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Wetterextreme

Das Klima ist schuld

Wetterexperten können bald direkt vorhersagen, wie der Klimawandel Hitzewellen oder Fluten beeinflusst.
Waldbrand in Santa Clarita, Kalifornien

Die Nordhalbkugel schwitzt sich durch einen weiteren außergewöhnlich heißen Sommer. Japan bezeichnet seine Rekordtemperaturen als Naturkatastrophe. Europa glüht unter anhaltender Hitze, mit zerstörerischen Waldbränden in Griechenland und – sehr ungewöhnlich – in der Arktis. Von der Dürre angetriebene Feuer breiten sich im Westen der Vereinigten Staaten aus.

Friederike Otto, eine Klimamodelliererin an der University of Oxford, war Anfang Juli 2018 sehr gefragt, weil Journalisten sie um ihre Meinung über die Rolle des Klimawandels für diese Sommerhitze baten. »Es war verrückt«, sagt sie. Die übliche wissenschaftliche Antwort lautet, dass starke Hitzewellen durch die globale Erwärmung häufiger werden. Aber Otto und ihre Kollegen wollten eine spezifischere Frage beantworten: Wie hat der Klimawandel diese eine Hitzewelle beeinflusst? Nach drei Tagen Rechnen gaben sie am 27. Juli bekannt, ihre vorläufige Analyse für Nordeuropa lege nahe, dass der Klimawandel die Hitzewelle an vielen Orten mehr als doppelt so wahrscheinlich gemacht habe.

Elbe bei Magdeburg im Sommer 2018
Elbe bei Magdeburg im Sommer 2018 | Die monatelange Trockenheit in Sachsen-Anhalt 2018 führte dazu, dass die Elbe nur noch Niedrigwasser führte – und der Domfelsen trockenfiel.

Bald könnten Journalisten diese Art von Schnellanalyse routinemäßig von Wetteragenturen bekommen und nicht ad hoc aus der Forschung. Mit Ottos Hilfe bereitet sich der Deutsche Wetterdienst (DWD) darauf vor, weltweit als Erster schnell den Zusammenhang der globalen Erwärmung mit bestimmten meteorologischen Ereignissen zu bewerten. Der DWD hofft, dass es ihm bis 2019 oder 2020 gelingt, die Ergebnisse rasch in sozialen Medien zu veröffentlichen. Der vollständige Bericht soll ein bis zwei Wochen nach dem Ereignis folgen. »Wir wollen den Einfluss des Klimawandels auf alle Witterungsbedingungen quantifizieren, die extremes Wetter in Deutschland oder Mitteleuropa bringen«, sagt Paul Becker vom DWD. »Die Wissenschaft ist so weit.«

Auch die Europäische Union ist daran interessiert. Das Europäische Zentrum für Mittelfristige Vorhersagen (ECMWF) im britischen Reading bereitet bis 2020 ein ähnliches Programm vor. Wenn das gut funktioniert, könnte ein regemäßiger EU-Dienst ein oder zwei Jahre später beginnen, meint Richard Dee, Leiter des Copernicus Climate Change Service beim ECMWF. »Es ist ehrgeizig, aber machbar«, denkt Otto, die ebenfalls beim Aufbau des EU-Programms mitwirkt.

Dass die Wetterdienste solche regelmäßigen Dienste in Betracht ziehen, zeigt, wie weit die Wissenschaft seit den ersten innovativen Projekten – vor mehr als einem Jahrzehnt – gekommen ist. Damals hatte man bereits versucht, einzelne Wetterereignisse in Bezug zum Klimawandel zu setzen. 170 Studien später steht die Forschung vor dem Durchbruch und dem Einsatz im Alltag. Es gibt immer noch Schwierigkeiten mit manchen extremen Wetterphänomenen. Aber sobald Wetterdienste beginnen, solche Informationen routinemäßig anzubieten, desto herausfordernder wird es, diese Studien nutzbar zu machen. »Es ist eine Sache, wissenschaftlich fundierte Zuschreibungen zu machen«, so Peter Walton, Sozialwissenschaftler an der University of Oxford. »Wie man diese Informationen nutzt, ist eine andere Sache.«

Das Einmaleins der Zuordnung

Die Idee dahinter ist ziemlich einfach. Katastrophen wie rekordverdächtige Hitzewellen und Extremniederschläge werden wahrscheinlich häufiger, weil die zunehmenden Treibhausgase die Atmosphäre verändern. Wärmere Luft enthält mehr Wasserdampf und speichert mehr Energie; die steigenden Temperaturen können großflächig atmosphärische Zirkulationsmuster verändern. Extremwetter kann aber auch durch natürliche Zyklen wie das El-Niño-Phänomen ausgelöst werden: Es erwärmt in regelmäßigen Abständen die oberen Meeresschichten im tropischen Pazifik.

Forscher sagen, dass es Stadtplanern, Ingenieuren und Hausbesitzern helfen wird, die Rolle der vom Menschen verursachten globalen Erwärmung – im Gegensatz zu natürlichen Schwankungen – bei einzelnen Wetterextremen besser zu verstehen; etwa welche Überschwemmungen, Dürren und anderen Wetterkatastrophen zunehmend riskanter werden. Und Umfragen weisen darauf hin, dass Menschen eher eine Politik unterstützen, die sich auf die Anpassung an Klimawandelfolgen konzentriert, wenn sie gerade extreme Wetterbedingungen erlebt haben. Eine rasche Zuordnung – oder auch der Ausschluss – eines regionalen Ereignisses zum Klimawandel könnte daher besonders effektiv sein.

Otto, die stellvertretende Direktorin des Environmental Change Institute der University of Oxford, ist eine Veteranin ihres Forschungszweigs und hat bereits mehr als zwei Dutzend derartige Analysen durchgeführt. So haben sie und ihre Kollegen am 4. Juni 2018 eine Studie über das südliche Afrika abgeschlossen, das unter einer dreijährigen Dürre gelitten hatte. Anfang 2018 war die Situation in der südafrikanischen Westkap-Provinz so schlimm geworden, dass Beamte in Kapstadt warnten, sie würden bald den Tag erreichen, an dem der Region das Wasser für Grundbedürfnisse ausgehe – eine Premiere für eine Großstadt. Als Berichte über den »Day Zero« international Schlagzeilen machten, entschieden Otto und Mark New, ein Klimaforscher an der University of Cape Town, dass dieses Ereignis ein guter Kandidat für eine Attributionsstudie sei. Mangels Finanzierung des Projekts arbeiteten Forscher aus den Niederlanden, Südafrika, den Vereinigten Staaten und Großbritannien in ihrer Freizeit und definierten zunächst das regionale Ausmaß der mehrjährigen Dürre. Sie schufen auch einen Intensitätsindex, der Niederschlags- und Hitzemessungen kombinierte, und speisten die Daten in komplexe Computermodelle ein, die das Klima der Erde simulieren. Mit jedem der fünf unabhängigen Modelle wurden Tausende von Simulationen durchgeführt. Einige von ihnen berücksichtigten die vom Menschen verursachten Treibhausgase, andere liefen mit natürlichen Konzentrationen der Gase, als ob die industrielle Revolution nie stattgefunden hätte.

Die Forscher verglichen, wie oft eine Dürre ähnlichen Ausmaßes in den zahllosen Testläufen auftauchte. Als sich das Team im Juni 2018 traf, war der Regen nach Südafrika zurückgekehrt und hatte Day Zero verdrängt. Aber die Wissenschaftler waren noch immer auf der Ursachensuche der Megadürre, was helfen könnte festzustellen, ob sich die Region auf eine baldige Wiederholung einstellen muss. Otto und ihre Kollegen stimmten darin überein, dass die Analyse zu einem Ergebnis geführt hat. »Die Erderwärmung hat das Risiko dreier aufeinander folgender trockener Jahre in der Region verdreifacht«, sagt sie. Die Ergebnisse kamen gerade rechtzeitig, damit Roop Singh, ein Klimarisikoberater im Red Cross Red Crescent Climate Centre in Den Haag die Ergebnisse zwei Wochen später auf einer Konferenz zur Anpassung an den Klimawandel in Kapstadt präsentieren konnte. Die Forscher dort fanden die Ergebnisse nicht besonders schockierend, sagt Singh – aber sie lösten lebhafte Diskussionen darüber aus, ob die Zunahme des Dürrerisikos dazu beitragen könnte, erhöhte Investitionen in eine Diversifizierung der Wasserquellen Kapstadts zu rechtfertigen. Ottos Studie wurde am 13. Juli 2018 vor dem Peer Review auf der Website von World Weather Attribution veröffentlicht.

Hagel
Hagel | Kleinräumige Extremwettererscheinungen wie Hagel sind nicht leicht zu erfassen und deshalb nur schwer dem Klimawandel zuzuordnen, selbst wenn sie gehäuft auftreten.

Obwohl Kapstadt im Jahr 2018 dem Day Zero entgangen ist, erkennen die Politiker in der Region, dass Ottos ernüchternde Ergebnisse für die Wasserbehörden eine Warnung sind, die das Risiko der globalen Erwärmung gern herunterspielen. »Das ist eine unglaublich starke Botschaft, die wir nicht ignorieren dürfen«, unterstreicht Helen Davies, Direktorin für Green Economy im Department of Economic Development and Tourism der Regierung von Western Cape. »Wir müssen vielleicht an einem radikal neuen Ansatz für das Wassermanagement arbeiten«, sagt sie.

Die Arbeit von Ottos Team gesellt sich zu einer schnell wachsenden Sammlung von Studien zur Klima-Wetter-Zuordnung. Von 2004 bis Mitte 2018 haben Wissenschaftler mehr als 170 Arbeiten über 190 extreme Wetterereignisse weltweit veröffentlicht, so eine Analyse von »Nature«. Bisher deuten die Ergebnisse darauf hin, dass etwa zwei Drittel der untersuchten extremen Wetterereignisse durch den vom Menschen verursachten Klimawandel wahrscheinlicher oder schwerer geworden sind. Hitzeextreme machten mehr als 43 Prozent dieser Ereignisse aus, gefolgt von Dürren (18 Prozent) und extremen Regenfällen oder Überschwemmungen (17 Prozent). Im Jahr 2017 wurde erstmals in Studien sogar festgestellt, dass drei extreme Ereignisse ohne den Klimawandel nicht eingetreten wären: Asiens Hitzewellen im Jahr 2016, globale Rekordwärme im selben Jahr und Meereserwärmung im Golf von Alaska und im Beringmeer von 2014 bis 2016.

In knapp einem Drittel der Fälle in der Analyse von »Nature« zeigten die verfügbaren Beweise entweder keinen eindeutigen menschlichen Einfluss oder waren zu datenarm, als dass Wissenschaftler ein Urteil hätten fällen können. Manchmal scheinen Studien zu gegenteiligen Schlussfolgerungen über ein bestimmtes Ereignis zu kommen. Eine Studie über eine Hitzewelle 2010 in Russland ergab, dass deren Schwere immer noch innerhalb der Grenzen der natürlichen Variabilität lag; eine andere Analyse zeigte, dass der Klimawandel das Ereignis wahrscheinlicher gemacht hat. Die Medien fanden die Ergebnisse verwirrend, aber Klimawissenschaftler sagen, dass die Diskrepanz nicht überraschend ist, weil die beiden Studien verschiedene Themen betrachteten: Schwere und Häufigkeit. Laut Otto: »Das Beispiel zeigt, dass es eine echte Herausforderung ist, Zuschreibungsfragen zu formulieren und zu kommunizieren.« Aber die Forscher seien seither immer anspruchsvoller geworden, wie sie ihre Studien aufbauen und präsentieren, fügt sie hinzu.

Schnelle Berichte

Die Südafrikastudie hätte schneller durchgeführt werden können, wenn die Forscher ihre ganze Zeit damit verbracht hätten. Die Arbeit während des europäischen Ausnahmesommers 2018 war dagegen nicht die erste schnelle Studie: Im Jahr 2015 beispielsweise fand ein internationales Forscherteam – einschließlich Otto – innerhalb von Wochen heraus, wie der Klimawandel vergleichbare Hitzewellen in einigen europäischen Städten viermal wahrscheinlicher gemacht hatte und in weiten Teilen des Kontinents mindestens doppelt so wahrscheinlich.

Noch zügiger wollen die Meteorologen arbeiten, wenn sie diese experimentellen Methoden in den Regelbetrieb überführen. In den vergangenen Monaten hat Otto intensiv mit den Mitarbeitern des Deutschen Wetterdienstes gesprochen und sie über die Durchführung von Attributionsstudien mit den besten Ansätzen informiert. Am 21. Juni 2018 unterzeichnete sie einen Vertrag mit der Agentur, der die kostenlose Nutzung des weather@home-Modells der University of Oxford vorsieht. Inzwischen hat der Copernicus Climate Change Service Otto und zwei ihrer Kollegen gebeten, eine Studie zu verfassen, in der die Arbeitsabläufe und Methoden für die Durchführung schneller Attributionsstudien beschrieben werden. Otto mahnt zur Eile, weil Fragen über die Rolle des Klimawandels regelmäßig unmittelbar nach extremen Wetterereignissen gestellt werden.

»Wenn wir Wissenschaftler nichts sagen, werden andere Menschen diese Frage nicht auf der Grundlage wissenschaftlicher Beweise beantworten, sondern auf der Grundlage ihrer Agenda. Wenn wir also wollen, dass die Wissenschaft Teil der Diskussion ist, müssen wir schnell etwas mitteilen«, betont sie. Einige Wissenschaftler könnten sich unwohl fühlen, wenn die Ergebnisse der Wettervorhersage bekannt gegeben werden, bevor die Arbeit geprüft wird. Aber in diesen Fällen wurden die Methoden bereits umfassend getestet, bestätigt Gabriele Hegerl, Klimawissenschaftlerin an der University of Edinburgh. Hegerl ist auch Mitautorin eines Berichts der US National Academies aus dem Jahr 2016, der zu dem Schluss kommt, dass die Wissenschaft der Zuschreibung schnell vorangeschritten ist und von der Verknüpfung mit der operativen Wettervorhersage profitieren würde. »Es kann wirklich nützlich sein, wenn wir schnell Ergebnisse für Ereignistypen haben, die wir einigermaßen gut verstehen, wie zum Beispiel Hitzewellen«, erläutert sie. »Man muss die Wettervorhersage nicht begutachten«, fügt Otto hinzu.

Aber nicht die gesamte Wissenschaft hinter diesen Zuordnungsstudien ist gefestigt, sagt Hegerl. Computeralgorithmen haben immer noch Schwierigkeiten, schwere lokale Stürme zu modellieren – etwa örtliche, kleine Hagelstürme oder Tornados. Wissenschaftler können also nicht sagen, ob der Klimawandel diese Ereignisse wahrscheinlicher gemacht hat. Eine zuverlässige Zuordnung ist auch dort schwierig oder gar unmöglich, wo noch keine langfristigen Klimadaten vorliegen, etwa in einigen afrikanischen Ländern. Und es könnte immer noch natürliche Klimaschwankungen geben, die in den relativ kurzen Aufzeichnungen der direkten Klimabeobachtungen nicht vollständig sichtbar sind. Um sehr langfristige Klimaschwankungen aufzuspüren – beispielsweise globale Veränderungen der atmosphärischen Druckverhältnisse oder der Meeresoberflächentemperaturen, die sich in Zeitskalen von Jahrzehnten wiederholen –, müssen sich die Forscher auf mäßig aufgelöste Proxydaten wie Baumringe verlassen. Dass sich diese Variabilität nicht immer in direkten Beobachtungen zeigt, schafft Unsicherheit in den Studien, insbesondere bei Erforschung von Dürren, erläutert Erich Fischer, Klimawissenschaftler an der ETH Zürich.

Bei einem Treffen in Oxford im Jahr 2012 fragten einige Kritiker, ob sich Klimawissenschaftler angesichts fehlender Beobachtungsdaten und Schwächen in den damaligen Klimamodellen einig seien über die Schlussfolgerungen von Zuordnungsstudien. Doch seitdem sind die Zweifel weitgehend ausgeräumt. Die Forscher führen die Studien nun mit mehreren unabhängigen Klimamodellen durch, was die Unsicherheit verringert, da sie nach übereinstimmenden Ergebnissen suchen können. Und Wissenschaftler sind vorsichtiger, wenn es darum geht, Wahrscheinlichkeitsaussagen zu machen. »Die Zuschreibung von Extremereignissen hat seit ihrem Beginn mit knappen Mitteln große Fortschritte gemacht«, meint Fischer. »Es funktioniert vielleicht immer noch nicht bei kleinen Hagelschlägen oder Tornados. Aber die Aussagen sind jetzt ziemlich robust für alle großräumigen Wettermuster, die durch moderne Klimamodelle dargestellt werden können.«

Unklarer Einfluss

In Südafrika, so Davies, sollte Ottos jüngste Studie dazu beitragen, neue Modelle für die regionale Wasserwirtschaft voranzutreiben. »Meteorologen versicherten uns nach dem zweiten Dürrejahr, dass wir auf keinen Fall ein drittes trockenes Jahr in Folge haben würden. Aber wir können die Vergangenheit nicht mehr für das nutzen, was in der Zukunft passieren könnte. Wir müssen lernen, uns an ein sich wandelndes Klima anzupassen. Und wir brauchen unbedingt eine Zuordnung, um es richtig zu machen.« Eine der Lehren aus der jüngsten Dürre und ihrer Erforschung ist, dass sich das Westkap nicht nur auf Regenfälle verlassen sollte, um seine Wasserversorgung zu sichern, betont sie. Stattdessen sollte es sie durch Erschließen des Grundwassers und den Ausbau seiner Entsalzungs- und Abwasserbehandlungsanlagen diversifizieren.

Im Allgemeinen ist es schwer zu wissen, welche Wirkung diese Studien haben, berichten Sozialwissenschaftler. Doch wenn diese Zuordnungen nicht nur in Fachzeitschriften, sondern regelmäßig in Wetterberichten erscheinen, dann könnten ihre Ausmaße viel deutlicher werden, sagt Jörn Birkmann, Experte für Raum- und Regionalplanung an der Universität Stuttgart in Deutschland. »Stadt- und Infrastrukturplaner, die neue Wohngebiete, Krankenhäuser oder Bahnhöfe planen und genehmigen, müssen die Risiken extremer Wetterereignisse genauer berücksichtigen, wenn diese Ereignisse eindeutig auf den Klimawandel zurückzuführen sind«, führt er aus. Derartige Analysen könnten auch in Rechtsstreitigkeiten über den Klimawandel einfließen, meinen Birkmann und James Thornton, der in London ansässige Geschäftsführer von ClientEarth, einer internationalen Gruppe von Umweltanwälten. Gerichtsverfahren, in denen behauptet wird, dass man sich nicht auf die Auswirkungen des Klimawandels vorbereitet habe, zitierten demnach noch keine Zuordnungsstudien, sagt Thornton. Aber er glaubt, dass sich die Richter zunehmend auf sie verlassen werden, um zu entscheiden, ob Angeklagte – seien es Ölgesellschaften, Architekten oder Regierungsbehörden – haftbar gemacht werden können.

»Gerichte neigen dazu, Regierungsdaten als glaubwürdig zu erachten«, sagt er. »Wenn diese Zusammenhangsstudien von der Wissenschaft in den öffentlichen Dienst vordringen, nutzen die Richter auch die Ergebnisse stärker.« Für den Deutschen Wetterdienst ist Becker davon überzeugt, dass diese Zuordnungen für viele Teile der Gesellschaft ein wertvoller Dienst sein werden. »Es ist Teil unserer Aufgabe, die Zusammenhänge zwischen Klima und Wetter zu beleuchten«, erklärt er. »Es gibt eine Nachfrage nach diesen Informationen, es gibt wissenschaftliche Studien, die sie liefern, und wir sind froh, sie zu verbreiten.«

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