abbilden und die auch durch Variation von CO2 und anderen Parametern einzelne Gründe isolierbar machen können.“

Prof. Dr. Sonia I. Seneviratne

Professorin am Center für Klimasystem-Modellierung, Institut für Atmosphäre und Klima (IAC), Department Umweltsystemwissenschaften, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Schweiz

„Dies ist eine interessante und faszinierende Studie von etablierten Forschern. Sie zeigt, dass sich Hinweise auf Trockenheit in den Aufzeichnungen von Wachstumsringen von Bäumen nachweisen lassen, die durch steigende Treibhausgasemissionen von 1900 bis 1949 verursacht wurden. Andererseits sind die Spuren für die Jahre 1950 bis 1979 weitgehend inkonsistent: Der Aerosolausstoß nahm stark zu, was zu einer regionalen Abkühlung führte, die der Erwärmung durch den Treibhauseffekt entgegenwirkte. Von 1981 bis 2017 sind die Spuren wieder vorhanden, aber noch nicht mit hoher Wahrscheinlichkeit nachweisbar.“

„Dabei muss man beachten, dass die Fläche, die in der Studie untersucht wurde, nicht wirklich den ganzen Globus abdeckt. Viele Regionen sind nicht einbezogen – zum Beispiel Südamerika, Afrika und Nordasien. Der Grund dafür ist der Mangel an Baumringdaten in diesen Regionen. Die Regionen, die in der Studie berücksichtigt sind, schließen einige Gebiete ein, von denen wir schon wussten, dass sie eine Tendenz zur Austrocknung zeigen, vor allem der Mittelmeerraum – dies wurde zum Beispiel im 1,5-Grad-Sonderbericht des IPCC im letzten Jahr mit ‚medium confidence' schon so beschrieben. [3]“

„Auch wenn die Studie nicht wirklich repräsentativ für globale Trends ist, werden dort Tendenzen auf groß-flächigerer Skala festgestellt, als dies in früheren Studien möglich war, aber eher für den Zeitraum 1900 bis 1950 und noch nicht nach 1950.“

Auf die Frage, inwieweit die Studie das aktuelle Wissen erweitert, um den Dürresommer 2018 richtig einzuordnen:
„Diese Studie liefert mehr Kontext zu diesem Thema. Sie zeigt, dass diese neuesten Ereignisse möglicherweise teils einer groß-skaligeren Tendenz in den mittleren Breiten sind. Aber es ist noch zu früh, um dies mit Sicherheit zu schlussfolgern.“

„Die Projektionen werden in der Studie nur bis zum Jahr 2050 analysiert. In den kommenden zehn bis zwanzig Jahren unterscheiden sich die verschiedenen Szenarien (die Studie arbeitet ‚nur‘ mit dem RCP8.5-Szenario, in dem die CO2-Emissionen weiter stark steigen; Anm. d. Red.) noch nicht sehr stark, aber es gäbe schon größere Unterschiede nach 2050. Wenn wir es schaffen, die CO2-Emissionen bis 2030 zu halbieren und bis 2040 auf Null zu bringen – was eine Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5°C wahrscheinlich ermöglichen würde – dann würde man eine mögliche Austrocknungstendenz in den betroffenen Gebieten bremsen können. Dies ist sicher der Fall im Mittelmeerraum.“

Auf die Frage, warum der Einfluss der Aerosole im Zeitraum 1950-1975 ein anderer war als in den beiden anderen betrachteten Perioden, wenn doch die Emission von Treibhausgasen häufig einhergeht mit der Emission von Aerosolen:
„Es gab viel Luftverschmutzung in den Jahren 1950 bis 1975. Mit der erfolgreichen Verbesserung der Luftreinhaltung haben aber die Konzentrationen der Aerosole seitdem stark abgenommen.“

„Am Anfang vom 20. Jahrhunderts spielte nicht nur die Verbrennung von fossilen Energieträgern eine Rolle, sondern auch die Landnutzung – mit Abholzung in vielen Gebieten. Dies hat zu einer Zunahme von CO2 in der Atmosphäre geführt, aber nicht zu einer Zunahme von Aerosol-Konzentrationen. Landnutzung hat eine viel kleinere Rolle seit Mitte des letzten Jahrhunderts in der Klimaerwärmung gespielt.“

„Noch zu beachten: Ich würde nicht die Schlussfolgerungen der Studie in Bezug auf die Rolle von Aerosolen für Trockenheitstendenzen als notwendigerweise global gültig betrachten. Die Gebiete mit Baumringdaten überlappen stark mit Gebieten, in denen es starke Aerosolemissionen zwischen 1950 und 1975 gab – zum Beispiel Europa und Nordamerika. Dies könnte die Ergebnisse beeinflusst haben.“

„Insgesamt erscheinen die Methoden gut, aber ich sehe einige Einschränkungen, die sorgfältig geprüft werden müssen: Erstens sind die Baumringaufzeichnungen nur für einen begrenzten Teil der Welt verfügbar – Nordamerika, Mexiko, Europa, Asien und Australien. Für die Arktis und Nordasien sowie für Südamerika und Afrika fehlen sie. Die abgedeckten Regionen haben ein leichtes Übergewicht mittlerer Breitengrade sowie semi-arider Regionen. Es ist bekannt, dass diese zu Trockenheit neigen, wenn es wärmer wird – zum Beispiel der Mittelmeerraum, Mittelamerika/Mexiko oder Zentralnordamerika. Obwohl die Schlussfolgerungen für das von den Baumringen abgedeckte Gebiet insgesamt solide erscheinen, wäre es daher sinnvoll zu beurteilen, ob die Datenabdeckung auch auf ein ‚globales‘ Signal schließen lassen könnte. Dies gilt auch für den starken Aerosoleffekt von 1950 bis 1975, da die Aerosolbelastung in Nordamerika und Europa besonders hoch war. Diese Frage ist relevant, weil in der Literatur eine beträchtliche Debatte über das Vorhandensein von Spuren einer globalen Trockenheit aufgrund des Treibhauseffektes stattgefunden hat, während es beispielsweise gut nachgewiesen ist, dass der Mittelmeerraum in den letzten Jahrzehnten tatsächlich trockener geworden ist.“ 

„Zweitens ist es etwas überraschend, dass die Trockenheitsspuren für den Zeitraum 1900 bis 1949 unzweifelhaft erkennbar sind, aber für die Jahre 1981 bis 2017 kein hohes Vertrauen erreichen. Überraschend deshalb, weil die globale Erwärmung in der zweiten Periode nach Schätzungen des 1,5-Grad-IPCC-Sonderberichts zur globalen Erwärmung von 1,5°C (etwa 0,4-0,5°C gegenüber 0,2-0,3°C) wahrscheinlich größer war. Dies mag daran liegen, dass die internen Klimaschwankungen in kürzeren Zeitabständen eine größere Rolle spielen, aber auch mit regionalen Effekten zusammenhängen.“

„Drittens sollte berücksichtigt werden, dass es Einschränkungen bei der Verwendung des Palmer Drought Severity Index gibt, um tatsächliche Veränderungen in Dürren zu bewerten, wie von den Autoren selbst festgestellt wurde. Dennoch verwenden sie eine Version des Index, die zuverlässiger ist als in einigen anderen Publikationen, und sie lieferten auch einige Vergleiche mit Analysen, die auf der Bodenfeuchte der Klimamodelle basieren, welche qualitativ ähnlich sind.“

„Trotz der genannten Einschränkungen, insbesondere in Bezug auf die geografische Abdeckung der Baumring-Daten, ist dies ein wichtiger wissenschaftlicher Beitrag, der neue Fragen zu den Auswirkungen des Treibhauseffektes auf die hydroklimatische Variabilität und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Vegetation aufwirft. Sie stützt zudem die Vermutung der Existenz von Trockenheits-Hot-Spots in Teilen Nordamerikas und Europas bei zunehmendem Treibhausgas-Ausstoß, was angesichts der derzeitigen anhaltenden Emissionen von Bedeutung ist.“

Auf die Frage, welche Erkenntnisse es braucht, um das Signal der Periode 1980 bis heute sicher von der natürlichen Variabilität abzugrenzen und warum dies trotz der massiven CO2-Emissionen in dieser Zeit schwierig ist:
„Die Zeitperiode ist möglicherweise noch zu kurz, aber es ist schon etwas erstaunlich, dass das Signal noch nicht so klar ist, obwohl die globale Erwärmung seit 1980 höher als von 1900 bis 1950, gewesen ist – laut 1,5-Grad-IPCC-Sonderbericht etwa 0,4- bis 0,5°C im Vergleich zu 0,2 bis 0,3°C. Man kann nicht ausschließen, dass es vielleicht ein Paar Schwächen bei der Studie gibt, zum Beispiel einen Beitrag von regionalen Signalen die mit natürlicher Klimavariabilität zusammenhängen – die zum Beispiel das Signal von 1900 bis 1950 verstärken und das Signal seit 1980 hingegen abschwächen würden.“

„Dazu ist es wichtig zu betrachten, dass – obwohl die Klimainformation, die aus Baumringdaten hergeleitet wird, ein großes Gebiet abdeckt – sie trotzdem nur für 54 Prozent der Landfläche außerhalb der Antarktis gilt. Außerdem sind die Gebiete, die abgedeckt sind, eher in mittleren Breiten, die konsistent in Klimaprojektionen eine Tendenz zur Austrocknung aufweisen. Letztendlich wurden auch diese Gebiete von starken Aerosolkonzentrationen gekennzeichnet. Die Schlussfolgerungen der Studie sind also wahrscheinlich robust für dieses Gebiet, aber es ist noch offen, ob sich daraus eine globale Tendenz ableiten lässt. Wir wissen zum Beispiel, dass die Regionen in den hohen Breiten eher eine Tendenz zu einer Zunahme von Niederschlag zeigen.“

Dr. Stefan Hagemann

Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Regionale Atmosphärenmodellierung, Bereich Systemanalyse und Modellierung, Institut für Küstenforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material und Küstenforschung (HZG), Geesthacht

„Generell geht man davon aus, das mit ansteigenden Temperaturen auch Dürren zunehmen. So war zum Beispiel der trockene, heiße Sommer 2003 ein absolutes Extremereignis für das heutige Klima. Man geht aber davon aus, dass dies gegen Ende des 21.Jahrhunderts ein ganz normaler Sommer sein könnte, der zwar immer noch wärmer als der durchschnittliche Sommer sein würde, aber ein Sommer ist, der dann häufiger mal vorkommt. So gesehen passt die aktuelle Studie zu diesen Erwartungen.“

„Die Einordnung ‚low confidence‘ im 5. Sachstandsbericht des IPCC bezüglich der Attribution von Dürren ergibt sich vor allem aus unzureichend langen Beobachtungszeitreihen.“

Auf die Frage, ob sich etwas über die Auswirkungen in den Gebieten ableiten lässt, die in der Studie nicht berücksichtigt werden:
„Für Afrika und Südamerika gibt es keine Dürre-Atlanten aus Baumringen. Hier gibt es vor allem Untersuchungen von Niederschlagszeitreihen, die für Südamerika in der Regel keine signifikanten Trends aufweisen. Für Afrika gab es eine lange Dürreperiode in der Sahelzone mit zurückgehenden Niederschlägen über mehrere Dekaden. Dieser Trend hat sich mittlerweile umgekehrt, so dass diese Periode sehr wahrscheinlich durch natürliche Variabilität hervorgerufen wurde.“

„Ich finde die aktuelle Studie sehr interessant, und Analysen und Schlussfolgerungen sind akkurat beschrieben. Gerade der gezeigte Einfluss der Aerosole auf die Ergebnisse zeigt auch, wie schwierig das Entdecken von robusten Klima-Trends sein kann, weil das Klimasystem der Erde hochkomplex ist, mit vielen verschiedenen nicht-linearen Zusammenhängen. Etwas, das in der medialen Darstellung öfter mal unter den Tisch fällt, weil dort komplexe Dinge gerne auf einfache Zusammenhänge reduziert werden.

„Die Methodik der Studie erscheint sinnvoll und basiert auf anerkannten Methoden, die in diversen Studien benutzt und beschrieben wurden.“

„Wenn man die CO2-Emissionen erfolgreich reduzieren würde, dann ist davon auszugehen, dass sich die zukünftigen Auswirkungen der CO2-Emissionen auch reduzieren. Das trifft üblicherweise auf zukünftige Änderungen in Mittelwerten zu – zum Beispiel für Temperatur oder Niederschlag – und sollte auch bei Extremen so sein, auch wenn es da natürlich regionale Unterschiede gibt. Ich würde vermuten, dass sich entsprechende zukünftige Änderungen im Auftreten von Dürren zwischen dem RCP8.5-Szenario in der aktuellen Studie und den Werten des heutigen Klimas (1981 bis heute) einordnen würden, speziell gegen Ende des Jahrhunderts, je nach Szenario gestaffelt. Allerdings ist in den nächsten paar Dekaden mit einer Zunahme analog zum RCP8.5-Szenario zu rechnen, da durch die Trägheit des Klimasystems – speziell bedingt durch die großen Speicherungskapazitäten der Ozeane, die wie ein Gedächtnis funktionieren – Änderungen in den CO2-Emissionen erst ein paar Jahrzehnte später bemerkbar wären“.

„Eine Sache, die ich bei der Studie etwas vermisse, ist eine Aussage zum Einfluss des solaren Forcing zu Beginn des 20 Jahrhunderts. Es wird gesagt: ‚The influence of greenhouse gases is clearly visible in the early half of the century'. Aber tatsächlich besagt die Methode, das Einflüsse eines ‚externen Forcings' erkannt werden. Während der Temperaturanstieg gegen Ende des 20. Jahrhunderts deutlich auf den Anstieg der Treibhausgas-Emissionen zurückzuführen ist, weiß ich nicht, wie sich das zu Anfang des Jahrhunderts verhält.“

Auf die Frage, warum der Einfluss der Aerosole im Zeitraum 1950-1975 ein anderer war als in den beiden anderen betrachteten Perioden, wenn doch die Emission von Treibhausgasen häufig einhergeht mit der Emission von Aerosolen:
„Im Zeitraum von 1950 bis 1975 nahm der Aerosolgehalt in der Atmosphäre kontinuierlich zu, was eine Reduzierung der globalen solaren Einstrahlung zur Folge hatte. Man spricht hier vom Effekt des ‚Global Dimming‘. Im Zeitraum nach 1975 wurde durch Maßnahmen zur Reduzierung von Schadstoffemissionen – inklusive Aerosole – speziell in den Industrieländern, der Aerosolgehalt der Atmosphäre reduziert, so dass die globale solaren Einstrahlung deswegen wieder anstieg. Hier spricht man vom Effekt des ‚Global Brightening‘.“

Auf die Frage, welche Erkenntnisse es braucht, um das Signal der Periode 1980 bis heute sicher von der natürlichen Variabilität abzugrenzen:
„Bezüglich der Beobachtungen braucht man längere Zeitreihen. Dürren sind Extremereignisse, die per Definition selten auftreten. Würden sie häufiger auftreten, wären sie nicht extrem. Um Trends in diesen seltenen Ereignissen zu untersuchen, braucht man Zeitreihen, die lang genug sind, um eine robuste Statistik für diese Untersuchung zu haben. Oder mit anderen Worten: Man muss eine genügend hohe Anzahl an Dürre-Ereignissen in der Zeitreihe haben, damit sich ein eventuelles Trendsignal signifikant vom Rauschen der natürlichen Variabilität abhebt. Speziell für Niederschläge, deren Verhalten einen maßgeblichen Einfluss auf das Auftreten von Dürren hat, ist die natürliche Variabilität sehr hoch. Für Beobachtungen ist daher ein Zeitraum von dreißig bis vierzig Jahren – nach 1980 – relativ kurz.“

„Mit Modellen hat man es etwas einfacher, da man diesen Zeitraum einfach mehrfach rechnen kann, zum Beispiel mit verschiedenen Modellen wie in CMIP6. Für letztere kann aber ein erhöhtes Rauschen, das heißt Variabilität, auch dadurch entstehen, dass die Modelle bestimmte Prozesse verschieden darstellen, was speziell bei den Aerosol-Prozessen – wie im Nature-Artikel erwähnt – deutlich zu bemerken ist.“

Prof. Dr. Andreas Fink

Professor für Meteorologie, Arbeitsgruppe Atmosphärische Dynamik, Department Troposphärenforschung, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

„Die Erweiterung bestehenden Wissens sehe ich darin, dass die Abschätzung von Dürreperioden der vergangenen Jahrhunderte anhand von Baumringen zur Quantifizierung des Klimarauschens vermutlich besser geeignet ist, als historische, wenn auch noch längere Simulationen von Klimamodellen. Dadurch lässt sich der Fingerabdruck der treibhausgas-induzierten Veränderung des Hydroklimas in der Gesamtheit der betrachteten Regionen und dessen Überdeckung durch die starke Luftverschmutzung Mitte des vergangenen Jahrhunderts vor dem Hintergrund des Klimarauschens besser erkennen. Auch scheint es mir möglich, ein früheres Auftauchen des Treibhausgas-Signals aus dem Klimarauschen im 21. Jahrhundert abzuschätzen. Etwas plastisch gesagt, trägt die Studie zur Verschiebung in Richtung ‚medium confidence‘ bei (gegenüber der Einordnung ‚low confidence‘ im 5. Sachstandsbericht des IPCC; Anm. d. Red.), mehr aber auch nicht. Für Afrika und Südamerika fehlen Dürre-Atlanten, hier gibt es einfach zu wenig aussagekräftige Baumringstudien. Zum Teil liegen hier die Regenzeiten auch nicht im Sommer der jeweiligen Hemisphäre – wie in der Studie untersucht – sondern in den Übergangsjahreszeiten oder sind fast ganzjährig. Es gibt hier also auch vom methodischen Ansatz Limitationen.“

Auf die Frage, inwieweit die Studie das aktuelle Wissen erweitert, um den Dürresommer 2018 richtig einzuordnen:
„Zu den konkret benannten, nur Teile Europas betreffenden Einzelereignissen ist die Wissenserweiterung sehr begrenzt. Es lässt sich nur sehr ‚schwach‘ konstatieren, dass eine Konsistenz mit einer beobachteten Häufung von trockenen Sommern besteht.“

Auf die Frage, warum der Einfluss der Aerosole im Zeitraum 1950-1975 ein anderer war als in den beiden anderen betrachteten Perioden, wenn doch die Emission von Treibhausgasen häufig einhergeht mit der Emission von Aerosolen:
„Der wichtigste Aerosoleffekt in den Jahren 1950 bis 1975 kam durch Schwefel-Aerosole. Er wird auch ‚global dimming‘ genannt – also die Streuung von Sonnenlicht zurück ins Weltall. Diese Schwefel-Aerosole sind im Gegensatz zu CO2 ‚kurzlebig‘ und haben keinen Treibhauseffekt. Nach dem Einsetzen von Filtern in den Kraftwerken wurde die Atmosphäre in Europa/Nordamerika wesentlich reiner und die Sonneneinstrahlung am Boden intensivierte sich (‚global brightening‘). Wobei ‚global‘ ist nicht ganz richtig, der dimming/brigthning effect betraf besonders die Nordhemisphäre.“

Auf die Frage, welche Erkenntnisse es braucht, um das Signal der Periode 1980 bis heute sicher von der natürlichen Variabilität abzugrenzen:
„Zwei Gründe: Statistisch gesehen ist der Zeitraum von knapp 40 Jahren vor dem Hintergrund des Rauschens zu kurz. Dies ist sicher richtig. Vermutlich hat sich auch das Rauschen selbst erhöht (erhöhte Niederschlagsvariabilität) und so braucht es länger damit das Signal identifizierbar ist.“

Prof. Dr. Gabriele Hegerl

Professorin für Climate System Science, Forschungsgruppe Atmospheric Chemistry and Climate of the Anthropocene, School of Geosciences, University of Edinburgh, Vereinigtes Königreich

„Die Arbeit nutzt Daten von Rekonstruktionen eines globalen Dürreatlasses (mit vielen, global verteilten Regionen) und Daten von Klimamodellsimulationen. Sie kommt zu dem Schluss, dass schon zur Mitte des 20. Jahrhunderts eine weltweite Zunahme von Dürren nachweisbar war, die man zwar nicht in den einzelnen Gebieten als signifikant erkennen kann, aber alle zusammen zeigen die Zunahme an. Danach verschwand das Signal erst einmal wieder, weil Aerosole, die mit Luftverschmutzung verbunden sind, das Muster änderten – man weiß, dass Dürren in Monsunregionen in den 70er Jahren zum Teil von Aerosolen verursacht wurden.“

„Demnach können wir ein weiteres Ansteigen von Dürren erwarten. Der Index für Dürren, der verwendet wurde, berücksichtigt, dass Dürren durch eine Kombination von Niederschlagsmangel und erhöhter Verdunstung verursacht werden, und damit zieht schon die Temperaturannahme alleine eine erhöhte Trockenheit nach sich. Eine sehr schöne Arbeit!“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Douglas Maraun: „Keine Interessenskonflikte.“

Prof. Dr. Gabriele Hegerl: „Ich kenne die Autorin, habe aber keine Konflikte.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Marvel K et al. (2019): Twentieth-century hydroclimate changesconsistent with human influence. Nature. doi: 0.1038/s41586-019-1149-8. URL: www.nature.com/articles/s41586-019-1149-8 (Es kann nach Ablauf des Embargos einige Zeit dauern, bis der Link tatsächlich aktiv ist.) 

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Dai A (2011): Characteristics and trends in various forms of the Palmer Drought Severity Index during 1900–2008. Journal of Geophysical Research, Vol. 116, doi:10.1029/2010JD015541 

[2] van der Schrier G et al. (2013): scPDSI‐based global data set of dry and wet spells for 1901–2009. Journal of Geophysical Research, Vol. 118. , doi:10.1002/jgrd.50355. 

[3] Hoegh-Guldberg O. et al. (2018): IPPC-Sonderbericht 1,5 °C: Chapter 3 – Impacts of 1.5°C of Global Warming on Natural and Human Systems. Seite 177 

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[a] Stocker TF et al. (2013): IPCC, 2013: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovern-mental Panel on Climate Change. Seite 7