Der Anpassungsdruck an Wetterextreme steigt

Nach der "Bringschuld" durch die Wissenschaft gibt es auch eine "Annahmepflicht" durch die Gesellschaft. Eine Schlussfolgerung aus dem schweren Hochwasser vom Juli sollte der Abschied von der Dominanz ökonomischer Argumente in der Regionalentwicklung sein.


Ein Gewässer-Warnschild steht im Rhein-Hochwasser.
Es ist nicht genug, zu wissen, man muss auch anwenden – vor der Flut und nach der Flut. (Foto: Markus Distelrath/Pixabay)

Das jüngste schwere Hochwasser in Teilen Deutschlands und Belgiens, das zu einer für die meisten nicht mehr vorstellbaren Katastrophe mit über 200 Toten führte, ist ein Paradebeispiel dafür, wie gute bis exzellente Warnungen vor drohender Lebensgefahr nicht ernstgenommen wurden, sowohl von manchen Behörden als auch von vielen Bürgern.

Die weltweit kräftig zunehmenden Klimaänderungen durch uns Menschen, die nachweislich zur höheren Intensität von Niederschlagsereignissen beitragen, werden bezüglich ihres Potenzials für neue extreme Wetterereignisse in der Öffentlichkeit weithin unterschätzt. Und das, obwohl die physikalischen Grundlagen dafür zum Teil aus dem 19. Jahrhundert stammen und sich in der wissenschaftlichen Literatur, aber auch in den seriösen Medien die Befunde und Berichte über die neuen Extreme häufen.

Im Folgenden möchte ich zunächst über die starke Temperaturabhängigkeit des Wasserdampfgehalts der Luft reden, der eigentlichen physikalischen Basis der vielerorts neuen Niederschlagsextreme.

Danach diskutiere ich die wissenschaftlich noch nicht gesicherte Schwächung des sogenannten Jetstreams in etwa zehn Kilometern Höhe als eine mögliche Folge der besonders starken Erwärmung der Arktis. Diese Abschwächung könnte vor allem im Sommerhalbjahr die Wahrscheinlichkeit für sich nur langsam bewegende Hoch- und Tiefdruckgebiete erhöhen, was je nach geografischer Länge und Breite des Mäanders des Jetstreams regional zu entweder bisher nicht bekannten Dürren oder Rekordpegeln bei Hochwassern führt.

Und schließlich füge ich eine weitere dynamische und thermodynamische Eigenschaft der Atmosphäre hinzu, nämlich die bei erwärmter Oberfläche höher reichende Konvektion, wodurch pro Grad Erwärmung an der Oberfläche bei Gewittern bis über zehn Prozent höhere Regenraten und damit verstärkt Sturzfluten möglich sind.

Nach dieser naturwissenschaftlichen Teilklärung möchte ich über Fehler bei der Diskussion über die Folgerungen aus der Zerstörung berichten, einen Ausblick auf zukünftiges Extremwetter geben und offensichtliche, aber dabei auch schwierige Reaktionen vorschlagen.

Wasserdampfgehalt der Luft stark temperaturabhängig

Im Jahre 1844 hat Heinrich Gustav Magnus die nach ihm benannte Gleichung vorgestellt. Sie beschreibt den exponentiellen Anstieg des maximalen Wasserdampfdrucks in Abhängigkeit von der Temperatur. Danach steigt der sogenannte Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes – er ist erreicht, wenn sich am Ort Nebel oder Wolken bilden – von nur 6,1 Hektopascal Anteil an den insgesamt rund 1.013 Hektopascal Luftdruck bei null Grad Celsius schon auf doppelte 12,3 Hektopascal bei zehn Grad und auf erneut fast verdoppelte 23,4 Hektopascal bei 20 Grad.

Porträtaufnahme von Hartmut Graßl.
Foto: MPI-M

Hartmut Graßl

arbeitet seit Jahrzehnten in der Klimaforschung und war einer der ersten Wissenschaftler in Deutschland, die vor den Folgen des Klimawandels warnten. Der Physiker und Meteorologe war bis 2005 Direktor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg. Graßl ist Mitglied des Herausgeberrates von Klimareporter°.

Ein Beispiel aus dem Alltag: Wer im Winter bei null Grad und Nebel stoßlüftet, hat danach in seinem Wohnzimmer bei 20 Grad nur noch eine relative Feuchte von etwa 27 Prozent, also sehr trockene Luft.

Mit jedem Grad Temperaturanstieg nimmt der maximal mögliche Wasserdampfgehalt der Luft um fast sieben Prozent zu. Strömt heute Luft, die in Deutschland im Mittel bereits um 1,6 Grad wärmer ist als um 1900, im Bergland bei Bewölkung mit Niederschlag hangaufwärts, dann wird die Niederschlagsrate bei sonst unveränderten Strömungsbedingungen und bei unveränderter relativer Feuchte im Talgrund um mindestens elf Prozent höher sein. Die Luft, die wir einatmen, enthält im Mittel heute mehr Wasserdampf als um 1900.

Schwächelnder Jetstream?

Das Starkwindband um die Nordhalbkugel in etwa zehn Kilometern Höhe, definiert mit einer Windgeschwindigkeit über 30 Meter pro Sekunde, das im Winter oft Windgeschwindigkeiten über 300 Kilometer pro Stunde erreicht, "führt" die Tiefdruckgebiete mittlerer Breiten. Dieses etwa hundert Kilometer breite Gebiet besonders hoher Windgeschwindigkeit nennen die Meteorologen Strahlstrom, englisch jet stream.

Bei hohen Temperaturunterschieden zwischen niedrigen und hohen geografischen Breiten einer Erdhälfte, also im jeweiligen Winter, ist die Windgeschwindigkeit im Strahlstrom oder Jetstream besonders hoch und die in der unteren Atmosphäre dann besonders kräftigen Tiefdruckgebiete verlagern sich schnell, beispielsweise in nur wenigen Tagen vom westlichen Nordatlantik vor Kanada bis nach Skandinavien.

Ist der bei den jüngsten Hochwassern in Deutschland schwach ausgeprägte und stark mäandrierende Jetstream mit einem sich kaum verlagernden Tiefdruckgebiet im südlichen Mitteleuropa typisch für die anthropogenen Klimaänderungen? Das ist eine noch nicht eindeutig beantwortete Forschungsfrage.

Denn die Temperaturdifferenz zwischen niedrigen und hohen Breiten, der Antrieb für den Jetstream, ist je nach Höhe in der Atmosphäre durch die anthropogenen Klimaänderungen zu- oder abnehmend. Während in der unteren Atmosphäre und an der Oberfläche die Temperaturdifferenz schrumpft, weil sich die Arktis rascher erwärmt als die Tropen und Subtropen, gilt das für die Jetstreamhöhe von etwa zehn Kilometern nicht: Dort ist sogar eine Zunahme der Temperaturdifferenz möglich, weil der erhöhte Treibhauseffekt in niedrigen Breiten zu stärkerer Erwärmung in zehn Kilometern Höhe führt als in den hohen Breiten.

Weder Untersuchungen mit gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Land-Modellen noch die Analysen des Wetters der letzten Jahrzehnte zeigen einen signifikanten Trend bei diesen auch blockierend genannten Wetterlagen. Aus diesem Grund steht in der Zwischenüberschrift ein Fragezeichen.

Klar ist jedoch, dass die blockierende, also sich kaum bewegende Wetterlage mit einem sehr schwachen und stark mäandrierenden Jetstream in Mitteleuropa in diesem Juli bei jetzt höheren Temperaturen vielerorts Rekord-Niederschlagsmengen verursacht hat.

Hochreichende Konvektion verstärkt die Erwärmung

Der stark temperaturabhängige Wasserdampfgehalt der Luft und die generelle Temperaturabnahme mit der Höhe bedingen, dass bei hochreichender Konvektion – also an Tagen mit starker vertikaler Temperaturabnahme und/​oder starker Sonneneinstrahlung – fast der gesamte Wasserdampfgehalt über einem Ort als Regen oder Hagel ausfallen kann. Im Hochsommer könnten so ohne Zusammenströmen von den Seiten in unseren Breiten bei Hitzewellen an einem Ort bis zu 40 Liter Regen pro Quadratmeter zusammenkommen.

Die Rekordniederschlagsmengen liegen aber weit höher – in Deutschland zum Beispiel bei 312 Millimetern innerhalb von 24 Stunden in Zinnwald-Georgenfeld am Erzgebirgskamm am 12. August 2002 –, sodass das Einströmen von der Seite oder das erzwungene Aufsteigen bei Anströmung im Bergland eine wesentliche Rolle spielen müssen.

Wie so oft sind eine langfristige und sorgfältige Beobachtung sowie die richtige Fragestellung bei der Auswertung erhellend: Nimmt mit der Erwärmung an der Oberfläche die Niederschlagsmenge bei konvektiven Niederschlägen, zum Beispiel bei Gewittern, noch stärker zu, als es die thermodynamischen Gleichungen vorgeben, gibt es also auch eine intensivierte Dynamik der Atmosphäre?

Die Antwort lautet: Ja, die Auswertung langer Messreihen an inzwischen vielen Orten mittlerer Breiten zeigt, dass bei höheren Temperaturen in der unteren Atmosphäre die Regenmenge pro Ereignis bei intensiver Konvektion stärker zunimmt als um die erwähnten sieben Prozent pro Grad, nämlich um bis zu 13 bis 15 Prozent pro Grad.

Es wird also bei noch höherer Aufwindgeschwindigkeit im Inneren der Konvektions- oder Gewitterzelle noch mehr von dem Wasserdampf in die flüssige Phase und auch bei Hitzewellen oberhalb von etwa vier Kilometern Höhe in die Eisphase überführt und damit auch Sublimationswärme freigesetzt, wodurch in den unteren Schichten das Einströmen von der Seite intensiviert wird sowie auch die Konvektions- oder Gewitterzelle noch größere Höhen erreicht.

Steht dieses Grundwissen im Einzelfall für eine korrekte Vorhersage ausreichend genau zur Verfügung? Ist also das Startfeld für eine Wettervorhersage genau genug bekannt und sind auch alle wichtigen Prozesse in der Atmosphäre in den Wettervorhersagemodellen so weit enthalten, dass auch neue Extremniederschläge wie im Juli 2021 örtlich und mengenmäßig korrekt vorhergesagt werden können? Haben die Wetterdienste diesen Härtetest bei der Vorhersage neuer Extreme bestanden?

Sehr genaue Niederschlagsvorhersagen der Wetterdienste

Steigt in Tiefdruckgebieten über großen Flächen Luft in der unteren Atmosphäre mit einigen Zentimetern pro Sekunde auf, dann fällt Dauerregen, und dieser ist besonders ergiebig beim erzwungenen Aufsteigen an angeströmten Berghängen. Kommen eingelagerte Konvektionszellen hinzu und ist es besonders warm, dann sind dort Rekordniederschläge fällig.

In den Wettervorhersagemodellen, die horizontal immer besser die Topografie beachten und auch die Niederschlagsbildung in Konvektionszellen realistisch nachbilden, läuft das bisher Geschilderte so nahe zur späteren Realität ab, dass zum Beispiel das Europäische Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage im englischen Reading sehr gute Vorhersagen für Rekordniederschlagsmengen für bis zu zehn Tage veröffentlicht hat, der Deutsche Wetterdienst (DWD) bei den jüngsten Hochwassern für bis zu drei Tage.

In den Modellen stimmten also – bei Vorlaufzeiten bis zu einigen Tagen – nicht nur die Lage des sich wenig bewegenden Tiefdruckgebiets und die hohen Temperaturen, es stimmten auch die eingelagerten Niederschlagsgebiete und die Gebiete hochreichender Konvektion. Die Basis für Warnungen vor einem Extremniederschlag war also korrekt.

Was vielleicht nicht nur mir persönlich bei den bis zu vier Tage vorher abgegebenen Vorhersagen der Rekordniederschläge fehlte, war die Einordnung im Vergleich zu bisherigen Höchstwerten. Denn die vorhergesagten Regenmengen in den Gebieten maximaler Niederschläge waren neue Extreme mit Werten, die seit Beginn der regelmäßigen Messungen um 1880 noch nie aufgetreten waren.

Als die ZDF-Wetterchefin Katja Horneffer, eine frühere Doktorandin von mir, schon Tage vor dem Ereignis von Niederschlagsmengen bis zu 200 Millimetern in zwei Tagen auf der Basis der Vorhersagen des DWD sprach, war klar, dass das für die Eifel und das benachbarte Belgien neue Rekordwerte waren. Es hätten bei allen Katastrophenschutzinstitutionen nicht nur sämtliche Warnlampen leuchten müssen, sondern jeder Bewohner in der Nähe von Bächen und Flüssen hätte durch verschiedene Medien vor der Lebensgefahr gewarnt werden müssen.

Entsprechende Warnungen waren zum Beispiel vom europäischen Flutwarndienst Efas ab Samstag, dem 10. Juli – vier Tage vor der Katastrophe – an die Landesregierungen und den Bund übermittelt worden. In Deutschland gehen die Efas-Meldungen an die Landesumweltämter in Bayern, Hessen und Sachsen und an das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe in Bonn. Das Efas warnte damals vor Überflutungen für den Rhein in Deutschland und in der Schweiz sowie danach auch für die Maas in Belgien.

Schwierige Einordnung von Extremen bei raschen Klimaänderungen

Viele sprechen vom Jahrhunderthochwasser oder der Jahrhunderthitzewelle. Das ist strenggenommen nur dann ein korrektes Maß für Klimavariabilität, wenn sich die Mittelwerte des Klimas in Jahrhunderten nicht ändern.

Wir leben aber in einer Zeit rascher, vom Menschen verursachter Klimaänderungen durch einen sich systematisch weiter verstärkenden Treibhauseffekt der Atmosphäre. Weil sich dadurch die Temperatur an der Erdoberfläche weiter erhöhen wird, wird sich auch an jedem Ort die Wetterstatistik weiter ändern.

Bei der Dämpfung der Emissionen und damit des Treibhauseffekts durch Klimapolitik gibt es bis zu einer globalen Wirkung lange Bremswege von mindestens einigen Jahrzehnten. Das betrifft auch Niederschlagsextreme wie Dürren und Hochwasser, bei denen in vielen Regionen Änderungen der Statistik schon heute nachgewiesen sind.

Es wird also in vielen Regionen immer wieder neue Niederschlagsrekorde geben und die Bewohner müssen neue Pegelhöchststände mit entsprechenden Zerstörungen an Häusern und unangepasster Infrastruktur überleben.

Es rächt sich jetzt, dass seit dem ersten Bericht des "Weltklimarates" IPCC an die Regierungen im Jahr 1990 bis zu dem völkerrechtlich verbindlichen Paris-Abkommen von 2015, also fast bis heute, kaum globale Klimapolitik betrieben wurde. Dabei haben seit 1990 immer neue wissenschaftliche Bewertungen zu anthropogenen Klimaänderungen durch die Vereinten Nationen allen Regierungen klargemacht, dass die Klimaänderungen bei Nichtstun, das heißt ohne drastische Emissionsminderung, weiter zunehmen werden.

Deshalb ist für das diesjährige Hochwasser an der Ahr das ihm fast gleichkommende Hochwasser von 1804 kein Maß zur Einordnung, weil wegen der derzeitigen raschen Klimaänderungen durch uns Menschen das "Jahrhunderthochwasser" nicht mehr wie früher definiert ist. Der im 19. Jahrhundert eingeführte Begriff war nur so lange hilfreich, wie das Klima als grob stabil über Jahrhunderte angenommen werden konnte.

Die Hochwasser des Jahres 2021 in Deutschland sind allerdings von Niederschlägen ausgelöst worden, die von den weltweit möglichen maximalen Niederschlagsraten pro Stunde, pro Tag oder pro Woche noch sehr weit entfernt sind.

Ein Beispiel: Der höchste bisher auf der Welt gemessene Tagesniederschlag lag bei etwas über 1.800 Litern pro Quadratmeter oder 1,8 Meter Wassersäule. Die neuen Rekorde in der Eifel liegen also immer noch unter einem Zehntel der weltweiten Rekordwerte.

Die Niederschlags-Rekordwerte treten für Zeitabschnitte bis zu einigen Stunden in Gewittern auf, manchmal sind auch Orte mittlerer Breiten dabei, bei Tagen Dauer in tropischen Wirbelstürmen, bei Wochen bis Monaten im indischen Monsun.

Wir müssen mit weiteren neuen Niederschlagsrekordwerten in den kommenden Jahrzehnten rechnen, kennen aber die Zuschläge und damit die Dimension der nötigen Schutzbauten durch die weiteren Klimaänderungen nur ungenau, auch weil sie erst in Jahrzehnten von der global koordinierten Klimapolitik gemindert werden können.

Wie sollen wir uns anpassen?

Völkerrechtlich verbindlich ist laut dem Paris-Abkommen von 2015 eine maximale mittlere globale Erwärmung wesentlich unter zwei Grad festgeschrieben. Erreichbar ist dieses Ziel nur durch eine rasche und drastische Minderung der Treibhausgasemissionen, sodass die Hauptemittenten um 2050 die Verbrennung aller fossilen Brennstoffe beenden, zunächst der Kohle, dann aber auch von Erdöl und schließlich Erdgas.

Dieser Ausstieg wird in manchen Ländern Energiewende genannt, aber die bisherige globale Klimapolitik ist davon in fast allen Ländern noch weit entfernt.

Für Mitteleuropa bedeutet ein erfolgreich umgesetztes Paris-Abkommen wegen der stärkeren Erwärmung in hohen mittleren Breiten etwa drei Grad Erwärmung gegenüber dem Ende des 19. Jahrhunderts. Davon ist heute schon die Hälfte erreicht und daher müssen wir mit immer neuen Wetterextremen rechnen.

Auch wenn das Paris-Abkommen hoffentlich eingehalten wird, bedeutet das mindestens im gesamten 21. Jahrhundert einen erhöhten Anpassungsdruck an neue Wetterextreme, vor allem Hitzewellen und Dürren im Sommerhalbjahr sowie Rekordniederschläge mit Sturzfluten und Hochwassern zu allen Jahreszeiten.

Je langsamer die globale Energiewende vorankommt, umso stärker wird der Anpassungsdruck an neue Wetterextreme noch darüber hinaus ansteigen. Wir müssen das nicht Beherrschbare durch Klimapolitik vermeiden und uns an das nicht mehr zu Vermeidende anpassen. Klimapolitik ist heute wesentlicher Teil der Außenpolitik. Durch die seit 1990 sehr zögerlichen oder untätigen Regierungen ist die Anpassungslast besonders hoch geworden.

Was heißt das für EU, Bund, Länder, Kommunen und Bürger?

Die Hochwasserkatastrophe in Mitteleuropa im Juli 2021 mit über 200 Todesopfern, vor allem in der Eifel, hat das gestiegene Überflutungsrisiko allen direkt oder indirekt vor Augen geführt. Das von anthropogenen Klimaänderungen ausgehende globale und vielfältige Risiko ist jetzt auch bei der bisher nicht allzu heftig betroffenen deutschen Bevölkerung angekommen.

Wo wir schon früher betroffen waren, hat unser vergleichsweise reiches Land Schäden umfangreicher kompensiert als fast alle anderen Länder, hat zum Teil mit verstärkten Schutzmaßnahmen reagiert und auch die Warnsysteme teilweise ertüchtigt.

Das erhöhte Risiko durch die von uns ausgelösten Klimaänderungen drückt sich meist in neuen Wetterextremen aus – mit Schäden in der Landwirtschaft, an der Infrastruktur und an persönlichem Eigentum. So entstanden im Juli 2021 nach Schätzungen weit mehr als fünf Milliarden Euro Schäden an einem einzigen Tag mit neuen Niederschlagsrekorden in einer vergleichsweise kleinen Region.

Da eine ähnliche Gefahr für viele andere Regionen mittlerer geografischer Breiten besteht, ist in vielen Ländern eine Fülle von Aufgaben und Baumaßnahmen zu schultern:

  • Neue, für jede Region durch Beteiligung vieler Institutionen zu erarbeitende Hochwasserrisikokarten,
  • dadurch stark ausgeweitetes Verbot des Bauens in alten und neuen Überflutungsgebieten,
  • durchgehende Warnsysteme der dazu autorisierten öffentlichen Institutionen, wie Deutscher Wetterdienst, hydrologische Dienste der Länder sowie Efas,
  • Investitionen in Schutzbauten – in Anlehnung an den langfristigen Küstenschutz, der wegen des Meeresspiegelanstiegs durch die anthropogenen Klimaänderungen bereits einen dominanten Klimaänderungszuschlag bei Deichhöhen enthält –,

Tacheles!

In unserer Kolumne "Tacheles!" kommentieren Mitglieder unseres Herausgeberrates in loser Folge aktuelle politische Ereignisse und gesellschaftliche Entwicklungen.

  • Schaffung weiterer Überflutungszonen und Rückhaltebecken zur Kappung der Flutspitzen,
  • Finanzierung der Maßnahmen auch aus den Einnahmen der CO2-Bepreisung,
  • jährliche Hochwasserschutzübungen,
  • hochwassersichere Brücken,
  • Umsiedlungsangebot für Häuser mit besonderer Gefahrenlage,
  • Schul-Curricula mit Klimaänderungsmodul in mehreren Fächern,
  • Klimaschutzmaßnahmen beim Wiederaufbau, zum Beispiel Erdsonden statt Öltanks.

Zusammengefasst: Abschied von der Dominanz ökonomischer Argumente bei der Regionalentwicklung. Eine nachhaltige Entwicklung ist nur durch ganzheitliche Ökologie zu erreichen, in der die Mitlebewesen beachtet werden, der Unterschied zwischen Arm und Reich vermindert wird und die wirtschaftliche Entwicklung sich einfügt.

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