Teil 9: Neoklima. Extremereignisse

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1 Teil 9: Neoklima D Extremereignisse Christian-D. Schönwiese Universität Frankfurt/Main Institut für Atmosphäre und Umwelt ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG multi channel artificial composite colour image, , 12:15 UTC

2 Wird das Klima extremer? Dresden, Aug Düsseldorf, Aug Motten (Rhön), Okt New Orleans, Aug Febr. 2003

3 Passau bei Halle Hochwasser Anfang Juni 2013, Süd- und Ostdeutschland 25 Todesopfer, ca. 12 Mrd. volkswirt. Schäden Deggendorf A8 bei Traunstein

4 Wikipedia, Abruf ; diverse Bildquellen (Google) Taifun Haiyan, Philippinen, Nov Druck (Min.) 895 hpa Böen (Max.) 315 km/h ca Todesopfer, ca. 5,8 Mrd. US$ volkswirt. Schäden

5 Weltweit in der Dekade aufgetretene Disaster, ihre Aufschlüsselung nach der Art und ihre Auswirkungen in Todesfällen, insgesamt Betroffenen sowie volkswirtschaftlichen Schäden in Mrd. US $ Art des Disasters Todesfälle Betroffene Schäden Erdbeben 8,9 % 0,8 % 30,5 % Vulkanausbrüche 0,1 % 0,1 % 0,1 % Stürme 30,9 % 12,0 % 25,2 % Überschwemmungen 14,7 % 68,5 % 34,7 % Dürreschäden 42,1 % 3,9 % 3,9 % Wald- und Buschbrände 0,1 % 0,15 % 3,3 % Extreme Temperaturen 1,4 % 0,3 % 2,1 % Lawinen und Erdrutsche 1,4 % 0,1 % 0,2 % Andere 0,4 % - - Summe 665,6 Tsd. 2,1074 Mill. 787 Mrd. US $ (Quelle; WMO, 2002; nur die ersten beiden Arten dieser Disaster sind nicht klimabedingt)

6 Naturkatastrophen weltweit Anzahl der Ereignisse 2015 Geophysikalische Ereignisse (Erdbeben, Tsunami, Vulkanausbruch) Meteorologische Ereignisse (Sturm, Unwetter, etc.) Jahr Hydrologische Ereignisse (Überschwemmung, Massenbewegung)

7 Naturkatastrophen weltweit , Schäden 400 Mrd. US$ MüRück NatCat Servive (2015) Volkswirtschaftliche Schäden, insgesamt Versicherte Schäden 100 Volkswirtschaftliche und versicherte Schäden in Mrd. US$ (Großkatastrophen) Dekade 1950/ / / / / /2009 Faktor * ) Anzahl ,8 Schäden 59,9 72,4 100,8 156,1 525,5 435,2 6,0 Versich. 1,8 8,1 15,0 29,1 125,7 193,8 23,9 *) 2000/2009 gegenüber 1960/1969; Quelle: MüRück, Wirtz, 2010

8 Größte Naturkatastrophen (MüRück, Auswahl) Datum Jahr Land, Region Ereignis Tote Schäden Mill. US $... Tote bei Hitzewelle 2003 nach Robine et al., 2008, bzw. Weltbank, 2010 Versichert Mill. US $ USA, San Francisco Erdbeben Japan, Tokio Erdbeben Nicaragua, Managua Erdbeben USA, Karibik Hurrikan (Hugo) Westeuropa Stürme (Daria u.a.) Japan, Kiuschu u.a. Taifun (Mireille) USA, Florida u.a. Hurrikan(Andrew) USA, Kalifornien Erdbeben Japan, Kobe Erdbeben Ost- u. Mitteleuropa Überschwemmungen Karibik/USA Hurrikan (Georges) Deutschland u.a. Stürme (Lothar ) Deutschland u.a. Überschwemmungen Juni-Aug Mitteleuropa u.a. Hitzewelle < Südasien/Indonesien Tsunami > > USA (New Orleans) Hurrikan Katrina West-/Mitteleuropa Orkan Kyrill Iran/Oman Trop. Sturm Gonu Großbritannien Überschwemm Süd-Griechenland Waldbrände ? USA, Kalifornien Waldbrände Bangladesh/Indien Zyklon Sidr ?

9 Größte Naturkatastrophen (MüRück, Auswahl) Datum Jahr Land, Region Ereignis Tote Schäden Mill. US $ Versichert Mill. US $ Bangladesh/Indien Zyklon Sidr ? China Winterschäden Myanmar (Birma) Zyklon Nargis ? China Erdbeben USA, Karibik Hurrikan Ike Australien, Victoria Waldbrände Haiti Erdbeben Juli-Aug Russland Hitze/Waldbrände Juli-Sept Pakistan Überschwemm Mexiko Hurrikan Karl Australien Überschwemm Neuseeland Erdbeben Japan Erdbeben, Tsunami USA Tornados Aug.-Nov Thailand Überschwemmungen Okt Sept , 2011 Somalia u.a. (Kenia, Tschibuti, Äthiopien) Dürre >50 000?? Philippinen Trop. Sturm Washi ? Juni-Sept USA Hitze/Dürre Karibik, USA Hurrikan Sandy West- u. Osteuropa Überschwemmungen Indien Überschwemmungen Philippinen/China, Taifun Haiyan Japan Kälte, Schneestürme Indien/Pakistan Überschwemmungen Indien Zyklon Hudhud, Flut

10 Ökonomische Sicht der Extremereignisse: Orientierung an relativ großen Schäden. Vorteil: Folgen (Todesfälle und wirt. Schäden) erfasst; Nachteil: Das Schadensausmaß hängt nicht nur von atmosphär. Gegebenheiten ab, sondern auch von der Bevölkerungsdichte, Wertekonzentrationen usw. Meteorologische Sicht d. Extremereignisse: Atmosphärische Konstellationen, die zu relativ selten eintretenden Extremwerten führen, z.b.: nahezu ortsfestes Tief Mittel-/Osteuropa mit Starkniederschlägen (Übergang Mai/Juni 2013), nahezu ortfestes Hoch in Mitteleuropa (Hitze-/Dürre-Sommer 2003). Vorteil: detaillierte Fallstudien zur Verursachung; Nachteil: langzeitliche Entwicklung nicht erfasst.

11 Klimatologisch-statistische Sicht der Extremereignisse: Zeitreihenanalyse mit Extremwertstatistik Vorteil: langzeitliche Entwicklung erfassbar. Probleme: Was ist extrem? Definition von Extremwerten; genügend viele Daten, um zu signifikanten Ergebnissen zu kommen. Strategie: Es werden nicht nur die Extremwerte analysiert, sondern alle Daten, und dann anhand von Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen* ) die Extremwertstatistik durchgeführt. Nachteil: Folgen nicht erfasst, daher ggf. ergänzende ökonomische Betrachtungen sinnvoll *) engl. Probability Density Function (PDF)

12 Temperaturanomalien [K] Deutschland-Temperatur, Sommeranomalien C Deutschland-Temperatur, Sommeranomalien Zeit in Jahren Ein häufig benutztes statistisches Kriterium für Extremwerte sind die Grenzen der einfachen, zweifachen usw. Standardabweichung (σ) vom Mittelwert bzw., falls signifikant, vom (ggf. linearen) Trend. Daher sind oben der Trend (gestrichelt) und die obere sowie untere 2σ-Grenze eingezeichnet. Extrem waren demnach nur die Hitze- Sommer 1947 und Alternativ können verteilungstypische Perzentile verwendet werden, was einige Vorteile beinhaltet Schönwiese, 2013

13 Temperaturanomalien in C. 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0-3,0 Deutschland-Temperatur, Jahresanomalien (relativ zu ) * / / jährige Glättung polynomialer Trend 2010 Zeit in Jahren * Mittelwert : 8,3 C Datenquelle: Rapp, 2000; DWD; Analyse: Schönwiese Mittelwert ( ): 8,3 C; 2014: 10,4 C

14 70 Häufigkeitsverteilung Deutschland-Temperatur (Datenbasis: Jahresanomalien ) Häufigkeit ,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Obere Klassengrenzen Schönwiese, 2007 Strategie der hier angewandten Extremwertstatistik: - Errechnung der empirischen Häufigkeitsverteilung - Anpassung einer geeigneten theoretischen Verteilung - Definition oberer bzw. unterer extremer Schwellenwerte, z.b. in Orientierung an die Streuung (2σ, 3σ) oder an Perzentile (90%, 95%) - Errechnung der Über- bzw. Unterschreitungswahrscheinlichkeit hinsichtlich bestimmter extremer Schwellenwerte als Zeitfunktionen

15 Schema möglicher Änderungen von Verteilungen Hier gezeigt am Beispiel der Normalverteilung Nach IPCC, 2001; dt. nach Hupfer u. Börngen, 2004.

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17 Zeitliche Entwicklung der Wahrscheinlichkeit für das Eintreten extremer monatlicher Temperaturen Beispiel Temperatur Frankfurt/Main Unterschreitung des 5%-Perzentils Überschreitung des 95%-Perzentils p=0,1 10 J. p=0,13 7,7 J. p=0, J. p=0, J.

18 Temperatur, Trends der Überschreitungswahrscheinlichkeit des 95 % - Perzentils an den untersuchten Stationen in den einzelnen Monaten (Film)

19 Hitze-/Trockensommer 2003 Todesopfer (Europa): Volkswirtschaftl. Schäden (Europa): 13 Mrd. $ Topics 2003 *) Kosatzky 2005, Jendritzky 2007

20 Wahrscheinlichkeitsanalyse zum Sommer in Deutschland 3,4 C Ereignis Trömel, 2004 (unveröff.)

21 Schönwiese, Staeger und Trömel, 2004 Zeitliche Änderung der Wahrscheinlichkeit für das Eintreten/Überschreiten des 2003-Ereignisses (3,4 C) (Sommer-Temperatur Deutschland) p = 0,0022 entsprechend 1/455 Jahre p < 0,0001 entsprechend 1/10000 Jahre

22 Maximum-Temperatur in Freiburg, August 2003 Temperatur in C Hitzetage (24) 40, Tag, August 2003 Offizielles Maximum: 40,2 C (9. u Karlsruhe, auch Freiburg) *) Bisheriger Rekord ebenfalls 40,2 C ( , Gärmersdorf) Höchstes nächtliches Minimum: 27,6 C ( Weinbiet) Bisheriger Rekord: 26,0 C ( , Freiburg) Quelle: DWD, 2003 *) Am 5.7. und übertroffen: 40,3 C in Kitzingen/Main (Unterfranken)

23 Rezente Überschwemmungen in Deutschland Dezember 1993, Rheinregion Januar 1995, Rheinregion Juli 1997, Oderregion Mai 1999, Donau-/Bodenseeregion August 2002, Elberegion August 2005, Nordalpenregion Januar 2011, Deutschland-weit Juni 2013, Süd- u. Ostdeutschland Koblenz, 1995 Eschenlohe, 2005 Dresden, 2002

24 Niederschlagsrekorde in Deutschland Rudolf und Rapp, 2003 (KSB 2002)

25 Niederschlagsrekorde weltweit 779: Stein, Krs. Rosenheim (Juli 1954) Quellen: Hupfer und Kuttler, 2005; DWD; Schönwiese, 2008

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27 Zeitliche Entwicklung der Wahrscheinlichkeit für das Eintreten extremer monatlicher Niederschläge Überschreitung des 95%- Perzentils 130 mm p=0,09 11 J. Unterschreitung des 5%- Perzentils 20 mm p=0,03 33 J. p=0, J. p=0, J. Trömel, 2005

28 Zeitliche Entwicklung der Wahrscheinlichkeit für das Eintreten extremer monatlicher Niederschläge Überschreitung des Perzentils 95 % 130 mm p=0,09 11 J. Marktoberdorf 209 mm 5,5 J. 50 J. Trömel, 2005

29 Niederschlag, Trends der Extremwert-Wahrscheinlichkeit Unterschreitung 5%-Perzentil Überschreitung 95%-Perzentil Januar Januar Monatsdaten Trömel, 2005

30 Niederschlag, Trends der Extremwert-Wahrscheinlichkeit Unterschreitung 5%-Perzentil Überschreitung 95%-Perzentil August Monatsdaten Trömel, 2005

31 Übersicht rotierender Windsysteme Bezeichnung Durchmesser Vertikalerstreckung Lebensdauer Region Kleintrombe (Staubteufel) Tornado (Windhose, Wasserhose) Trop. Wirbelsturm (Hurrikan, Taifun, Zyklon usw.) 5-20 m, sichtbar 1-5 m m, Tubus 2-50 m km, Auge km 2-50 m Minuten Wüsten u. Sandböden, insbes. Subtropen Cumulonimbus(Cb) (10-17 km), Tubus 100 m 1 km um 17 km, einzelne Cb ggf. höher Stunden Tage Kontinentale Bereiche der subtropischen und gemäßigten Zone Tropische Ozeane und angrenzende Küsten Saffir-Simpson-Skala tropischer Wirbelstürme (nach NOAA) Kategorie Windgeschwindigkeit Kerndruck Flutwelle (Klasse) m/s km/h kt hpa m 0 < 33 < 118 < 64 < ,0-1, ,8-2, ,7-3, ,9-5, < 920 > 5,6 Kategorie 0 zählt in den USA schon als trop. Wirbelsturm, aber noch nicht als Hurrikan. Ab Kategorie 1 herrscht Windstärke (Bft) = 12 (Orkan), ab Bft = 6 (21 m/s, 75 km/h) Sturm.

32 Saffir-Simpson-Skala tropischer Wirbelstürme (nach NOAA) Kategorie Windgeschwindigkeit Kerndruck Flutwelle (Klasse) m/s km/h kt hpa m 0 < 33 < 118 < 64 < ,0-1, ,8-2, ,7-3, ,9-5, < 920 > 5,6 Kategorie 0 zählt in den USA schon als trop. Wirbelsturm, aber noch nicht als Hurrikan. Ab Kategorie 1 herrscht Windstärke (Bft) = 12 (Orkan), ab Bft = 6 (21 m/s, 75 km/h) Sturm.

33 30 25 Tropische Wirbelstürme im Nordatlantik und Anteile der Hurricanes 2005: : : : : 19 Anzahl Zeit in Jahren Quelle: NOAA (USA), Hurricane Center, 2014

34 Meeresoberflächentemperatur und Hurrikan-Häufigkeiten C Sommer-Werte, 5-jähr. übergreifend % Relative Häufigkeit pro Kategorie Webster et al., Science 2005 Wärmere Ozeane begünstigen tropische Wirbelstürme. Bisher nur relativ geringe Häufigkeitsänderungen insgesamt, aber eine deutliche Umverteilung: Die stärkeren Hurrikane (Kategorie 4 und 5) nehmen aufkosten der schwächeren (Kategorie 1) zu.

35 Tornados und ihre Klassifizierung Fujita(F) Torro(T) - Skala der Tornados Windgeschwindigkeitsstufen in m/s (3. Zeile) und km/h (4. Zeile) F0 F1 F2 F3 F4 F5 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 >16 >25 >33 >42 >51 >61 >71 >82 >93 >105 >117 >130 >58 >90 >119 >151 >184 >220 >256 >295 >335 >378 >421 >468 Sehr schwach, kaum Schäden Schwach, geringe Schäden Mittel, Dächer abgedeckt Stark, Wände eingedrückt Sehr stark, Häuser umgestürzt Verheerend, Häuser zerstört und weggeweht

36 Zur Tornado-Statistik , Quirla (Thüringen) , Motten, Rhön USA: ca pro Jahr Deutschland: pro Jahr Nach Dotzek et al.* gibt es eine allgemein gültige Stärke- Verteilung (ca. 75%: F0-F1, 24%: F2-F3, 1%: F4, 0,1%: F5), aber keine gesicherten Befunde über Häufigkeitszunahmen. Sie können jedoch durch häufigere Erfassung vorgetäuscht werden. * Inst. f. Physik d. Atmosphäre, DLR, TOR-DACH:

37 Folgerungen (Vergangenheit, Industriezeitalter) Der globale bzw. regionale Klimawandel ist teilweise auch mit einem Trend zu einem extremeren Klima verbunden. In Deutschland ist das besonders deutlich bei der Temperatur: Sowohl die Häufigkeit als auch die Intensität warmer Winter bzw. heißer Sommer nehmen zu. Aber auch die Übergangsjahreszeiten sind betroffen. Kompliziert verhält sich der Niederschlag. In Deutschland ist vor allem im Winter ein extremeres Verhalten belegt, insbesondere im Westen und Südwesten, verbunden mit der Gefahr häufigerer Überschwemmungen. Im Sommer drohen dagegen eher Dürren, insbesondere im Osten. Gleichzeitig nimmt aber regional auch die Neigung zu Starkniederschlägen zu, insbesondere im Süden. Bei Stürmen/Tornados zeigen sich bisher keine eindeutigen Trends, insbesondere nicht in Deutschland. Lediglich bei den tropischen Wirbelstürmen gibt es Trends, dabei vor allem eine Zunahme der stärkeren aufkosten der schwächeren.

38 Die wichtigsten Klimamodell-Zukunftsprojektionen (IPCC, 2013; ohne RCP2.6 ) Erwärmung der unteren Atmosphäre: global bis 2100 um 1,1-4,8 C, wahrscheinlichster Bereich 2-4 C, Maxima im Winter polwärts der Tropen. (Szenario RCP2.6 äußerst unwahrscheinlich, daher nicht berücksichtigt.) Abkühlung der Stratosphäre (begünstigt dort den Ozonabbau) Niederschlagsumverteilungen ( z.b. Mittelmeer-Region trockener, Skandinavien u. Polarregionen feuchter, Mitteleuropa Winter feuchter / Sommer trockener) Meeresspiegelanstieg global bis 2100 um ca cm (Ozean- und Eis-Effekt), Rückgang von Meer- und Landeis (näheres folgt Klimafolgen). Regional häufigere/intensivere Extremereignisse, z.b. Hitzewellen, Dürren, Starkniederschläge, Hagel aber im einzelnen z.t. sehr unsicher; intensivere tropische Wirbelstürme.

39 Vielen Dank für Ihr Interesse Homepage des Autors: