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Zusammenfassung

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Hintergrund

Das mittlere Klima einer Region ergibt sich aus der langfristigen Verteilung der Wettervariabilität, die durch großräumige Temperatur- und Luftdruckgegensätze hervorgerufen wird. Innerhalb eines Korridors von möglichen und unterschiedlich häufig wiederkehrenden Wetterepisoden und Witterungsverläufen ergeben sich charakteristische Temperatur- und Niederschlagsverteilungen. Dabei stehen Klassen von Wertebereichen in Relation zur Seltenheit im Auftreten. Extreme liegen typischerweise am Rand einer Häufigkeitsverteilung und sind durch das Überschreiten kritischer Schwellen oder durch eine niedrige Seltenheit gekennzeichnet. Statistische Maßzahlen, mit denen sich der Zustand des Klimas über die Mittelwerte hinaus bestimmen lässt. Dahinter stehen jedoch Prozesse und Regeln atmosphärischer Strömungsmuster und Luftmassentransporte, die lokal mit charakteristischen Witterungsmerkmalen assoziiert sind. Die Häufigkeit und Andauer von Strömungsmustern sind dabei ein grundlegendes Merkmal und gleichzeitig die Ursache für Temperaturschwankungen und Regenmuster.

Klimatische Veränderungen führen zur Verschiebung von Verteilungen wiederkehrender Merkmale des Wetters. Dann rücken bislang seltene Ereignisse in einen Bereich der Verteilung mit einer höheren Seltenheit. Kritische Schwellen können dann deutlich häufiger überschritten werden. Im Vergleich zu den Veränderungen der Mittelwerte einer Werteverteilung können sich Veränderungen in den Extrembereichen deutlich unterscheiden. Eine eindeutige Zuordnung ob z.B. wärmere Wetterlagen häufiger auftreten bzw. länger andauern oder Wetterlagen generell wärmer werden, lässt sich daraus nicht ableiten. Beides jedoch spielt in der Gesamtbetrachtung von Wetterextremen im Klimawandel eine zentrale Rolle in der Bewertung von zukünftigen Risiken.

Die Welt der hochauflösenden Klimaszenarien ermöglicht es uns heute, eine große Vielfalt und Bandbreite von möglichen klimatischen Entwicklungen von 1970 beginnend bis 2100 aufzuzeigen. Je nach Szenario und Indikator zeigen sich dabei unterschiedlich starke und robuste Änderungssignale aber auch Diskrepanzen zu beobachteten Verläufen. Verständlicherweise folgt das simulierte Witterungsgeschehen in Klimaszenarien etwas anderen Regeln als in der realen Welt, was zu abweichenden Werten klimatischer Kennzahlen gegenüber Beobachtungen führen kann. Dennoch sind die Reaktionen einer globalen Temperaturerhöhung auf das Wettergeschehen von zentraler Relevanz besonders dann, wenn man sich von mittleren Größen wegbewegt. Denn Wetterextreme werden in der Regel nur durch bestimmte Strömungsmuster ausgelöst. Auswertungen langer Simulationsreihen können einen besseren Aufschluss darüber geben, in welchem Ausmaß sich bisĺang Wetterextreme durch den Klimawandel verändern.

Im weiteren Verlauf werden die zugrundeliegenden Basisdaten, abgeleiteten Indikatoren und verwendeten Methoden eingeführt, welche die Grundlage für die gewonnenen Ergebnisse sind.

Daten und Methoden

Bevor die Ergebnisse diskutiert werden, sollen in diesem Abschnitt die notwendigen Grundlagen beschrieben werden. Da umfasst folgende Fragen: (1) Welche Regionen werden betrachtet? (2) Welche Basisdaten werden verwendet? (3) Welche Indikatoren werden betrachtet? (4) Wie mache auch die möglichen Entwicklungspfade sichtbare?

Regionen

Abbildung A.1 illustriert 3 Regionen in Deutschland (rote Flächen) sowie die räumliche Auflösung der verwendeten Basisdaten (schwarze Punkte). Der Nordwesten, Nordosten und Südwesten repräsentieren dabei die Unterschiedlichkeit von klimatischen Bedingungen in Deutschland.

Abbildung A.1: Übersichtskarte Deutschland mit den farbig abgegrenzten Regionen: Nordwest, Nordost und Südwest. Die räumlich Auflösung der Rasterdaten wird durch die schwarzen Punkte wiedergegeben.

Basisdaten

Die zugrundeliegenden Basisdaten des beobachteten und simulierten Klimas liegen in Rasterform mit einer Auflösung von ca. 12 x 12 km vor. Das beobachtete Klima umfasst den Zeitraum 1971-2018 und das simulierte Klima den Zeitraum 1971-2100. Es umfasst das RCP8.5 Emissionsszeario für 17 verschiedenen Realisierungen (siehe Tabelle A.1). Für alle 3 Gebiete wurden dann Gebietsmittel der meteorologischen Tageswerte von Temperatur, Niederschlag und Windgeschwindigkeit ermittelt und die im nachfolgenden beschriebenen Indikatoren berechnet.

RCP85 RCA CLM HIR RAC DWD
MPI 1971-2100 1971-2100
NOR 1971-2100 1971-2100
IPS 1971-2100
HAD 1971-2100 1971-2100 1971-2100 1971-2100
ECE 1971-2100 1971-2100 1971-2100 1971-2100
CNR 1971-2100 1971-2100 1971-2100 1971-2100
OBS 1971-2018
Tabelle A.1: Simulationsmatrix zwischen Globalmodell (Zeile) und Regionalmodell (Spalte).

Indikatoren

Tabelle

Indikator Basisgröße Schwelle/Perzentil Einheit Beschreibung
Jahresmitteltemperatur Tagesmitteltemperatur Jahresmittel °C klimatische Bezugsgröße
Hitzetage Maximumtemperatur > 30°C Tage erhöhte Hitzebelastung
Hitzeintensität Maximumtemperatur 99th/Jahr °C dritthöchster Wert pro Jahr
Hitzewellen Hitzetage > 3 Tage Tage mindestens 3 Hitzetage in Folge
Eistage Maximumtemperatur < 0°C Tage Tage mit Dauerfrost
Kälteintensität Maximumtemperatur 1th/Jahr °C drittniedrigster Wert pro Jahr
Kältewellen Eistage > 3 Tage Tage mindestens 3 Eistage in Folge
Trockentage Niederschlag = 0 mm/d Tage Tage ohne nennenswerten Regen
Trockenperiode Trockentage > 20 Tage N mindestens 20 Trockentage in Folge
Starkregentage Niederschlag > 20 mm/d Tage Tage mit Starkregen
Regenintensität Niederschlag 99th/Jahr mm/d dritthöchster Wert pro Jahr
Dauerregen Starkregentage > 2 Tage Tage mindestens 2 Starkregentage in Folge
Sturmtage Mittelwind > 6 m/s Tage Tage mit Starkwind
Sturmintensität Mittelwind 99th/Jahr m/s dritthöchster Wert pro Jahr
Tabelle A.2: Übersicht der abgeleiteten Klimaindikatoren.

Anomaliesummen

Ausgehend von Jahreswerten abgeleiteter Klimaindikatoren aus Beobachtungen und Klimasimulationen von 1971 bis 2100 wird ein klimatologischer Basiszeitraum festgelegt. Dieser liegt typischerweise am Beginn 1971 bis 2000. Der Mittelwert eines jeden Indikators für diese Klimaperiode markiert den Normalzustand. Bezogen auf diesen Referenzwert werden die Abweichungen (Anomalien) jedes einzelnen Jahres ermittelt und aufsummiert. Dabei gibt es am Ende der Bezugsperiode eine Nulldurchgang. Steigt der Verlauf danach an, dann häufen sich positive Abweichungen. Sinkt der Verlauf, dann häufen sich negative Abweichungen. Die Änderung der Steigung ist eine Folge, dass die Werte Abweichungen der zukünftige Einzeljahre zum Bezugszeitraum größer werden.

Um die Entwicklung der Anomaliesummen besser mit Trendwerten vergleichen zu können, werden die Werte durch die Länge des Bezugszeitraums (30 Jahre) geteilt. Ein Vorteil gegenüber linearen Trends ist der, dass sich die Trajektorien der Entwicklungen zwischen Modellen besser gegenüberstellen lassen, da die Jahr-zu-Jahr Variabilität nicht dominiert.

Mittels Anomaliesummen lassen sich gegenüber linearen Trends Änderungen im Anstieg identifizieren und Modellvergleiche hinsichtlich der Änderungssignale anschaulich illustrieren. Jedoch ist es ratsam, sowohl die zugrundeliegenden Jahreswerte als auch die Anomaliesummen zusammen abzubilden, da die Bedeutung nicht auf den ersten Blick erschließt.

Ergebnisse

Jahresmitteltemperatur

Abbildung B.1 zeigt die zeitliche Entwicklung jährlicher Anomalien von 1971-2100 (graue Kreise) gegenüber dem Zeitraum 1971-2000 auf der Grundlage eines regionalen Klimamodellensembles. Einzeljahre können um ca. ±2 Grad gegenüber dem Mittelwert abweichen. Dabei gibt es regional geringe Variationen zwischen den Regionen Nordwest, Nordost und Südwest. So wird die Durchschnittstemperatur für den Zeitraum 2011-2050 in allen 3 Regionen um etwa 1 Grad höher liegen gegenüber der Periode 1971-2010. Trotz bestehender Bandbreiten des Modellensembles (rote Linien) in der Entwicklung zeigen die Beobachtungsdaten (schwarze Linie) im Vergleich dazu einen Anstieg, der am Oberrand des Unsicherheitsbereich liegt. Es ist deshalb anzunehmen, dass Mittelwerte eines Modellensembles die Entwicklungen eher unterschätzen. Weitere knapp 2 Grad können dann nochmal bis 2051-2090 dazukommen. Dann können es im Schnitt bis 4 Grad mehr sein gegenüber 1971-2010. Zwei Grad beträgt in etwa der regionale Temperaturunterschied im langjährigen Mittel von 1971-2010 zwischen den Regionen Nordwest (8.4°C) und Südwest (10.6°C). Erhöht sich das Klima also um zwei Grad in Deutschland, entspräche das zukünftige Klima der Region Nordwest dem gegenwärtigen Klima von Südwest.

Welche Änderungssignale Indikatoren für Extremwetterbedingungen aufweisen, soll in den folgenden Abschnitten beleuchtet werden. Dabei unterscheiden wir Indikatoren für Hitze, Kälte, Trockenheit, Starkregen und Sturm.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.1: links: Anomalien der Jahresmitteltemperatur von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungssignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Hitze

Hitzetage

Hitzetage sind Tage mit einer Tageshöchsttemperatur von über 30°C. Im Nordwest gibt es mit 0.9 Tagen bislang kaum welche und im Nordosten mit 10.6 Tagen und im Südwesten mit 14.1 Tagen deutlich mehr. Abbildung B.2 zeigt die zeitliche Entwicklung jährlicher Anomalien von 1971-2100 (graue Kreise) gegenüber dem Zeitraum 1971-2000 auf der Grundlage eines regionalen Klimamodellensembles. In Einzeljahren können die Anzahl der Hitzetage sehr deutlich um das 3-fache nach oben vom Mittelwert abweichen. Die langfristigen Entwicklungen lassen neue Hitzerekorde erwarten. Was heute die Variabilität von Jahr zu Jahr entspricht dem, was man zukünftig im Mittel erwarten kann. D.h. extreme Hitzesommer der Vergangenheit werden zukünftig eher zur Normalität. In der Zeitraum 2051-2090 könnten es dann im Nordosten und Südwesten durchaus 30 Hitzetage im Schnitt sein. In extremen Jahren sogar bis zu 60 Tagen.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.2: links: Anomalien der Anzahl der Hitzetage pro Jahr von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungssignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Hitzeintensität

Die Hitzeintensität orientiert sich an einer fest definierten Seltenheit, dem ein bestimmter Temperaturwert zugewiesen werden kann. Dieser kann je nach Region (Nordwesten/Südwesten) unterhalb/oberhalb der 30°C Marke liegen. In diesem Zusammenhang ist interessant, inwieweit Werte am Rand der Verteilung (Extreme) einen stärkeren Anstieg der Temperatur aufweisen als Mittelwerte. Vergleicht man die Temperaturbereiche in Abbilung B.1 und Abbilung B.3 so liegen die bei den Hitzeextremen knapp doppelt so hoch. Die Hitzeintensität könnte im Zeitraum 2051-2090 im Nordwesten bei 28.9°C, im Nordosten bei 35.1°C und im Südwesten bei 36.5°C liegen.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.3: links: Anomalien der Hitzeintensität von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungssignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Hitzewellen

Treten mehrere Hitzetage in Folge auf, dann spricht man von Hitzewellen. In Zeitraum 1971-2010 verzeichnete man im Südwesten 123, im Nordosten 92 und im Nordwesten 6 (siehe Abbildung B.4). Hitzewellen von mehr als 5 Tagen sind dagegen im Nordosten und Südwesten keine Seltenheit. Bis zum Ende des Jahrhundert (2051-2090) kann es dann doppelt so viele geben. Problematisch sind längere Hitzewellen darüber hinaus. Vereinzelt kann sind Hitzewellen von über 2 Wochen Länge nicht mehr ganz ausgeschlossen. Im Nordosten bleibt die zukünftige Verteilung der Hitzewellen im Zeitraum 2051-2090 noch deutlich unter der gegenwärtigen Verteilung 1971-2010 im Nordosten und Südwesten.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.4: Verteilung der zeitlichen Andauer von Hitzewellen für die Zeiträume 1971-2010 (links), 2011-2050 (mitte) und 2051-2090 (rechts).

Kälte

Eistage

Eistage sind Tage mit einer Tageshöchsttemperatur von unter 0°C (also Tage mit Dauerfrost). Im Nordosten ab es für den Zeitraum 1971-2010 mit 19.4 Tagen die meisten, gefolgt vom Nordwest mit 16.1 Tagen und dem Südwesten mit 11.1 Tagen. Abbildung B.5 zeigt die zeitliche Entwicklung jährlicher Anomalien von 1971-2100 (graue Kreise) gegenüber dem Zeitraum 1971-2000 auf der Grundlage eines regionalen Klimamodellensembles. Es herrscht eine große natürliche Variabilität und einen abnehmenden Trend. Einzeljahre mit viel Eistagen kann es dann zwar immer noch geben aber seltener. Die mittlere Anzahl der Eistage sinkt bis 2051-2090 im Nordwesten auf 3.8 Tage, im Nordosten auf 6.8 Tage und im Südwesten auf 2.9 Tage.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.5: links: Anomalien der Anzahl der Eistage pro Jahr von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungssignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Kälteintensität

Der Wert der Kälteintensität orientiert sich an einer fest definierten Seltenheit, dem ein bestimmter Temperaturwert zugewiesen werden kann (analog zur Hitzeintensität). Anstatt dem dritthöchsten nimmt man den drittniedrigsten Wert pro Jahr. In der Regel liegt dieser Wert gegenwärtig (1971-2010) bei unter 0°C (Nordwesten: -2.6°C, Nordosten: -4.4°C und Südwesten: -2.2°C). Abbildung B.6 zeigt die zeitlichen Verläufe im Klimamodellensemble von 1971-2100 (graue Kreise). Die Änderungssignale entsprechen in etwas dem der Jahresmitteltemperatur, jedoch bei einer größeren Jahr-zu-Jahr Variabilität. In der fernen Zukunftsperiode (2051-2090) wird der Wert er Kälteintensität sowohl im Nordwesten als auch im Südwesten deutlich über der Frostgrenze liegen. Dann gibt es im Mittel weniger als 3 Tage Dauerfrost.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.6: links: Anomalien der Kälteintensität von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungssignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Kältewellen

Ab 3 Tage aufeinanderfolgenden Tagen mit Dauerfrost spricht man von einer Kältewelle. Im Nordosten verteilen sich die im Schnitt 19.4 Eistage im Zeitraum 1971-2010 auf 137 Kältewellen. Eine typische Kältewelle hätte dann eine Länge von ca. 5 Tagen. Das gilt auch für die anderen Gebiete. Die in Abbildung B.7 gezeigten Verteilungen werden über die Zeit hin in ihrer Magnitude immer schwächer. Im Nordosten sinkt die Wahrscheinlichkeit für Kältewellen dann auf einen Wert von ca. 50 Kältewellen in 40 Jahren. Im Nordwesten und Südwesten sinkt der Wert dann sogar auf 30 und darunter. Die Wahrscheinlichkeit für Kältewellen sinkt für den Zeitraum 2051-2090 gegenüber 1971-2010 um einen Faktor 3 bis 4.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.7: Verteilung der zeitlichen Andauer von Kältewellen für die Zeiträume 1971-2010 (links), 2011-2050 (mitte) und 2051-2090 (rechts).

Trockenheit

Trockentage

Die Entwicklung von Tagen ohne Niederschlag in Abbildung B.8 zeigt beachtliche Unsicherheiten. Während im Südwesten die langfristigen Entwicklungen nach oben zeigen, gibt es im Norden auch Modellentwicklungen, wo die Anzahl der Trockentage zurückgehen. Die Tage ohne Niederschlag sind deshalb als alleiniger Indikator für Trockenheit nicht genügend. Aus meteorologischer Sicht jedoch wirft die Vielfalt der Entwicklungen fragen nach den zugrundeliegenden Wetter-/Strömungsmustern auf, die der Auslöser für langanhaltenden Trockenheit der Vergangenheit waren.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.8: links: Anomalien der Anzahl der Trockentage pro Jahr von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungsignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Trockenperiode

Analog zu Hitze- und Kältewellen soll hier die Entwicklung von Trockenperioden im Klimaensemble gezeigt werden. Abbildung B.9 illustriert Verteilungen von aufeinanderfolgenden Trockentagen ab einer Länge von 20 Tagen. Bis auf den Nordosten gibt es Hinweise für häufigere Trockenperioden. Das wäre durchaus ein plausibles Muster, da Regen- und Strömungsmuster sehr eng miteinander verknüpft sind. Demzufolgen sind nicht nur Unterschiede in Nord-Süd Richtung, sondern auch in Ost-West Richtung zu erwarten.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.9: Verteilung der zeitlichen Andauer von Trockenperioden für die Zeiträume 1971-2010 (links), 2011-2050 (mitte) und 2051-2090 (rechts).

Starkregen

Starkregentage

Starkregentage im allgemeinen können vor allem im Sommer eine große räumlich Variabilität aufweisen, weil sie örtlich sehr begrenzt auftreten können. So kann es passieren, dass benachbarte Orte sehr unterschiedlich zu spüren bekommen. In den hier vorliegenden Analysen wurden die täglichen Niederschlagsmengen über die jeweiligen Gebiete gemittelt. Eine Unschärfe, die zwar einerseits lokale Ereignisse abmildert, aber andererseits das zufällige Nichtauftreten höher bewertet. Beträgt der mittleren Gebietsniederschlag eines Tages mehr als 20 mm, dann werten wir es als Starkregen. Die klimtologische Bewertung steht repräsentativ für das Gesamtgebiet.

Die langfristigen Entwicklungen sind in Abbildung B.10 für die 3 Gebiete zeitlich aufgetragen. Alle Tendenzen zeigen nach oben und bestätigen das, was man physikalisch erwarten würde, wenn die Atmosphäre wärmer wird. Auch in den Beobachtungsdaten zeichnet sich immer prägnanter ein Anstieg der Starkregentage ab. Dabei gibt es regional kaum Unterschiede in den Änderungssignalen. Eine Zunahme um 1-2 Starkregentagen bis 2100 bei einer gegenwärtigen Anzahl im Mittel von 2 bis 4 Tagen entspräche einer Verdopplung. Wenn sich das Schadenspotential von Sturzregen vor Augen hält, dann ist das eine beachtliche Verschiebung von Risiken.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.10: links: Anomalien der Anzahl der Starkregentage pro Jahr von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungsignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Regenintensität

Tatsächlich allerdings ist die Veränderung der Intensität von Ereignissen das, was physikalische betrachtet mit der Temperaturentwicklung exponentiell steigen kann, wenn die Bedingungen dafür erfüllt sind (siehe Abbildung B.11). Über den Zufall hinaus werden dann immer häufiger neue Regenrekorde zu erwarten sein. Regenmengen die sonst im Durchschnitt eines Monats bzw. einer Saison abregnen werden dann zur Regel. Eine Tendenz, die sich bereits jetzt in Daten abzeichnet. Vergleiche mit den simulierten Entwicklungen lassen vermuten, dass Ensemblebetrachtungen den Effekt abmildern. Nur Modellsimulationen am oberen Rand sind im Einklang mit den beobachteten Tendenzen. Im Südwesten steigt im Mittel der Wert für die Regenintensität von 21.9 mm/d (1971-2010) auf 23.2 mm/d (2051-2090). Dabei reicht die Spannbreite bis 5.0 mm/d mehr. Das entspräche dann etwa 20% intensivere Niederschläge. Aus einem 100 mm Ereignis würde dann im Mittel ein 120 mm Ereignis.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.11: links: Anomalien der Regenintensität von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungsignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Dauerregen

Nicht nur vom Einzelereignis selbst geht eine Gefahr aus, sondern auch dessen Andauer. Wenngleich andauernder Starkregen über Tage in unseren Breiten ausgesprochen selten ist (siehe Abbildung B.12), so kann sich die Wahrscheinlichkeit dafür deutlich verändern, wenn sich eine wärmere Atmosphäre mehr Wasserdampf aufnehmen kann und sich zudem Wetterlagen verlangsamen. Im Südwesten ist das Potential dafür am größten. Ein Zunahme ist überall zu erwarten. Die Begleiterscheinungen solcher Konstellationen sind Hochwasser. Der jeweilige Auslöser für entsprechende Regengebiete entscheide darüber, ob es der erhoffte Landregen oder zu einem Landregen mit Hochwasserpotential entwickelt.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.12: Verteilung der zeitlichen Andauer von Dauerregenperioden für die Zeiträume 1971-2010 (links), 2011-2050 (mitte) und 2051-2090 (rechts).

Starkwind

Sturmtage

Sturmtage orientieren sich in der Regel an der Maximalgeschwindigkeit eines Tages. Ab 17 m/s stricht man von Sturm und ab 23 m/s von Orkan. Aufgrund der Datenverfügbarkeit wurde hierfür eine Analogiemethode angewendet, bei der vom Tagesmittel der Windgeschwindigkeit auf ein Starkwindereignis geschlossen wurde, denn an Tage mit Sturm- bzw. Orkanboen ist auch der Mittelwind überdurchschnittlich erhöht.

Auswertungen der Sturmintensität liefert dafür eine Näherung unter Berücksichtigung der Seltenheit. Dabei lag der dritthöchste Wert pro Jahr für den Zeitraum 1971-2010 im Nordwesten bei 10.9 m/s, im Nordosten bei 7.8 m/s und im Südwesten bei 6.3 m/s. Folglich sollte ein geeigneter Schwellenwert bei ca. 6 m/s liegen, um alle Gebiete abzudecken. An solchen Tage herrscht überdurchschnittlich viel Wind bis Sturm.

Abbildung B.13 illustriert die zeitliche Entwicklung von Sturmtagen bis 2100 gegenüber dem Referenzklima 1971-2010. Die Frage, ob es durch den Klimawandel mehr Sturmtage gibt, lässt sich auf der Basis dieser Bandbreite möglicher Trajektorien nicht eindeutig sagen. Im Vergleich zur simulierten Entwicklung tendiert die beobachtete Entwicklung nach unten, der nur wenige Modelle folgen. Während die zukünftige Entwicklung von Hitzetagen und Starkregentagen maßgeblich durch die Temperaturentwicklung bestimmt wird, dominieren bei den Sturmtagen die indirekten Folgen der Erwärmung auf großräumige Windsysteme. Zwar haben diese auch Einfluss auf Hitzewellen und Dauerregen, jedoch weniger dominant.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.13: links: Anomalien der Anzahl der Sturmtage pro Jahr von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungsignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Sturmintensität

Zum Vergleich dazu die Entwicklung der Sturmintensität (siehe Abbildung B.14). Ähnlich zur Anzahl der Sturmtage zeichnet sich auch hier wenig Klarheit ab.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung B.14: links: Anomalien der Sturmintensität von 1971-2100 gegenüber 1971-2000 (grau) und Trajektorien von Anomaliesummen (rot). rechts: Änderungsignale der Anomaliesummen für die Jahre 2020 (gelb), 2050 (orange) und 2080 (rot).

Jahresverläufe

Im folgenden soll ein zusammenfassender Überblick gegeben werden, wie sich ausgewählte Klimaindikatoren im Jahresverlauf verschieben, da sowohl Hitze als auch Kälte in der Regel mit Jahreszeiten verknüpft werden.

Hitzetage

Im beobachteten Klima von 1971-2010 beschränkten sich das Auftreten von Hitzetagen in der Regel auf die meteorologischen Sommermonate Juni bis August (siehe Abbildung C.1). Dennoch gibt es atmoshärische Bedingungen, die auch im Mai und September Hitzetage in Deutschland ermöglichen. Die Wahrscheinlichkeit dafür liegt im Südwesten und Nordosten höher als im Nordwesten. Gegenüber dem simulierten Klima für den historischen Zeitraum 1971-2010 (grün) bestehen Abweichungen, die auf das Verwenden eines Modellensembles zurückzuführen sind. Nur der Vergleich der simulierten Vergangenheit mit der simulierten Zukunft erlaubt es Aussagen zu den Klimaänderungssignalen der Jahreszeitlichen Verteilung von Hitzetagen.

Abbildung C.1 macht ebenso deutlich, dass sich die Magnitude der Verteilung überall erhöht und verbreitert. Vorallem in den Nordosten und Südwesten sind dann Hitzetage im May und September keine Seltenheit mehr sondern die Regel. Auch im April und Oktober kann es in der ferneren Zukunft Hitzetage geben. In der Sommersaison selbst kommt dann auf jeden bisherigen Hitzetag ein weiterer Hitzetag dazu, und das bevorzugt im August.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung C.1: Mittlerer Jahresverlauf der Hitzetage für die simulierten Zeitperioden 1971-2010 (grün), 2011-2050 (orange) und 2051-2090 (rot). Der beobachtete Verlauf für den Zeitraum 1971-2010 ist in grau dargestellt.

Eistage

Analog zum Jahresverlauf der Hitzetage zeigt Abbildung C.2 den Jahresverlauf der Eistage. Die Magnitude der Eistage schrumpft im simulierten Klima bis zu Ende des Jahrhunderts um einen Faktor 2 bis 4. Der Jahreszeitliche Verlauf wird flacher. Eine Restwahrscheinlichkeit für Eistage im November und März bleibt dennoch bestehen, da kritische Strömungsmuster Kaltluftausbrüche weit nach Süden auslösen können. Veränderte Wettervariabilität jenseits langfristiger Klimatrends können auch im Winter zu neuen Kälterekorden führen.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung C.2: Mittlerer Jahresverlauf der Eistage für die simulierten Zeitperioden 1971-2010 (grün), 2011-2050 (orange) und 2051-2090 (rot). Der beobachtete Verlauf für den Zeitraum 1971-2010 ist in grau dargestellt.

Starkregentage

Der Jahresverlauf der Starkregentage (siehe Abbildung C.3) zeigt markante regionale Unterschiede und Muster auf, die im Wesentlichen über die Zeit erhalten bleiben. Die Neigung für Starkregen ist im Sommer in allen Regionen am höchsten und im Frühjahr am niedrigsten. Im Nordwesten treten auch in den Wintermonaten gehäuft Starkregentage auf. Vergleicht man die Jahresverläufe in den Zeiträumen 1971-2010 (grün), 2011-2050 (orange) und 2051-2090 (rot) miteinander, so liegt die liegt die rote Linie über alle Jahreszeiten hinweg über den anderen. Klar ist, das Potential für Starkregen steigt über alle Jahreszeiten und Regionen hinweg. Die langfristige Veränderungen in der Häufigkeit und Andauer von kritischen Strömungsmuster sind eine große Quelle von Unsicherheiten der zukünftigen Entwicklung, da sie für starke Ausschläge jenseits des Klimatrend verantwortlich sind.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung C.3: Mittlerer Jahresverlauf der Starkregentage für die simulierten Zeitperioden 1971-2010 (grün), 2011-2050 (orange) und 2051-2090 (rot).

Regensummen

Abbildung C.4 zeigt die Gegenüberstellung der Jahresverläufe kumulierter Regenmengen im Beobachtungszeitraum 1971-2010 (dunkelblau) und im Klimamodellensemble 1971-2100 (hellblau) für die jeweiligen Gebiete. Die beobachteten Verläufe spannen jeweils einen Trichter auf, der im wesentlichen aus der natürlichen Variabilität resultiert. Dabei sind regionale Unterschiede im Verlauf erkennbar. Abgesehen von der Gesamtsumme, sind im Südwesten die Niederschläge im Winter und Frühjahr höher als in den weiter nördlich gelegenen Gebieten. Gegenüber der Bandbreite der Modellentwicklungen zeichnen sich Wertebereiche ab, die bislang noch nicht beobachtet wurden. So ist das Potential für feuchtere Jahre im Nordwesten und Nordosten noch offen. Im Südwesten dagegen liegt der offene Bereich eher bei den trocknen Jahren. Das entspricht dem bislang bekannten Muster der regionalen Niederschlagstendenzen. Es ist anzumerken, die Niederschlagsvariabilität jenseits der langfristigen Trends großen Unsicherheiten unterliegen. Das gilt insbesondere für Trockenjahre in den Nordwesten und Nordosten.

Nordwest Nordost Südwest
eher feucht eher feucht eher trocken
Abbildung C.4: Vergleich von jährlich kumulierten Regensummenverläufen im Modellensemble von 1971-2100 (hellblau) und in den Beobachtungen von 1971-2010 (dunkelblau).

Sturmtage

Abbildung C.5 zeigt die mittleren Jahresverläufe der Sturmtage für die Zeiträume 1971-2010 (grün), 2011-2050 (orange) und 2051-2090 (rot). Die Sturm Saison liegt dabei im Winterhalbjahr (Oktober-März). Systematische Verschiebungen sind dabei kaum festzustellen. Während im Norden die Variabilität zunimmt, deutet sich im Süden eine Zunahme an. Dort ist der Übergang zur Sturmsaison markanter ausgeprägt.

Nordwest
Nordost
Südwest
Abbildung C.5: Mittlerer Jahresverlauf der Sturmtage für die simulierten Zeitperioden 1971-2010 (grün), 2011-2050 (orange) und 2051-2090 (rot).

Anomalien

Kritische Strömungsmuster

Die Vielfalt von wiederkehrenden Strömungsmuster über Europa (Großwetterlagen) bestimmt maßgeblich die jahreszeitlichen Witterungsverläufe in Deutschland. Aus der Form der großräumigen Zirkulation lässt sich ablesen, welchen Weg die unterschiedlich temperierten Luftmassen einschlagen oder wie lange Muster unverändert bleiben. Jedes dieser Strömungsmuster ist dabei mit einem lokalen Witterungcharakter verknüpft. Die dominanten Stömungsmuster befinden sich in Abbildung X.1 (obere Reihe). Am häufigsten sind dabei die Westwindwetterlagen (WZ).

Bereits jetzt sind Veränderungen im Andauerverhalten und Verschiebungen in der Dominanz von Strömungsmuster zu beobachten, weil u.a. schwindende Temperaturkontraste zwischen Pol und Äquator die Verlagerungsgeschwindigkeit von Hoch- und Tiefdruckgebieten verringern. Welche konkreten Auswirkungen das haben kann, ist aktueller Forschungsgegenstand. Klar ist jedoch, dass jahreszeitliche Witterungsextreme im engen Zusammenhang mit wiederkehrenden Strömungsmustern über Europa (Großwetterlagen) stehen.

Abbildung X.1: Zusammenschau von wiederkehrenden Strömungsmustern über Europa. Die dominanten Muster befinden sich in der oberen Reihe.

In diesem Abschnitte soll kurz skizziert werden, welche Strömungsmuster in einer bestimmten Region zu kritischen Witterungsverläufen neigen. Dazu werden Tagesdaten der Strömungsmuster mit lokalen Wetterdaten kombiniert. Abbildung X.1 zeigt Verteilungen von beitragenden Großwetterlagen für bestimmte Wertebereiche der Temperatur, der Regenmenge oder der Windgeschwindigkeit. An den Rändern liegen die Extreme. In allen Fällen klingen die Verteilungen ab. Das bedeutet, nur wenige Großwetterlagen waren in der Vergangenheit mit Extremen (Hitze, Starkregen, Sturm) assoziiert. Dabei gibt es regionale Unterschiede zwischen Hamburg, Berlin und Stuttgart. Einige Großwetterlagen können Extreme in allen Regionen auslösen: BM (Hitze), TRM (Starkregen), WZ (Sturm).

Hamburg Berlin Stuttgart
SWZ, HM, BM, HNA, SA WA, TRW, HM, NEZ, BM HNA, WA, HFZ, BM, TRW
NWZ, WZ, TRW, SZ, TRM TRM, WZ, TM, NWZ, TRW WZ, TRW, SEZ, TM, TRM
WZ, WA, NWZ, SWZ, SWA WZ, NWZ, SWZ, NWA, WA WZ, NWZ, TRM, WS, SWZ
Abbildung X.1: Verteilungen von beitragenden Großwetterlagen an Wertebereichen der Temperatur (orange), Niederschlag (blau) und Windgeschwindigkeit (grün) für die Großregionen Hamburg, Berlin und Stuttgart.

Abschließend soll Abbildung X.1 verdeutlichen, dass kritische Strömungsmuster jahreszeitlich mit starken Anomalien einhergehen können: HFA (Hitze), TM (Starkregen), WZ (Starkwind). Je langsamer kritische Strömungsmuster sich verlagern, desto markanter können die Witterungsextreme ausfallen.

Hitze: August
Starkregen: August
Sturm: Januar
Abbildung X.1: Kompositkarten von kritischen Strömungsmustern (Europa) und Wettermustern (Deutschland) für ausgewählte Monate und Parameter.

Fazit

Abschließend sollen die Ergebnisse nochmal tabellarisch zusammengefasst werden. Tabelle X.1 zeigt für alle 3 Gebiete die zeitliche Entwicklung der Mittelwerte eines jeweiligen Klimaindikators. Unsicherheiten gehen daraus nicht hervor, wohl aber eine qualitative Einschätzung daraus gewinnen, wie stark oder weniger stark die Abweichung im Mittel ausgeprägt ist.

Indikator Einheit Nordwest Nordost Südwest
Jahresmitteltemperatur °C 8.6 / 9.7 / 11.3 9.2 / 10.2 / 12.0 10.4 / 11.4 / 13.2
Hitzetage Tage 0.9 / 1.6 / 3.8 10.6 / 13.9 / 23.3 14.1 / 20.3 / 35.6
Hitzeintensität °C 26.3 / 27.3 / 28.9 32.1 / 33.2 / 35.1 32.6 / 34.0 / 36.5
Hitzewellen Tage 6.7 / 12.5 / 31.8 92.6 / 120.2 / 190.6 123.4 / 172.2 / 268.9
Eistage Tage 16.1 / 9.8 / 3.8 19.4 / 13.9 / 6.8 11.1 / 6.9 / 2.9
Kälteintensität °C -2.6 / -1.2 / 0.8 -4.4 / -3.0 / -0.5 -2.2 / -0.7 / 1.3
Kältewellen Tage 127.1 / 80.8 / 30.1 137.7 / 100.4 / 51.2 87.1 / 55.5 / 22.9
Trockentage Tage 227.8 / 227.4 / 229.8 252.8 / 250.7 / 252.2 234.2 / 234.2 / 238.2
Trockenperiode Tage 18.4 / 18.2 / 22.7 31.6 / 28.5 / 31.8 21.5 / 21.1 / 25.5
Starkregentage Tage 4.7 / 5.5 / 6.6 2.0 / 2.4 / 2.9 4.7 / 5.2 / 6.2
Regenintensität mm/d 21.1 / 22.2 / 23.9 15.7 / 16.6 / 17.8 20.9 / 21.7 / 23.2
Dauerregen Tage 8.9 / 12.4 / 15.5 3.8 / 4.6 / 6.1 12.8 / 14.9 /19.8
Sturmtage Tage 111.3 / 110.5 / 106.9 23.6 / 24.2 / 23.7 6.2 / 6.5 / 7.1
Sturmintensität m/s 10.9 / 11.0 / 10.8 7.8 / 7.8 / 7.9 6.3 / 6.4 / 6.4
Tabelle X.1: Tabellarische Zusammenfassung der regionalen Entwicklung von Klimaindikatoren für die Zeiträume: 1971-2010 / 2011-2050 / 2051-2090.
Jahresmitteltemperatur Trockentage Eistage
Hitzetage Trockenperioden Kälteintensität
Hitzeintensität Sturmtage Kältewellen
Hitzewellen Sturmintensität
Starkregentage Dauerregen
Regenintensität