Geschäftsbereich Klima und Umwelt
Die Entwicklung von Starkniederschlägen in Deutschland Plädoyer für eine differenzierte Betrachtung
Paul Becker, Andreas Becker, Clementine Dalelane, Thomas Deutschländer, Thomas Junghänel und Andreas Walter Stand: 19.07.2016
Physikalische Grundlagen Im Zuge der allgemeinen Erderwärmung sind die Mitteltemperaturen in Deutschland je nach Jahreszeit und Region in den vergangenen 135 Jahren um etwa 1,4°C und damit um knapp ein halbes Grad mehr als im globalen Durchschnitt angestiegen. Damit einhergehend stellt sich auch hierzulande die Frage nach den Veränderungen meteorologischer Extreme wie z.B. Dürren, Starkregen oder Stürme. Im Folgenden ist jedoch ausschließlich unser Stand des Wissens bezüglich des Änderungsverhaltens von Starkniederschlägen zusammengefasst. Dabei stehen die bereits beobachteten Änderungen in Deutschland im Vordergrund. Darüber hinaus sollen diese aber auch den Ergebnissen regionaler Klimamodelle vergleichend gegenübergestellt werden. Prinzipiell ist zu erwarten, dass die Niederschlagsmengen mit steigenden Temperaturen ebenfalls zunehmen werden. Diese Annahme beruht auf der physikalischen Tatsache, dass wärmere Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann als kältere Luft. Bei weitgehend gleichbleibender relativer Luftfeuchtigkeit wären daher grundsätzlich auch mehr Niederschläge zu erwarten. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass es, insbesondere auf der so genannten konvektiven Skala, also bei der Entstehung von Schauern und Gewittern, infolge der geänderten meteorologischen Verhältnisse auch zu einer Intensivierung der ablaufenden wolken- und niederschlagsbildenden Prozesse kommt. Die unter derartigen Bedingungen fallenden Starkniederschläge würden dann im Vergleich zum erhöhten Wasserdampfgehalt der Luft sogar überproportional zunehmen. Allerdings spielen bei der Niederschlagsbildung eine ganze Reihe weiterer Faktoren und Prozesse über ein weites Spektrum an Skalen von der großräumigen atmosphärischen Zirkulation, d.h. der weltweiten Verteilung von Hoch- und Tiefdruckgebieten im wöchentlichem Wechsel, bis zur Konvektion und Wolkenphysik auf der Zeitskala von Minuten, eine wesentliche Rolle. Dementsprechend ist zumindest mit regionalen Unterschieden zu rechnen. Nicht überall werden die Niederschläge im gleichen Maße zunehmen, in manchen Gebieten könnte es durchaus auch trockener werden. Trendanalysen von Starkniederschlägen sind prinzipiell dadurch erschwert, dass die häufig besonders intensiven kleinräumigen Niederschläge nicht immer von den meteorologischen Stationen erfasst werden, sondern zum Teil auch dazwischen auftreten und somit durch das Raster fallen können. Für die vergangenen rund 15 Jahre existieren zwar zusätzlich auch flächendeckende Radardaten, für robuste Trendaussagen ist ein solcher Zeitraum aber noch zu kurz. Dennoch können Radardaten Auswertungen auf Basis von Stationsdaten bereits heute sinnvoll ergänzen, z.B. für einen Abgleich der Ergebnisse in der Fläche für eine Teilperiode des gesamten Untersuchungszeitraums.
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Die unterschiedlichen Zeitskalen von stratiformen und konvektiven Niederschlägen sowie die verschiedenen Möglichkeiten bei der Änderung des Starkniederschlagcharakters erfordern eine hochgradige Differenzierung der Daten. Während rein konvektive Ereignisse zumeist von eher kurzer Dauer bis zu einer Stunde sind, können Mischformen und insbesondere ausschließlich stratiforme Niederschläge auch wesentlich länger, bis hin zu mehreren Tagen anhalten. Dabei ist in der Praxis zu beobachten, dass die Intensität der Niederschläge, also die gefallene Regenmenge pro Zeiteinheit, mit wachsenden Andauern zurückgeht. Dementsprechend ist es sinnvoll und notwendig, das Änderungsverhalten von Niederschlägen unterschiedlicher Andauern (so genannte Dauerstufen) getrennt voneinander zu betrachten. Aufgrund der Messgegebenheiten wird dabei häufig zwischen Tagesniederschlagssummen und kürzeren Zeitintervallen bis hinunter auf Dauerstufen von 5 Minuten unterschieden. Allerdings beschränken sich viele Untersuchungen infolge der Datenverfügbarkeit auf eine minimale zeitliche Auflösung von 60 Minuten. Hinsichtlich des Starkniederschlagscharakters können sich neben der Intensität auch die Häufigkeit sowie die zeitliche Verteilung der Ereignisse verändern. Im Winterhalbjahr sind konvektive Niederschlagsereignisse und damit auch die kurzen Dauerstufen derzeit aber noch von eher untergeordneter Bedeutung.
Aktueller Kenntnisstand Daten 24-stündiger Auflösung Für das Gebiet der Bundesrepublik zeigen Trendanalysen des Deutschen Wetterdienstes täglicher Niederschlagssummen von über 1000 Stationen seines Niederschlagsmessnetzes für den Zeitraum 1951 bis 2006 wie erwartet deutliche Unterschiede zwischen Sommer und Winter. An Hand verschiedener Niederschlagsschwellenwerte (so genannter Quantile) wurde die Entwicklung der Auftrittshäufigkeit seltener Ereignisse für insgesamt sieben auf der naturräumlichen Gliederung Deutschlands basierender Regionen in Form von Gebietsmitteln ausgewertet (Winterrath et al., 2014). Sowohl für den meteorologischen 1 als auch den hydrologischen 2 Winter ist die Häufigkeit hoher täglicher Regenmengen demnach im Verlaufe des Untersuchungszeitraums um rund 25% angestiegen (vgl. Abb. 1). Dabei unterscheidet sich die Entwicklung in den einzelnen Regionen Deutschlands nur unwesentlich voneinander. In beiden Fällen, insbesondere aber für die meteorologischen Wintermonate, lässt sich jedoch nicht mit letzter Sicherheit sagen, inwieweit der beobachtete Anstieg auf die natürliche Klimavariabilität zurückzuführen ist. Für eine solche Differenzierung reicht selbst die Länge dieser Zeitreihen nicht aus. Für den Sommer (meteorologisch sowie hydrologisch) lassen sich dagegen praktisch keine Trends identifizieren. Hier dominieren kurz- und längerfristige zyklische Variabilitäten. Zudem verlief die Starkniederschlagsentwicklung seit 1951 in den einzelnen Regionen sehr unterschiedlich, wodurch das indifferente Gesamtbild zu dieser Jahreszeit noch weiter verstärkt wird. Lediglich für den hydrologischen Sommer 3 und den höchsten ausgewerteten Schwellenwert 4 ist für die Südhälfte Deutschlands eine leichte Zunahme erkennbar. Obgleich aufgrund des geringen Anstiegs nicht gesichert, ist dieses Ergebnis insofern beachtenswert, dass hier gerade der deutlich extremste Schwellenwert etwas heraussticht (vgl. Abb. 2). Ein dazu passendes Bild liefern die aktuellen Ergebnisse einer Studie von Murawski et al. (2016). Deren eigene Auswertungen täglicher Stationsmessungen des Zeitraums 1951 bis 2006 sowie die Resultate 15 weiterer von 2003 bis 2014 erschienener Veröffentlichungen 1
Dezember bis Februar November bis April 3 Mai bis Oktober 4 99%-Quantil, das entspricht einem Wert, der im Mittel einmal an 100 Tagen überschritten wird 2
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untermauern die charakteristisch hohe Niederschlagsvariabilität im Sommer, wo sowohl Zuals auch Abnahmen des Starkniederschlages selbst an benachbarten Stationen auftreten können, während im Winter fast ausschließlich Zunahmen und entsprechend deutlich homogenere Trendmuster auftreten.
Abbildung 1: Änderung der Gebietsmittel der Überschreitungswahrscheinlichkeit des 99%-Quantils der täglichen Niederschlagsmengen im Zeitraum 1951-2006 für insgesamt sieben Regionen Deutschlands im hydrologischen Winterhalbjahr (November bis April).
Abbildung 2: Änderung der Gebietsmittel der Überschreitungswahrscheinlichkeit des 99%-Quantils der täglichen Niederschlagsmengen im Zeitraum 1951-2006 für insgesamt sieben Regionen Deutschlands im hydrologischen Sommerhalbjahr (Mai bis Oktober).
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Abbildung 3: Im Rahmen der im Text vorgestellten Untersuchungen verwendete Gebietseinteilung. Die insgesamt sieben Regionen basieren auf der naturräumlichen Gliederung Deutschlands. Die Farbgebung korrespondiert mit den in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten zeitlichen Verläufen der Überschreitungswahrscheinlichkeit des 99%-Quantils der Niederschlagsmengen.
Andauern unterhalb von 24 Stunden Für kürzere Dauerstufen von weniger als 24 Stunden liegen konkret für das Gebiet von Deutschland bislang noch recht wenige Erkenntnisse zum Trendverhalten von Starkniederschlägen vor. Zwar deuten Analysen von flächendeckenden Radardaten daraufhin, dass es in den vergangenen 15 Jahren zumindest regional eine Zunahme auch von Starkniederschlägen kurzer Dauer gegeben hat, jedoch sind diese Aussagen aufgrund der geringen Länge der Zeitreihen nicht sonderlich aussagekräftig. Auch auf Basis der koordinierten Starkniederschlags-Regionalisierungs-Auswertungen (KOSTRA) des Deutschen Wetterdienstes ergeben sich räumlich heterogene und zudem für die verschiedenen Dauerstufen spezifische Trendmuster. Ein Vergleich 5 der aktuellen KOSTRA-DWD-2010-Statistik 6 mit der Vorgängerversion KOSTRA-DWD-2000 7 zeigt für sehr kurze Dauerstufen (z.B. 15 Minuten) einige Regionen 8, in denen die Starkniederschläge zugenommen haben, jedoch auch einzelne Gebiete mit einer Abnahme. In den meisten Regionen Deutschlands betragen die relativen Änderungen dabei maximal 5%. Ein insgesamt mindestens ebenso komplexes Bild ergibt sich bei gezielter Auswertung des langfristigen Trendverhaltens der der KOSTRA-DWD-Statistik zugrundeliegenden Zeitreihen hoch aufgelöster Niederschlagsmessungen. Gemäß erster Ergebnisse einer aktuellen Unter5
mittels Bildung von Differenzenkarten Bezugszeitraum 1951-2010 7 Bezugszeitraum 1951-2000 8 z.B. Niederrhein unterhalb von Düsseldorf, Wesermündung, kleines Gebiet in Vorpommern 6
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suchung 9 dieser Daten weisen die hohen Niederschlagsschwellen 10 der Dauerstufe 60 Minuten während der Monate Mai bis September in den meisten Regionen Deutschlands im Zeitraum 1965 bis 2015 häufiger einen negativen als einen positiven Trend auf. Allerdings unterscheidet sich die Anzahl der Stationen mit einem Rückgang der Starkniederschläge zumeist nicht markant von der Anzahl der Stationen mit einer Zunahme. Fasst man die einzelnen Stationen zu Gebietsmitteln zusammen, zeigt sich zudem ein etwas anderes Verhalten. Dann ergibt sich tendenziell eher eine Zunahme der räumlich aggregierten Starkniederschläge. Hier müssen weitere Untersuchungen daher mehr Klarheit bringen. Für die niederländische Station De Bilt liegt eine lange Zeitreihe von etwa 100 Jahren vor, die es Lenderink und van Meijgaard (2008 und 2010) ermöglicht hat, einen Anstieg der Intensität einstündiger Starkniederschläge mit steigenden Temperaturen nachzuweisen. Dabei zeigen insbesondere die extremsten Ereignisse ab einer gewissen Temperaturschwelle eine im Vergleich zur Clausius-Clapeyron Beziehung zwischen Temperatur und Sättigungsdampfdruck überproportionale Zunahme der gemessenen Niederschlagsintensität. Die ebenfalls untersuchten Tagesniederschläge weisen ein solches „Super-Clausius-Clapeyron Verhalten“ dagegen nicht auf. Lenderink et al. (2011) konnten darüber hinaus zeigen, dass dieser enge Zusammenhang zwischen Temperatur und Starkniederschlagsintensität auch den kurzzeitigen Klimavariationen auf der dekadischen Skala folgt. Gestützt werden diese Ergebnisse durch die Resultate einer Studie von Berg et al. (2013). Auf Basis sowohl von Stationsmessungen als auch von Radardaten in 5-minütiger Auflösung konnten auch sie ein Super-Clausius-Clapeyron Verhalten der Starkniederschläge oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle nachweisen. Interessant ist dabei zum einen, dass Starkniederschläge des stratiformen Typs dieses Verhalten offensichtlich nicht zeigen. Zum anderen fanden die Autoren Hinweise auf die Existenz einer Obergrenze für das Super-Clausius-Clapeyron Verhalten. Bei Temperaturen von mehr als etwa 22°C verschwindet dieser Effekt offenbar auch bei konvektiven Niederschlägen. Allerdings sind diese Ergebnisse insofern als eingeschränkt zu betrachten, dass für diese Untersuchungen lediglich Zeitreihen mit einer Länge von acht (Stationsmessungen) bzw. zwei Jahren (Radardaten) zur Verfügung standen. Die ausgewerteten Stationsdaten beschränken sich zudem ausschließlich auf den Südwesten Deutschlands.
Vergleich mit Klimaprojektionsergebnissen Auswertungen des Deutschen Wetterdienstes von insgesamt vier Projektionen verschiedener regionaler Klimamodelle für das A1B-Emissionsszenario haben gezeigt, dass zumindest im Winter in Deutschland bis zum Ende des 21. Jahrhunderts mit einer Zunahme der Häufigkeit von Starkniederschlägen der Dauerstufe 24 Stunden gerechnet werden muss (Deutschländer und Dalelane, 2012). Dabei gibt es allerdings sowohl zwischen den einzelnen Projektionen als auch räumlich größere Unterschiede. Unter dem Strich ist für die meisten Regionen mit einer Zunahme der Ereignisse um ca. 10% bis 50% zu rechnen. Im äußersten Süden Deutschlands könnten die Verhältnisse auch weitgehend unverändert bleiben, im Küstenbereich ist dagegen eine Zunahme um bis zu 100% nicht ausgeschlossen. Für den Sommer lassen sich auf Basis des im Rahmen dieser Untersuchung verwendeten Ensembles kaum Aussagen treffen, da die vier betrachteten Modelle die Änderung der Auftrittshäufigkeit von Starkniederschlägen widersprüchlich projizieren. Die Projektionen stimmen lediglich in der Aussage überein, dass der Anteil der Starkniederschläge am Gesamtniederschlag zukünftig steigen wird. Dabei bleibt aber offen, wie sich dieser Anstieg auf die Zunahmen von Häufigkeit und Intensität der Starkniederschläge verteilt. 9
bislang unveröffentlichte und noch vorläufige Ergebnisse untersucht wurde das Trendverhalten hoher Quantile (90%, 95%, 99%, Maximalwert)
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Vergleicht man das von den Klimamodellen für die Zukunft projizierte Verhalten von Starkniederschlägen der Dauerstufe 24 Stunden mit den bereits beobachteten Änderungen, stehen diese im Einklang miteinander. Grundsätzliche Unterschiede über einen klimatologisch relevanten Zeitraum von einigen Jahrzehnten zwischen Beobachtungen und Simulationen sind nicht feststellbar. So entspricht die im Winter bereits beobachtete Zunahme von Starkniederschlägen im Wesentlichen den projizierten Verhältnissen, und auch die noch sehr geringen Änderungen der sommerlichen Starkniederschläge entsprechen den Projektionen. Zum einen simulieren die Klimamodelle – wenn überhaupt – erst ab etwa 2020 eine leichte Zunahme. Zum anderen existieren zumindest für den süddeutschen Raum Anzeichen für einen geringfügigen Anstieg in den vergangenen rund 50 Jahren. Für einen sinnvollen Vergleich kürzerer Dauerstufen sollten unbedingt Simulationen konvektionserlaubender Modelle herangezogen werden. Für räumlich begrenzte Gebiete existiert zwar bereits eine Reihe derartiger Projektionen, die Datengrundlage für großräumige Ensemble-Auswertungen wird hingegen gerade erst sukzessive geschaffen.
Fazit Die Häufigkeit von Starkniederschlägen der Dauerstufe 24 Stunden hat in Deutschland in den vergangenen 65 Jahren im Winter bereits um rund 25% zugenommen. Gemäß den Projektionen regionaler Klimamodelle ist davon auszugehen, dass sich dieser Anstieg bis zum Jahre 2100 in etwa der gleichen Größenordnung weiter fortsetzen wird. Für die Sommermonate ist dagegen bislang kein eindeutiger Trend auszumachen. Bezüglich der Intensität der Starkniederschläge auf dieser Zeitskala gilt grundsätzlich Ähnliches. Im Hinblick auf die in Mitteleuropa vorwiegend im Sommerhalbjahr relevanten Starkniederschläge kurzer Dauer gibt es dagegen insgesamt noch verhältnismäßig wenige Erkenntnisse. Es existieren zwar einige Anhaltspunkte für eine Zunahme der Intensität konvektiver Ereignisse mit steigender Temperatur. Auf dieser Zeitskala besteht aber noch Forschungsbedarf.
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Literatur Berg, P., C. Moseley und J.O. Haerter, 2013: Strong increase in convective precipitation in response to higher temperatures. Nature Geoscience, 6(3), 181-185, doi: 10.1038/NGEO1731. Deutschländer, T. und C. Dalelane, 2012: Auswertung regionaler Klimaprojektionen für Deutschland hinsichtlich der Änderung des Extremverhaltens von Temperatur, Niederschlag und Windgeschwindigkeit, Abschlussbericht, Deutscher Wetterdienst. Lenderink G. und E. van Meijgaard, 2008: Increase in hourly precipitation extremes beyond expectations from temperature changes. Nature Geoscience, 1, 511-514, doi: 10.1038/ngeo262. Lenderink G. und E. van Meijgaard, 2010: Linking increases in hourly precipitation extremes to atmospheric temperature and moisture changes. Environ. Res. Lett., 5, 025208, doi:10.1088/1748-9326/5/2/025208. Lenderink, G., H.Y. Mok, T.C. Lee und G.J. van Oldenborgh, 2011: Scaling and trends of hourly precipitation extremes in two different climate zones – Hong Kong and the Netherlands. Murawski, A., J. Zimmer und B. Merz, 2016: High spatial and temporal organization of changes in precipitation over Germany for 1951-2006. Int. J. Climatol., 36, 2582-2597. Winterrath, Dalelane und Deutschländer, 2014: Extremwertstatistische Auswertung täglicher stationsbasierter Niederschlagszeitreihen. Klimatagung des DWD, September 2014, Offenbach am Main.
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