Warum klare Trends schwer zu finden sind

Zusammenfassung

Der Klimawandel kann die Entstehung und die Entwicklung von Tiefdruckgebieten (Zyklonen) sowie die damit zusammenhängenden Stürme auf komplexe Weise beeinflussen. Dazu muss man wissen, dass der Temperaturunterschied zwischen den polaren und den mittleren Breiten ein entscheidender Faktor für die Bildung von Tiefdruckgebieten ist. Zum Klimawandel gehört einerseits die sogenannte „Polare Verstärkung“, also der Effekt, dass sich die untere Atmosphäre wegen der abnehmenden Meereisbedeckung über dem Nordpol schneller erwärmt als in den niedrigeren Breitengraden. Dies könnte zu einer Abnahme von Stürmen führen. Andererseits kann die mit den höheren Temperaturen einhergehende Zunahme der Luftfeuchtigkeit zu mehr Kondensation und somit zu mehr freigesetzter Energie führen. Dies könnte eine Verstärkung von Stürmen verursachen.

Welcher dieser und noch weiterer Prozesse die Entwicklung von Stürmen über Europa am stärksten beeinflusst, kann mit Hilfe von Wetterdaten und Klimamodellen nicht ohne weiteres bestimmt werden. Auch weil das Sturmgeschehen in Europa von starker Variabilität geprägt ist. Das heißt, es gibt lange, über Jahre oder sogar Jahrzehnte anhaltende Zeitphasen mit wenigen Stürmen gefolgt von langen Phasen mit vielen und starken Stürmen. Bis in die 1990er Jahre herrschte in Europa eine starke Phase, seitdem hat die Sturmaktivität wieder abgenommen.

Diese Aktivitätsphasen über Europa sind abhängig von verschiedenen Mustern und Zuständen in der globalen Zirkulation, beispielsweise der Nordatlantischen Oszillation (NAO, die Schwankung relevanter Tief- und Hochdruckgebiete über dem Atlantik) oder der Position des Jetstreams (dem Starkwindband in etwa 10 km Höhe, welches sich zwischen der polaren und subtropischen Luftmasse bewegt). Diese Schwankungen zeigen sich auch in Messdaten und es ist somit sehr schwer einen statistisch eindeutigen Trend im Sturmgeschehen der Vergangenheit zu erkennen. Dazu kommt, dass lange Aufzeichnungen von Windgeschwindigkeiten seltener und in schlechterer Qualität vorhanden sind als Temperaturmessungen.

Klimamodelle zeigen für mögliche zukünftige Klimaentwicklungen im Durchschnitt eine Abnahme in der Anzahl der Stürme in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel. Auch über dem Atlantik, Südeuropa und Skandinavien wird von den Modellen vornehmlich eine signifikante Abnahme simuliert. Einige Modellanalysen zeigen einen Korridor der Sturmzunahme über den britischen Inseln und Irland, dem Nordsee- und dem Ostseeraum und Teilen Zentraleuropas, inklusive Deutschland. Hier könnte es zu mehr und stärkeren Stürmen kommen.

Interessanterweise zeigen viele Modelle trotz der allgemeinen Abnahme der Sturmaktivität über Europa, dass die extremsten Stürme stärker und häufiger werden könnten.

Untersuchungen an Klimamodelldaten weisen aber auch auf erhebliche Unsicherheiten hinsichtlich des zukünftigen Sturmgeschehens hin. Die Ergebnisse unterscheiden sich zum Teil systematisch zwischen den verwendeten Modellen und können in manchen Regionen sogar gegensätzliche Richtungen der Sturm-Trends zeigen.

Viele Studien kommen zu dem Schluss, dass die Häufigkeit und Intensität von Winterstürmen über dem Atlantik und Europa in Zukunft insgesamt etwas abnehmen wird. Die gleichen Studien zeigen aber auch, dass die extremsten Winterstürme stärker und häufiger werden könnten. Diese beiden Entwicklungen passen zu den eingangs erwähnten gegensätzlich wirkenden Mechanismen: der polaren Erwärmung, die zu weniger Zyklonen führt und der Zunahme von Feuchtigkeits-Energie in der wärmeren Atmosphäre, durch welche Zyklonen mehr Energie zugeführt werden kann. Dies wird von Experimenten mit idealisierten Modellen gestützt. Es bedarf hierzu jedoch noch mehr Forschung und verbesserte Klimamodelle.

Ausführliche Erläuterung

Entstehung und Auswirkungen von Stürmen

Stürme werden als Unwetterereignisse verstanden, die sich durch hohe Windgeschwindigkeiten auszeichnen, aber auch von starkem Niederschlag begleitet werden können. Nicht alle Stürme werden durch die gleichen physikalischen Phänomene verursacht: hinter Gewittern, tropischen Stürmen und Stürmen in mittleren Breitengraden stehen unterschiedliche Mechanismen. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf so genannte europäische Winterstürme. Diese sind mit extratropischen Tiefdruckgebieten (Zyklonen) verbunden. Solche Tiefdrucksysteme entstehen durch relativ kleine Störungen an der Grenze (auch als Front bezeichnet) zwischen den kalten polaren und den wärmeren subtropischen Luftmassen. Der Druckunterschied verursacht in Verbindung mit der Erdrotation (um genauer zu sein, der Corioliskraft) einen Wind, der sich auf der Nordhalbkugel zyklonal, also gegen den Uhrzeigersinn um das Tiefdruckgebiet dreht. Dadurch entstehen hohe Windgeschwindigkeiten, die über dem Ozean mehr als 200 km/h und über Land mehr als 100 km/h erreichen können. Dies macht Winterstürme zu den teuersten Naturaktstrophen in Europa. Die intensivsten Stürme können nicht nur zu Kosten in Milliardenhöhe (Burghoff et al., 2024), sondern auch zu Todesfällen, beschädigten Stromleitungen und Verkehrsproblemen führen.

Stürme im Klimawandel - Was wir bereits wissen und was wir nicht wissen

Im Rahmen der globalen Erwärmung verändern sich verschiedene Bedingungen in der Atmosphäre, die einen Einfluss auf Stürme haben. Auf drei soll hier gesondert eingegangen werden:

1. Abnehmende Baroklinität durch polare Erwärmung: Die Stärke des Temperaturgegensatzes in der Atmosphäre wird als Baroklinität bezeichnet. Durch die Emission von Treibhausgasen verstärkt sich der Treibhauseffekt und die Wetterschicht der Atmosphäre, die Troposphäre, wird im globalen Mittel wärmer. Diese Erwärmung findet aber nicht gleichmäßig statt. Relevant für Winterstürme ist hier die so genannte „Polare Verstärkung“. Die Temperatur steigt aufgrund des schwindenden Meereises an den Polen im Mittel stärker als in den mittleren Breitengraden, auch wenn es dort natürlich in absoluten Temperaturen weiterhin kälter ist. Wie bereits erwähnt ist dieser Temperaturunterschied und der daraus entstehende Druckunterschied relevant, um extratropische Zyklone auszulösen. Wenn sich die polare Luft bodennah schneller erwärmt als die Luft der mittleren Breiten, nimmt die Baroklinität ab und es könnten weniger Stürme entstehen.
2. Zunehmende Baroklinität in der höheren Troposphäre: Auf der anderen Seite erwärmt sich die Luft im Bereich des Äquators in den weiter oben gelegenen Schichten der Troposphäre stärker als über den Polen. Hierdurch wird ein entgegengesetzter Effekt in der oberen Troposphäre erzeugt.
3. Zunehmender Einfluss feuchter Prozesse und latenter Wärme: Warme Luft kann mehr Luftfeuchtigkeit aufnehmen als kalte. In aufsteigender feuchter Luft kondensiert der enthaltene Wasserdampf und es bilden sich Wolken und Regen. Bei Kondensation wird latente Wärme frei und dies führt zu diabatischer Erwärmung. Diese Prozesse finden insbesondere auch in extratropischen Zyklonen statt. Die Luft steigt auf, durch Kondensation wird wärme freigesetzt und so der Zyklone Energie zugeführt, welche in kinetische Energie umgewandelt wird. Dieser Prozess kann also auch dazu führen, dass stärkere Windböen entstehen und die Auswirkungen eines Sturmes am Boden größer werden. Hieraus könnte also folgen, dass in einer wärmeren Atmosphäre stärkere Stürme auftreten können.

Es ist nicht grundsätzlich klar, welcher der genannten Prozesse dominiert und wie sie auch mit weiteren, hier nicht genannten Prozessen, interagieren (siehe hierzu Catto et al. (2019) und Shaw et al. (2016)).

Ergebnisse der Forschung

Die Frage nach „mehr oder weniger Sturm“ lässt sich aus meteorologischer Sicht in verschiedene Unterfragen unterteilen:
Ändert sich die Häufigkeit von Stürmen? Ändert sich die Stärke, also die Intensität von Stürmen? Wie entwickelt sich die Häufigkeit und Intensität der stärksten und schädlichsten Stürme? Und in welchen Regionen ändern sich Häufigkeit und Intensität? Wenn es zum Beispiel mehr Stürme über dem Atlantik gibt, ist das zwar für die Schifffahrt interessant, aber für die Auswirkungen auf dem Festland und somit für die meisten Menschen nicht relevant. Je nachdem, welche Region und welches Maß man betrachtet, kann die Antwort auf die Frage nach „mehr oder weniger“ also anders ausfallen.

Ein Blick in die Vergangenheit: Beobachtungsdaten und Reanalysen

Eine Möglichkeit, Hinweise auf zukünftige Trends zu bekommen, ist die Entwicklungen der Vergangenheit zu untersuchen. Dies geschieht zum einen mit Hilfe von Messdaten, die von Wetterstationen erhoben wurden und zum anderen mit Reanalysen. Reanalysen sind von Computermodellen berechnete Wetterdaten, die das 3-dimensionale Wetter der Vergangenheit über einen langen Zeitraum und flächendeckend abbilden. Sie haben keine zeitlichen und räumlichen Lücken, bilden aber lokale Verhältnisse nicht so genau ab wie Messdaten.

In ihrem Übersichtsartikel haben Feser et al. (2015) Studien zu Sturmaktivität über dem Nordatlantik und Europa zusammengefasst: Für Mitteleuropa und die Nordsee wurde häufig die multidekadische Variabilität der Sturmaktivität festgestellt (also Schwankungen, die sich über mehrere Jahre bis Jahrzehnte erstrecken), es konnten aber keine Langzeittrends abgeleitet werden. Auch aktuellere Studien kommen zu ähnlichen Schlüssen. Weitere Untersuchungen der Sturmaktivität anhand von Messdaten bzw. Reanalysedaten über dem Nordatlantik (Krueger et al., 2019; Feser et al., 2021) und der deutschen Bucht (Krieger et al., 2020) belegen die starke multidekadische Variabilität. So nahm die Sturmaktivität in den 1960ern bis in die 1990er zu und nimmt seit dem wieder ab. Wegen dieser starken Schwankungen ist es nicht möglich, aus den Daten einen allgemeinen Trend abzuleiten, auch wenn die globalen Temperaturen in diesem Zeitraum bereits zunehmen (Krueger et al., 2019; Krieger et al., 2020).

Laurila et al. (2020) untersuchten bodennahe Windgeschwindigkeiten in ERA5 (dem Reanalyseprodukt des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage). Sie detektieren eine Zunahme der Windgeschwindigkeiten in den 1990er Jahren über Nordeuropa, und in den 1990er und 2010er Jahren über Südeuropa, betonen aber ebenfalls, dass es wegen der starken dekadischen Variabilität schwierig ist, Langzeittrends abzuleiten.

Karwat et al. (2022) und Akperov and Mokhov (2023) betrachteten mit Hilfe von ERA5 Zyklonen-Trends in der nördlichen Hemisphäre. Insgesamt stellen sie auf der Nordhalbkugel eine Zunahme in der Intensität von Stürmen fest, jedoch keine bzw. keine signifikante Zunahme der Häufigkeit. Diese Intensitätszunahme zeigte sich allerdings vor allem für die Ozeane und ist über Land wenig oder gar nicht ausgeprägt. Akperov and Mokhov (2023) zeigten, dass es in Europa in vielen Regionen keine Änderung oder sogar eine Abnahme gab.

Ein Blick in die Zukunft: Klimamodelldaten

Statt Trends in der Vergangenheit zu untersuchen, in der das Treibhaussignal noch relativ schwach ist, können auch Trends in möglichen zukünftigen Klimaszenarien mit Hilfe von Klimamodellen untersucht werden. Anders als bei Wettervorhersagemodellen kann man aus ihnen kein Wetter für einen bestimmten Tag der Zukunft ableiten. Sie können uns also nicht verraten, ob es z.B. am 01. Oktober 2063 einen Sturm gibt. Stattdessen erlauben sie z.B Aussagen darüber, wie häufig Stürme bis zum Jahr 2100 durchschnittlich auftreten und welche Windgeschwindigkeiten in Extremfällen erreicht werden könnten.

Hierfür können globale und regionale Klimamodelle untersucht werden. Globale Modelle decken den ganzen Globus ab. Regionale Modelle werden von globalen Modellen angetrieben und simulieren das Klima in höherer räumlicher Auflösung für bestimmte Regionen der Erde.

In vielen Studien werden vor allem die globalen Klimamodelle herangezogen, die unter dem Dach des Forschungsprojektes Coupled Model Intercomparison Project versammelt sind, welches sich aktuell in seiner sechsten Phase befindet (CMIP6).

Priestley and Catto (2022) analysierten Häufigkeit und Stärke von Zyklonen in CMIP6-Modellen für die Nord- und Südhalbkugel. Für den gesamten Globus stellten sie eine Abnahme der Häufigkeit fest, die im Szenario mit dem stärksten Treibhausgasanstieg am deutlichsten ist. Gleichzeitig finden sie eine Zunahme von Häufigkeit und Intensität der stärksten Zyklonen, verbunden mit einer räumlichen Ausdehnung von Stürmen. Über dem europäischen Festland nimmt die Zyklonenaktivität über Südeuropa und Teilen Zentraleuropas im Winter deutlich ab, wogegen eine Zunahme über dem östlichen Nordatlantik und den Britischen Inseln auftritt, die bis in die Nord- und Ostsee reicht. Ein sehr ähnliches Muster für die Intensität extremer Windgeschwindigkeiten und die Häufigkeit von Stürmen in Europa fanden auch Little et al. (2023).

Krieger and Weisse (2025) fanden eine Abnahme von Stürmen über dem Nordatlantik und der Deutschen Bucht und auch sie stellten fest, dass die stärksten Stürme in dieser Region häufiger und stärker werden könnten.

Priestley et al. (2024) und Severino et al. (2024) betrachteten mögliche Änderungen in den Auswirkungen von Stürmen. Erstere fanden eine Rückgang von Sturmauswirkungen über Nord- und Südeuropa sowie eine Zunahme über Westeuropa und, etwas schwächer, über den britischen Inseln, Zentraleuropa und dem Ostseeraum. Auch Zweitere fanden eine Abnahme über Südeuropa und Skandinavien und eine mögliche Zunahme über Teilen Mitteleuropas. Diese beiden Untersuchungen stellten ebenfalls eine Zunahme der Häufigkeit der stärksten Stürme fest. Severino et al. (2024) betonten aber, dass die Ergebnisse mit großen Unsicherheiten verbunden sind.

Studien an älteren Klimamodell-Ensembles (CMIP3 und CMIP5) fassten Feser et al. (2015) zusammen und kamen damals zu dem Ergebnis, dass Insgesamt kein eindeutiger Trend für Sturmfrequenzen festgestellt werden kann. Ungefähr gleich viele Studien berichteten von zunehmenden wie von abnehmenden Trends.

Simulationen mit regionalen Klimamodellen wurden im Rahmen des Projektes Coordinated Regional Downscaling Experiment (CORDEX) durchgeführt. Relevant für die Region Europa sind hier die mit den globalen CMIP5 Ergebnissen angetriebenen EURO-CORDEX-Simulationen. Für diese Modelle untersuchten Outten and Sobolowski (2021) potentielle zukünftige Änderungen in extremen Windgeschwindigkeiten. Sie fanden eine starke räumliche Heterogenität und deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen, die sowohl Zu- und Abnahmen oder keine Änderung zeigten. Doch auch sie stellten fest, dass besonders starke Stürme häufiger werden. Jung and Schindler (2021) analysierten die Änderung extremer Windböen über Deutschland. Sie fanden zwar, abhängig vom gewählten Treibhausgasanstieg, in einigen Wintermonaten eine Zunahme. Doch sie kamen zu dem Schluss, dass die Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen zu groß sind, um eine eindeutige Aussage zu zukünftigen Änderungen treffen zu können. Spinoni et al. (2020) betrachteten die Änderung des Sturmschadenrisikos und zeigten ein sehr heterogenes Muster kleinskaliger Zu- und Abnahmen der extremer Windgeschwindigkeiten. Sie kommen zu dem Schluss, dass keine Veränderung des Sturmrisikos im zukünftigen Klima zu erwarten ist. Alifdini et al. (2025) untersuchten die Sturmintensität und potentielle Schäden auf Basis der simulierten Böendaten in EURO-CORDEX Simulationen. Sie fanden eine Zunahme der Sturmintensität über Osteuropa, die angesichts der Variabilität in den Modellsimulationen nicht statistisch signifikant ist. Gleichzeitig diagnostizierten sie eine Abnahme der Sturmhäufigkeit in großen Teilen Europas. Die Veränderungen in den Sturmschäden selbst sind insgesamt gering. Für Mitteleuropa zeigten sich tendenziell sinkende Schäden, für Osteuropa eher steigende Schäden. Auch hier besteht eine große Bandbreite zwischen den einzelnen Modellergebnissen.

Experimente mit idealisierten Klimamodellen

Eine weitere mögliche Methode zur Untersuchung von Stürmen im Klimawandel sind Experimente mit Klimamodellen. Teilweise werden hier idealisierte Modelle angewendet, also solche die die Klimaphysik mit reduzierter Komplexität abbilden.

In einem Review-Artikel fassten Shaw et al. (2016) die Ergebnisse verschiedener Studien mit idealisierten Modellen zusammen, die sich mit den Veränderungen in einem Treibhausgasklima befassen. Die meisten Studien zeigen, dass sich Sturmpfade polwärts verlagern, besonders auf der Südhalbkugel. In den mittleren Breiten der Nordhalbkugel sind die Änderungen uneinheitlich: Manche Regionen zeigen eine Abnahme der Sturmfrequenz, andere Regionen zeigen eine Zunahme. Die Gesamtzahl der Zyklonen in den mittleren Breiten könnte leicht abnehmen. Gleichzeitig scheint die Intensität der stärksten Stürme tendenziell zuzunehmen.

Zu ähnlichen Ergebnissen kamen auch Pfahl et al. (2015), welche die Änderungen in der Zyklonenaktivität auf einem vollständig von Wasser bedeckten Planeten unter verschiedenen Temperaturszenarien untersuchten. Sie fanden heraus, dass Zyklone in einem wärmeren Klima seltener und schwächer werden. Doch auch sie stellten fest: Die stärksten Stürme nehmen an Intensität zu, vor allem verursacht durch zunehmende Luftfeuchtigkeit und latente Wärmefreisetzung. Deren Bedeutung zeigt sich auch in der Studie von Zeitzen et al. (2025). Sie untersuchen mit Hilfe eines konvektionserlaubenden Modells, wie sich der im Dezember 1999 aufgetretene Sturm Anatol, der in Teilen Westeuropas große Schäden verursachte, in wärmeren Klimata verhalten hätte. Sie kommen zu dem Schluss, dass höhere Windgeschwindigkeiten aufgetreten wären, die zusätzlich eine größere Fläche getroffen hätten.

Referenzen:

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Autorin:

Rike Lorenz

Projekt

FORTEC