Der Mensch beeinflusst seit Beginn der industriellen

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1 Aus Lozán et al (2018): Warnsignal Klima - Extremereignisse. Wissenschaftliche Auswertungen, Hamburg. Für weitere Artikel siehe Website "Wissenschaftler informieren direkt": Anthropogene Erwärmung und extreme Wetterereignisse Joachim Curtius Anthropogene Erwärmung und extreme Wetterereignisse: Der globale Klimawandel verursacht auch Veränderungen bei der Häufigkeit und Intensität von extremen Wetterereignissen wie Hitzewellen, Extremtemperaturen, Dürreperioden, Extremniederschlägen und möglicherweise auch Stürmen. Die moderne Klimamodellierung erlaubt heute auch für extreme Wetterereignisse zu berechnen, ob deren Eintrittswahrscheinlichkeiten sich im Zuge der anthropogen verursachten Erwärmung verändern und in welchem Maße der Mensch die Risiken für extreme Wetterereignisse erhöht. Im Jahr 2016 wurden Wetterextreme beobachtet, die in einem nicht vom Menschen beeinflussten Klima gar nicht auftreten würden. Weiterhin erlauben regionale Klimamodelle heutzutage Prognosen, in welchem Ausmaß Veränderungen der Extremereignisse im Laufe des 21. Jahrhunderts zu erwarten sind. So könnten rund um den Persischen Golf bei ungebremsten Treibhausgasemissionen zum Ende dieses Jahrhunderts Tageshöchsttemperaturen von 60 C und maximale Feuchttemperaturen von 35 C überschritten werden - die Region würde damit in den Sommermonaten nahezu unbewohnbar. Anthropogenic warming and extreme weather events: Global climate change is also causing shifts in the frequency and intensity of extreme weather events such as heat waves, extreme temperatures, droughts, hea vy precipitation and potentially storms. Climate modelling today allows to calculate for specific extreme weather events how their risk of occurrence is changing due to anthropogenic climate change. In 2016 weather events were observed for which ensemble calculations showed that these would never have occurred within the natural variability. Furthermore, regional climate models allow projections in how far extreme events will change within this century due to climate change. Daily maximum temperatures Tmax could rise frequently above 60 C and maximum wet-bulb temperatures TWmax above 35 C in the region around the Gulf of Persia. The region would therefore become close to uninhabitable during the summer months. Der Mensch beeinflusst seit Beginn der industriellen Revolution vor über 250 Jahren maßgeblich die Zusammensetzung der Spurengase in der Erdatmosphäre. Insbesondere die vom Menschen seither zusätzlich in die Atmosphäre eingebrachten langlebigen Treibhausgase Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid (Lachgas) und zahlreiche Halogenverbindungen wie die Fluorchlorkohlenwasserstoffe haben bereits im 20. Jahrhundert eine deutliche Zunahme der mittleren Temperaturen der Erdoberfläche verursacht und lassen für das 21. Jahrhundert und darüber hinaus eine wesentliche weitere Erwärmung erwarten, sofern die Emissionen nicht schnell und drastisch reduziert werden. Diese anthropogen verursachte Erwärmung führt aber nicht nur zu einer Verschiebung der mittleren Temperaturen, sondern auch zu vielfältigen weiteren Änderungen im Klimasystem, beispielsweise zu erheblichen Veränderungen des Wasserkreislaufs, da in einer wärmeren Atmosphäre erheblich mehr Wasser aus den Ozeanen in die Atmosphäre verdunstet. Besonders gefährliche Änderungen des Klimasystems betreffen die extremen Wetterereignisse wie Hitzewellen, Dürren, Stürme oder Starkregen. Nehmen diese in einer wärmeren Welt an Häufigkeit und Intensität zu, so nehmen auch die daraus resultierenden Schäden für die betroffene Bevölkerung und die Ökosysteme zu. Die Münchner Rückversicherung schätzt allein für die drei größten Naturkatastrophen des Jahres 2017, die Hurrikane»Harvey«,»Irma«und»Maria«, eine Schadenshöhe von insgesamt 215 Milliarden US-Dollar. Während die Zunahme der mittleren Temperaturen vergleichsweise zuverlässig aus Messungen berechnet und zumindest innerhalb eines Vorhersagebereichs für verschiedene zukünftige Emissionsmengen auch prognostiziert werden kann, sind die Einflüsse des menschgemachten Klimawandels auf die extremen Wetterereignisse deutlich schwerer nachzuweisen und vorherzusagen. Extreme Wetterereignisse sind per Definition selten und daher sind die statistischen Aussagen, ob sie sich im Laufe der Zeit mit einem signifikanten Trend verändern, oder ob ihr Auftreten noch im Rahmen der natürlichen Schwankungen liegt, besonders schwierig. Hinzu kommt, dass für die Beobachtung vieler Wetterextreme keine geeigneten langen Zeitreihen für die Beob achtungsdaten vorliegen und dass das Auftreten auch natürlichen Zyklen unterliegen kann. Beispielsweise oszilliert die Häufigkeit, mit der Hurrikane im Atlantik auftreten, mit einer Periode von mehreren Jahrzehnten (Trenberth 2005). Sind die Beobachtungszeitreihen nicht deutlich länger als diese Periodizität, können leicht Fehlinterpretationen bei der Korrelation von Erwärmung und Hurrikanhäufigkeit auftreten. Daher ist der Einfluss der anthropogenen Erwärmung auf die extremen Ereignisse zwar häufig plausibel, ein hieb- und stichfester wissenschaftlicher Nachweis aber schwer zu erbringen, so lange entsprechend lange Zeitreihen nicht vorliegen und die komplexen physikalischen Zusammenhänge und Rückkopplungen noch unzureichend verstanden sind. Die Verschiebung der Extreme Um herauszufinden, ob ein Wetterereignis oder der Wert einer Klimavariablen in einem bestimmten Zeitabschnitt und einer Region extrem ist, muss zunächst eine Häufigkeitsverteilung bestimmt werden. Diese 27

2 1.2 Joachim Curtius beschreibt, welche Werte in dieser Region wie häufig auftreten. So kann man beispielsweise für eine lange Zeitreihe von Temperaturmesswerten für jedes Jahr zunächst die mittleren Sommertemperaturen bestimmen (Mittelwert der Temperaturen für die Monate Juni, Juli und August). Die erhaltenen Mittelwerte werden dann in Intervalle eingeteilt, man zählt beispielsweise ab, in wie vielen Jahren die mittlere Sommertemperatur in einem Bereich zwischen 19 und 20 C gelegen hat. Die so erhaltene Häufigkeitsverteilung lässt sich oft gut durch eine Gauß-Verteilung beschreiben, deren Maximum dann die mittlere Sommertemperatur angibt und deren Breite die Streuung beschreibt, d.h. also die Variabilität dieses Klimaparameters. Die oberen und unteren Enden der Verteilung, zeigen dann die seltenen und die extrem seltenen Ereignisse an, hier also sehr warme bzw. kalte Sommertemperaturen, die in dieser Region nur in einem von 20 oder gar nur in einem von 100 Sommern auftreten (Abb a). Ändert sich nun das Klima, wird es beispielsweise gleichmäßig wärmer, so verschiebt sich auch diese Häufigkeitsverteilung, extrem kalte Temperaturen treten seltener auf, extrem warme werden deutlich häufiger. Es kann durch eine Klimaveränderung auch passieren, dass die Streuung der Werte sich ändert, ohne dass sich der Mittelwert verschiebt, dann würde sich die Verteilung entsprechend Abb b) verbreitern, in diesem Fall würden an beiden Enden der Verteilung die Extremwerte zunehmen. Wie man an der Abb c) erkennt, führt eine Zunahme von sowohl Mittelwert als auch Streuung zu einer starken Zunahme von heißen und extrem heißen Temperaturen (Folland et al., 2001). Ähnlich wie die hier beschriebenen statistischen Verteilungen für die durchschnittlichen Sommertemperaturen, können auch viele andere Wetterereignisse mit gaußförmigen oder anderen Häufigkeitsverteilungen charakterisiert werden, etwa wie groß die Regenmengen innerhalb von einer Stunde oder einem Tag sind, welche Windgeschwindigkeiten auftreten, oder die Dauer von Trockenperioden. Zuordnung des Anteils des Menschen an einzelnen Wetterextremen Die Klimaforschung möchte heute gerne herausfinden wie häufig Extremwerte von Klimavariablen in einem Klima mit den menschgemachten Treibhausgasen und anderen menschgemachten Klimaantrieben sind. Dies wird verglichen mit einem ansonsten identischen Klima, in dem aber die menschgemachten Antriebe fehlen. Leistungsstarke Erdsystemmodelle erlauben hier in den letzten Jahren große Fortschritte (Otto 2016). Indem man das Klima in Ensembles von Hunderten von Modellläufen simuliert, können auch für die extremen Wetterereignisse, die Wahrscheinlichkeiten Abb : Häufigkeitsverteilung (Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion) für standardverteilte Temperaturen. Änderung der Verteilung bei a) Zunahme des Mittelwerts, b) Zunahme der Streuung, und c) Zunahme von Mittelwert und Streuung (nach Abb. 2.32, Folland et al. 2001). 28

3 angegeben werden, wie häufig sie auftreten und wie häufig bestimmte Grenzwerte überschritten werden. Diese Werte werden zunächst ermittelt für ein Klima, das nicht durch den Menschen gestört wurde und das nur den natürlichen Schwankungen und natürlichen Klimaantrieben (etwa durch Veränderungen der Vulkanaktivität) unterliegt. Dann wird die Häufigkeit im vom Menschen veränderten Klima berechnet. Durch den Vergleich kann angegeben werden, wieviel größer die Eintrittswahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Extremereignis durch die anthropogenen Einflüsse wird. Peter Stott und Kollegen untersuchten so den in Europa ganz außergewöhnlichen Hitzesommer 2003, der bedingt durch die Hitzewelle im Juli und August zu mehreren Zehntausend zusätzlichen Todesfällen geführt hat. Die Rechnungen zeigten, dass sich durch den menschgemachten Beitrag die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines solch extremen Hitzesommers in Europa mindestens verdoppelt hat (Stott et al. 2004). Eine weitere Untersuchung zum Hitzesommer 2003 zeigte für die Schweiz, dass in diesem Sommer die Temperaturen um mehr als 5 Standardabweichungen vom Mittel abwichen und dass zur Erklärung dieses Ereignisses sich tatsächlich nicht nur die Mittelwerte verschoben haben, sondern dass auch die Breite der Häufigkeitsverteilung deutlich zugenommen haben muss (Schär et al. 2004). Viele weitere Untersuchungen zu solchen einzelnen Extremwetterereignissen folgten und über die letzten Jahre entwickelte sich ein eigenes Spezialgebiet der Klimaforschung, in dem für extreme Wetterereignisse mit Hilfe von Modellvergleichen bestimmt wird, welcher Beitrag an einem Extremereignis den menschgemachten Klimaantrieben zugeordnet werden kann und inwieweit sich die Risiken für bestimmte Wetterextreme durch den Klimawandel verändert haben (Coumou & Rahmstorf 2012, Otto 2016). Eine aktuelle Studie untersucht beispielsweise die Extremniederschläge, die durch den Hurrikan Harvey, im August 2017 in Houston, Texas, und Umgebung für extreme Überflutungen sorgten. Die maximalen Regenmengen, die in Houston und Umgebung niedergingen, stellen ein extrem außergewöhnliches Ereignis dar: die Rekordmengen betrugen mm Niederschlag innerhalb von sechs Tagen in Cedar Bayou und mm innerhalb von 3 Tagen über dem Ort Baytown. Die Berechnungen zeigten aber auch, dass sich das Risiko für solch ein Ereignis um etwa einen Faktor 3 im Zuge des bereits vollzogenen Klimawandels erhöht hat (van Oldenborgh et al. 2017). Die Niederschlagsmengen von über 900 mm innerhalb von 3 Tagen in der Region nordwestlich von Houston lagen damit über der Niederschlagsmenge, die durchschnittlich in Deutschland im gesamten Jahr niedergeht. Extremereignisse, die ausschließlich im anthropogen erwärmten Klima auftreten In den Jahren 2015 und 2016 lagen die globalen Jahresdurchschnittstemperaturen mit über 1,1 und fast 1,3 C Abweichung im Vergleich zum Zeitraum extrem hoch. Auch für diese Temperaturextreme wird mit Hilfe von Klimamodellrechnungen versucht, die Rolle des Menschen zuzuordnen. Knutson et al. stellen erstmals fest, dass bei den Simulationen für das natürliche System ohne menschgemachte Einflüsse solch hohe Durchschnittstemperaturen innerhalb von Modell-Jahren kein einziges Mal auftreten. Die Modellierung zeigt in diesem Fall, dass ein Extremjahr wie 2016 nur im vom Menschen veränderten Klima auftritt (Knutson et al. 2018). Der Winter 2015/2016 war allerdings auch von einer starken El Niño Phase geprägt. Im durch menschgemachte Treibhausgase beeinflussten Klima erhöhte El Niño die Eintrittswahrscheinlichkeit für die Rekordtemperaturen noch einmal auf das Doppelte (Knutson et al. 2018). Ebenso ließ sich für die Extremtemperaturen in Asien für das Jahr 2016 das gesamte Eintrittsrisiko eindeutig auf die anthropogenen Emis sionen zuordnen (Imada et al. 2018). Das Wissenschaftsjournal Nature kommentierte diese Zuordnungen von Extremereignissen auf den Menschen mit der Schlagzeile:»Wissenschaftler wagen den mutigen Schritt, den Menschen explizit für Extremereignisse verantwortlich zu machen«(nature Editorials 2017). Temperaturen >60 C am Persischen Golf im zukünftigen Klima? Die Frage, wie stark die Extremereignisse in den kommenden Jahrzehnten in Folge des Klimawandels in bestimmten Regionen zunehmen werden, steht ebenfalls im Fokus der Klimaforschung. Beispielhaft sollen hier die Ergebnisse zweier aktueller Studien zu Hitzewellen und Temperaturextremen kurz dargestellt werden. Jeremy Pal & Elfatih Eltahir untersuchen, wie sich die Tageshöchsttemperaturen im Sommer in der Region des Persischen Golfs und der Arabischen Halbinsel bei ungebremst hohen Treibhausgasemissionen (entsprechend des Representative Concentration Pathway RCP8.5, s. van Vuuren et al. 2011) in die Atmosphäre entwickeln (Pal & Eltahir 2016). Ihren Modellrechnungen zu Folge würden zum Ende des Jahrhunderts in Kuwait oder Teilen des Irak die Tageshöchsttemperaturen oft über 60 C steigen (s. Abb )! Und da unter diesen Bedingungen aus dem stark aufgeheizten Persischen Golf auch sehr viel Wasserdampf verdunstet, läge entlang der Küste auch die Luftfeuchte unerträglich hoch. Da der menschliche Körper unter diesen extrem schwülen Bedingungen durch 29

4 1.2 Joachim Curtius Schwitzen nicht mehr genügend Körperwärme abführen kann, würde den Menschen dort bei Aufenthalt im Freien unter diesen Bedingungen schon nach kurzer Zeit ein Hitzschlag drohen. Der Klimaparameter, der Temperatur und Luftfeuchte gleichzeitig berücksichtigt, ist die Feuchttemperatur TW (engl. wet-bulb temperature), welche die minimale Temperatur angibt, auf die ein Luftpaket mit Hilfe von Evaporationskühlung abgekühlt werden kann. Ab einer Feuchttemperatur TW von 35 C kann der menschliche Körper eine solche Temperatur nicht mehr aushalten (Sherwood & Huber 2010). Die Modellrechnungen von Pal & Elhatir zeigen, dass zum Ende des 21. Jahrhunderts in vielen Küstenstädten am Persischen Golf wie Dubai, Abu Dhabi oder Dhahran immer wieder im Sommer maximale Feuchttemperaturen von 35 oder darüber erreicht werden (s. Abb ). Natürlich sind solche Modellrechnungen von einem einzelnen Klimamodell mit einigen Unsicherheiten behaftet und weitere Untersuchungen müssen diese Prognosen bestätigen. Da aber bereits im Jahr 2015 in Bandar Mahshahr, Irak, ein TW-Wert von 34,6 C erreicht wurde, erscheint es sehr plausibel, dass im Zuge der weiteren Erwärmung auch der Grenzwert von 35 C für TW in dieser Region tatsächlich regelmäßig überschritten würde (Schär 2016). Die Untersuchungen zeigen sehr eindrücklich, welche Auswirkungen der für den Laien so gering wirkende Anstieg der globalen Durchschnittstemperaturen um wenige Grad bis zum Ende des Jahrhunderts bei den extremen Ereignissen zur Folge haben könnte. Eine Folgestudie untersucht in ähnlicher Art und Weise die Entwicklung der Extremwerte von Tmax und TWmax für den indischen Subkontinent, speziell für die Länder Indien, Pakistan und Bangladesch (Im et al. 2017). Auch hier zeigt sich, dass bei fortgesetzt hohen Emissionen entsprechend RCP8.5 zum Ende des 21. Jahrhunderts in vielen Regionen die TWmax-Werte häufig über 31 C liegen, in manchen Regionen insbesondere entlang der niedrig gelegenen Täler von Ganges und Indus werden auch 35 C erreicht. Die Autoren schätzen, dass TWmax-Werte, die heute etwa einmal in 25 Jahren auftreten, im Jahr 2100 jährlich zu erwarten sind, und dass etwa 75% der dortigen Bevölkerung TWmax-Bedingungen oberhalb von 31 C ausgesetzt wären. Diese TW-Werte werden bereits als gesundheitlich gefährlich für die meisten Menschen eingestuft. Insbesondere wegen der riesigen Bevölke- Abb : Verteilung der extremen Feuchttemperaturen TWmax (a-c) und der Extreme der Tageshöchsttemperatur Tmax (d-f) berechnet aus den 30-jährigen Ensemblemittelwerten eines regionalen Klimamodells. a) und d) zeigen die Werte für Modellläufe für den historischen Zeitraum , (HIST). Weiterhin gezeigt sind die Werte für den Zeitraum für einen mittleren Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen (RCP4.5, b und e) und einen ungebremsten Anstieg (RCP8.5, c und f). Mittelwerte für die gesamte Modelldomäne (Bildausschnitt, DOM), für die Landflächen (LND) und für die Arabische Halbinsel (AP) sind aufgeführt. TWmax und Tmax bezeichnen die maximalen Tageswerte, gemittelt über ein 6-Stunden-Zeitfenster (aus Pal & Eltahir 2016) (Mit freundlicher Genehmigung des Autors). 30

5 rungszahlen mit weit über einer Milliarde betroffenen Menschen und der hohen Vulnerabilität der dort lebenden Bevölkerung, besteht ein hohes Risiko, dass eine solche Entwicklung katastrophale und unkontrollierbare Folgen mit sich bringen würde (Im et al. 2017). Schlussbetrachtung Die Zunahme der Wetterextreme in Folge des vom Menschen verursachten Klimawandels ist heute insbesondere für Hitzewellen und Temperaturextreme bereits eindeutig nachweisbar (Coumou et al. 2013; Horton et al. 2016; Meehl & Tebaldi 2004, Perkins 2015; Rahmstorf & Coumou 2011). Die damit einhergehenden Bedrohungen für die menschliche Gesundheit, die gigantischen wirtschaftlichen Schäden und die gravierenden Folgen für viele Ökosysteme stellen massive negative Auswirkungen für Mensch und Umwelt dar. In Zukunft könnte eine weitere Zunahme der Wetterextreme, neben der Möglichkeit des Erreichens von Kipppunkten im Klimasystem, zu den schwerwiegendsten Folgen des menschgemachten Klimawandels führen. Je weiter sich das Klimasystem in Zukunft vom bisherigen Zustand entfernt, desto wahrscheinlicher werden auch grundsätzliche Änderungen der atmosphärischen Zirkulationsdynamik, deren Auswirkungen auf die Wetterextreme sich in den heutigen Klimamodellen nur sehr begrenzt vorhersagen lassen. Um unkontrollierbar große Schäden durch Wetterextreme zu vermeiden, müssen die menschgemachten Treibhausgasemissionen sehr rasch verringert werden. Die globale und nachhaltige Umsetzung der hierfür notwendigen Maßnahmen stellt uns vor die vielleicht größte Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Literatur COUMOU, D. & S. RAHMSTORF (2012): A decade of weather extremes. Nature Climate Change 2 (7): COUMOU, D., A. ROBINSON & S. RAHMSTORF (2013): Global increase in record-breaking monthly-mean temperatures. Climatic Change 118 (3-4): FOLLAND, C. K., T. R. KARL, J. R. CHRISTY et al. (2001): Observed Climate Variability and Change. In: Climate Change 2001: The Scientific Basis. 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