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Starkregen: Wie der Klimawandel Überschwemmungen bringt

Ob Wärmegewitter in Wuppertal oder Hurrikane in Houston - extreme Regenfälle werden in einer wärmeren Welt häufiger und unberechenbar.
Ein Auto bei Nacht im Regen.Laden...

Der Regenguss begann am 13. September, als das Auge des Hurrikans Florence noch hunderte von Kilometern von der Küste Nordcarolinas entfernt lag. Als sich der riesige Sturm Richtung Land schleppte, wiesen Offizielle mehr als 1,5 Millionen Menschen an, die betroffene Region zu verlassen, und warnten vor "lebensbedrohlichen" Schäden. Am 15. September zog Florence schließlich im Kriechtempo über die Küste der USA und löste noch stärkere Regenfälle aus. An einigen Stellen setzte sich die Flut vier Tage lang ununterbrochen fort.

Als es vorbei war, hatte Florence Rekordmengen von Regen gebracht – darunter fast einen Meter in der Stadt Elizabethtown, North Carolina – und katastrophale Überschwemmungen verursacht. Dutzende von Menschen starben, und der Sturm verursachte Schäden in Höhe von Dutzenden von Milliarden Dollar. Selbst jetzt, Monate später, hat die Region Schwierigkeiten, sich zu erholen.

Die Geschichte, wie Florence einen florierenden Landstrich in die Knie zwang, wird noch viel vertrauter werden. Klimaforscher erwarten, dass bei steigenden globalen Temperaturen in extremen Stürmen viel mehr Regen fällt. Je wärmer die Atmosphäre, desto mehr Feuchtigkeit kann sie aufnehmen, was bedeutet, dass Stürme viel mehr Niederschläge bringen können. Noch bevor Florence auf Land traf, prognostizierte ein Team der Stony Brook University in New York, dass die schwersten Regenfälle des Hurrikans mindestens 50 Prozent mehr Niederschläge bringen würden, als es ohne Erwärmung des Planeten geschehen wäre.

Extreme Regenfälle – zusammen mit den Überschwemmungen, Erdrutschen und anderen Verwüstungen, die sie verursachen – gehören zu den tödlichsten Wetterereignissen weltweit. In diesem Jahr kamen bei starken Regenfällen im indischen Bundesstaat Kerala mehr als 470 Menschen ums Leben, und bei Überschwemmungen im Südwesten Japans starben mehr als 200 Menschen. In den Vereinigten Staaten sind Überschwemmungen, schwere Stürme und tropische Wirbelstürme für neun der elf Naturkatastrophen verantwortlich, die in diesem Jahr bisher über eine Milliarde US-Dollar Schaden verursacht haben.

Regen bringt nicht nur Segen

Die Vorhersage, wie sich die dramatischsten Regenfälle in Zukunft ändern könnten, ist berüchtigt schwierig, denn diese Stürme in Computermodellen zu simulieren, ist nicht einfach. Heute allerdings machen viele Forschungsteams Fortschritte beim Verständnis zukünftiger extremer Niederschlägen auf der ganzen Welt – dank Modellen mit sehr hoher Auflösung, die einen Einblick in die Entwicklung von Stürmen geben können. Einige der anspruchsvollsten Prognosen deuten darauf hin, dass mit zunehmender Erwärmung der Erde mehr Niederschläge in schweren, unregelmäßigen Stürmen fallen werden als in sanften, weichen Regenschauern, die sich die Landwirtschaft wünscht.

Andere Untersuchungen deuten darauf hin, dass sich die Art und Weise, wie sich Gewitter organisieren, grundlegend ändern könnte. Das würde zu größeren und stärkeren Stürmen führen, die womöglich mehr Überschwemmungen bringen. All das macht Florence, die indische Katastrophe und andere verheerende Regenfälle zu einem Fenster in eine möglicherweise nassere Zukunft, wenn die Treibhausgasemissionen weiter steigen. »Die nächsten 20 Jahre werden schlimmer sein als die letzten 20 Jahre – alle Anzeichen deuten darauf hin«, sagt Angeline Pendergrass, eine Atmosphärenforscherin am National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colorado. »Und die Lage wird am Ende des Jahrhunderts völlig verrückt sein, wenn wir weitermachen, was wir jetzt tun.«

In Kerala begann alles mit zwei nassen Monaten Juni und Juli, im Laufe des folgenden Monats wurde es sogar noch schlimmer. Die ersten 20 Tage im August brachten 164 Prozent mehr Regen als sonst. Im ganzen Bundesstaat trafen Erdrutsche Gebäude und Ortschaften, als durchnässter Boden absackte. Mehr als eine Million Menschen flohen aus ihren Häusern. Das Wetter war in diesem Fall wohl nicht das einzige Problem: Lokale Beamte stehen in der Kritik, weil sie den Wasserpegel hinter lokalen Staudämmen nicht besser steuern. Aber schuld an den Überschwemmungen waren letztlich Stürme, die weit schwerer waren als während des Sommermonsuns üblich.

Klar ist auch, dass solche Stürme mehr Feuchtigkeit transportieren als früher. Die Feuchtigkeit in der Luft verändert sich je nach Temperatur: Für jedes Grad Celsius mehr kann sie etwa sieben Prozent mehr Wasser aufnehmen. Das IPCC ist zu dem Schluss gekommen, dass in vielen Teilen der Welt aufgrund des vom Menschen verursachten Klimawandels bereits jetzt ein Anstieg der Starkniederschläge zu verzeichnen ist. »Es ist nur grundlegende Physik«, sagt Kenneth Kunkel, ein Atmosphärenforscher an der North Carolina State University in Asheville. »Große Stürme mit viel Niederschlag werden durch die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre begrenzt. Wenn mehr Wasserdampf in der Atmosphäre haben, steigt die Regenmenge bei diesen extremen Niederschlagsereignissen.«

Völlig verrücktes Wetter

Aber die Sache mit den Niederschlägen erweist sich als komplizierter. Ein Gewitter ist im Wesentlichen ein Turm aus aufsteigenden Winden, die warme Luft aus der Nähe ansaugen und so Energie gewinnen. Wenn die Luft hoch genug steigt, kühlt sie und kondensiert zu Regen. Stürme können ihr eigenes Wetter erzeugen, wie zum Beispiel kalte Luftblasen in Bodennähe, die mehr Konvektion auslösen. Und der Klimawandel kann diese Effekte verstärken, indem er Aufwinde stärker und breiter werden lässt, die dann mehr warme, feuchte Luft aus den umliegenden Regionen anziehen und zu mehr Regen führen.

Dies geschah anscheinend im Hurrikan Harvey – dem regenreichsten Sturm in der Geschichte der USA, der im August letzten Jahres einen Großteil von Houston und Südtexas absaufen ließ und eine 125 Milliarden Dollar teure Katastrophe auslöste. Drei verschiedene Studien kamen zu dem Schluss, dass die schwersten Regenfälle von Harvey nicht einfach durch den Anstieg des Wasserdampfs in der Atmosphäre erklärt werden konnten. Der Klimawandel machte den Sturm sogar noch feuchter.

Bei NCAR arbeitet Pendergrass mit globalen Klimamodellen, um herauszufinden, was dies für zukünftige Extremereignisse bedeutet – und vor allem, wo sie auftreten könnten. Sie analysiert, wie der Klimawandel den Wärme- und Energiefluss in der Atmosphäre verändert und dadurch Niederschläge auf der ganzen Welt umverteilt. Im vergangenen Jahr berichteten sie und ihre Kollegen über drei Computersimulationen, die zeigten, dass die Niederschläge in fast allen Landgebieten bei steigenden Temperaturen über den Rest des Jahrhunderts viel stärker schwanken dürften.

Zukünftige StarkregenereignisseLaden...
Zukünftige Starkregenereignisse

Mit anderen Worten, das Wetter wird verrückter: Nasse Perioden werden auf fast allen Kontinenten unregelmäßigeren Trockenperioden weichen und umgekehrt. Nun hat sie nachgebohrt, um zu untersuchen, wie ungleichmäßig die Niederschläge werden – das heißt, den Unterschied zwischen einem leichten Nieselregen und einem sintflutartigen Regenguss. Sie analysierte zusammen mit Reto Knutti, einem Atmosphärenforscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) in der Schweiz, die globalen Niederschlagsdaten zwischen 1999 und 2014. Beim Median aller Standorte der Studie fiel die Hälfte der Jahresniederschläge in nur zwölf Tagen.

»Dinge, die als extrem gelten, tragen viel zum Gesamtniederschlag bei – mehr als viele meiner Kollegen vielleicht bemerken«, sagt sie. Mit Hilfe eines Klimamodells in die Zukunft blickend stellten die Forscher fest, dass diese Art von Ungleichmaß zunehmen wird. Wenn die Treibhausgasemissionen in Zukunft weiter stark ansteigen, wird die Hälfte der zusätzlichen Niederschläge in den nassesten sechs Tagen des Jahres fallen. Das bedeutet mehr Überschwemmungen – und mehr daraus resultierende Gefahren. Pendergrass hat mit Wassermanagern in Denver, Colorado, gesprochen, die wissen wollen, wie viel Hochwasser sie brauchen, um ihre Dämme für die Zukunft vorzubereiten. Sie sagt, auch andere Bereiche sollten sich darauf vorbereiten.

Hohe Auflösung für starke Stürme

»Anstatt mehr Regen im Allgemeinen anzunehmen, muss die Gesellschaft Maßnahmen ergreifen, um mit wenig Veränderungen die meiste Zeit und einer Handvoll Ereignisse mit viel mehr Regen umzugehen«, schrieben sie und Knutti letzten Monat in den »Geophysical Research Letters«. Eine weitere Reihe von Simulationen verdeutlicht, wie sich die Gesellschaft auf diese Schwankungen zwischen nass und trocken vorbereiten muss. Diese Arbeit, die vom Atmosphärenforscher Zachary Zobel während seines Aufenthaltes an der University of Illinois in Urbana-Champaign geleitet wurde, basiert auf einem globalen Klimamodell, das normalerweise alle 100 Kilometer die Bedingungen berechnet, das Team zwang es jedoch zu einer viel höheren Auflösung von nur zwölf Kilometern.

»Man braucht eine so hohe räumliche Auflösung wie möglich«, sagt Zobel, der jetzt im Woods Hole Research Center in Falmouth, Massachusetts, arbeitet. Mit einer Auflösung von zwölf Kilometern deckt das Modell kleinräumige Phänomene in der Atmosphäre auf, die für die Simulation von Stürmen wichtig sind. Aber Zobels Modell erfordert viel Rechenleistung, so dass das Team nur die kontinentalen Vereinigten Staaten betrachtete, nicht die ganze Welt. Selbst mit einem Supercomputer dauerte es fast ein Jahr, bis das Modell seine Berechnungen durchführte. Aber am Ende bekamen die Forscher einen detaillierten Blick darauf, wie verschiedene Teile des Landes sowohl von Temperatur- als auch bei Niederschlagsextremen betroffen sein werden, wenn die Treibhausgasemissionen bis 2094 weiterhin hoch bleiben.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass extreme Niederschlagsereignisse im größten Teil des Landes zunehmen würden. Sie entdeckten auch einige größere Veränderungen in zukünftigen Wettermustern, wie zum Beispiel in der Position des Jetstreams, der das Wetter über einen Großteil des mittleren Teils der Vereinigten Staaten kontrolliert. Diese Veränderung entsteht, weil sich die Arktis derzeit schneller erwärmt als die mittleren Breiten, so dass es weniger Temperaturunterschiede zwischen den beiden Regionen gibt.

Als Reaktion darauf verschiebt sich der Jetstream in den Simulationen nach Norden und bringt warme, feuchte Luft aus dem Golf von Mexiko mit sich. Die Folge: Staaten des Mittleren Westens, in denen der Großteil der Mais- und Weizenkulturen des Landes angebaut wird, werden wahrscheinlich jedes Frühjahr während der Pflanzsaison stärkere Stürme erleben. In der Zwischenzeit werden Trockenperioden länger, legt das Modell nahe. »Es läuft auf ein boom-or-bust-ähnliches Niederschlagsmuster hinaus«, sagt Zobel. "Das wird den Anbau ihrer Feldfrüchte für die Landwirte komplizierter machen.« Die Arbeit erschien letzten Monat in der Zeitschrift »Earth's Future«.

Nasse Winter in Europa

Bei Andreas Prein klopfte die Zukunft 2002 an die Tür, als starke Sommerregenfälle Mitteleuropa durchnässten. Prein diente im österreichischen Militär. Seine Einheit wurde entsandt, um den von Überschwemmungen heimgesuchten Gebieten Nordösterreichs zu helfen, wo kleine Bäche zu Sturzbächen wurden und die Schäden drei Milliarden Euro erreichten. »Es war wirklich schockierend zu sehen, wie kleine Bäche solche Verwüstungen anrichten konnten«, sagt Prein. »Es war fast unglaublich.«

Heute ist Prein Atmosphärenwissenschaftler am NCAR und führend bei einer neuen Art der hochauflösenden Klimamodellierung. Ziel dieser Forschung ist es, das zukünftige Klima in noch höherer Auflösung als der von Zobels Modell zu simulieren. Seine Berechnungen zielen auf Skalen von vier Kilometern oder weniger – was so viel Rechenkraft braucht, dass es nur für relativ kleine Regionen möglich ist. Vier Kilometer sind entscheidend, weil das die Größenordnung ist, auf der sich einzelne Stürme entwickeln und durch Konvektion stärker werden. Das Feld ist als konvektionsabhängige Klimamodellierung bekannt und ermöglicht es Forschern, Stürme viel realistischer zu simulieren.

Die Berechnungen sind ähnlich wie bei den Wettervorhersagen, um vorherzusagen, wie sich Stürme in den nächsten ein bis zwei Tagen entwickeln werden. »Aber wir wollen Jahrzehnte bis Jahrhunderte simulieren«, sagt Prein. »Wir kopieren im Grunde genommen das, was die Wettervorhersage macht, aber auf viel längeren Zeitskalen.« In derzeit laufenden Arbeiten führen britische Forscher europaweite Klimasimulationen mit einer Auflösung von 2,2 Kilometern durch und haben einige Warnsignale für zukünftige Stürme entdeckt. »Im Moment ist die Saison, in der wir in Europa Extreme erleben, in erster Linie der Sommer«, sagt Teammitglied Elizabeth Kendon, Klimawissenschaftlerin im Met Office in Reading, Großbritannien. In den Simulationen einer wärmeren Welt werden die sommerlichen Regenfälle stärker, gleichzeitig treten extreme Ereignisse später im Jahr auf. Das deutet darauf hin, dass die Behörden sich auf mehr Überschwemmungen durch Winterstürme vorbereiten müssen.

Ein weiteres großes Problem bei der Berechnung extremer Niederschlagsereignisse sind tropische Wirbelstürme. Christina Patricola und Michael Wehner vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien haben mit konvektionsabhängigen Modellen die verheerenden Hurrikane Katrina im Jahr 2005 sowie Irma und Maria im Jahr 2017 untersucht. Sie fanden heraus, dass der Klimawandel die Regenfälle innerhalb dieser Stürme um bis zu neun Prozent erhöht hatte – und dass die zukünftige Erwärmung mit ziemlicher Sicherheit zu extremeren Niederschlägen durch ähnliche Hurrikane führen wird.

Eine Wettervorhersage für das Jahr 2100

Eine der bisher größten Konvektionssimulationen, die von NCAR durchgeführt wurde, umfasste die kontinentalen Vereinigten Staaten mit einer Auflösung von vier Kilometern. Eigentlich handelte es sich dabei um zwei Simulationen im Doppelpack: eine mit Blick nach hinten und eine andere mit Blick nach vorne. Die erste simulierte das globale Klima zwischen Oktober 2000 und September 2013, um zu testen, wie genau das Modell das Geschehene in diesen Jahren reproduzieren konnte. »Wir haben so angefangen, wie man eine Wettervorhersage starten würde, und dann haben wir 13 Jahre lang nicht aufgehört«, sagt Prein.

Die zweite Simulation betrachtete einen ähnlichen Zeitraum am Ende des Jahrhunderts unter Einbeziehung von Faktoren, die zu erwarten wären, wenn die Gesellschaft weiterhin Treibhausgase mit hoher Rate produziert. Durch den Vergleich der beiden könnten die Wissenschaftler die wahrscheinlichen Auswirkungen einer Erhöhung des Treibhausgasspiegels herausfinden. Und weil die Simulationen so hochauflösend sind, erfassten sie auch, wie sich einzelne Stürme in Zukunft wahrscheinlich bilden und entwickeln werden. Zu den vielen Ergebnissen solcher Modelle gehört, dass intensive Gewitter in den USA bis zum Ende des Jahrhunderts mehr als dreimal so oft auftreten werden und dabei ihre maximale Niederschlagsmenge um 15 bis 40 Prozent zunimmt. Die Stürme werden demnach auch größer und verdoppeln fast die Fläche, die von starken Regenfällen betroffen ist.

Das hat große Auswirkungen auf die Hochwasserrisiken. »Wenn Sie an ein großes Gewitter denken, das sich über ein Stadtgebiet zieht, macht es einen großen Unterschied, ob der Sturm die Hälfte oder die gesamte Einzugsgebiet der Stadt bedeckt«, sagt Prein. Er und seine Kollegen vom NCAR entwickeln derzeit eine zweite Gruppe von Simulationen, die sie in den kommenden Monaten in Betrieb nehmen wollen. Sie wird die Simulationen nach Norden auf Kanada ausdehnen, um zu untersuchen, ob die heftigen Gewitter, die regelmäßig durch den oberen Mittelwesten der Vereinigten Staaten ziehen, in Zukunft auch Kanada erreichen. Die Arbeiten werden statt 13 Jahren sogar Zeiträume von 20 Jahren simulieren und so den Wissenschaftlern ermöglichen, längere Trends bei sich ändernden Wetterbedingungen zu erfassen.

Was auch immer auf dem Weg ist, es wird mit ziemlicher Sicherheit schwer zu übersehen sein. Pendergrass sitzt an einem sonnigen Morgen in ihrem Büro im NCAR und ruft eine Grafik auf, die Computersimulationen von extremen Niederschlägen der Zukunft zeigt. »Was wir bisher gesehen haben, ist unglaublich klein im Vergleich zu dem, was kommt«, sagt sie. »Und das ist schon sehr beängstigend.«

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