Frage 3.2: Wie ändert sich der Niederschlag?

Beobachtungen zeigen, dass sich die Menge, Intensität, Häufigkeit und Art des Niederschlags verändern. Diese Niederschlagsparameter weisen im Allgemeinen eine große natürliche Schwankungsbreite auf, und El Niño sowie Änderungen der atmosphärischen Zirkulationsmuster wie die Nordatlantische Oszillation (NAO) haben hierauf einen wesentlichen Einfluss. An manchen Orten wurden ausgeprägte langfristige Trends der Niederschlagsmenge über den Zeitraum 1900 bis 2005 beobachtet: deutlich feuchter im östlichen Nord- und Südamerika, in Nordeuropa und Nord- und Zentralasien, aber trockener in der Sahelzone, im südlichen Afrika, im Mittelmeerraum und im südlichen Asien. Heutzutage fällt in den nördlichen Regionen mehr Niederschlag als Regen anstatt als Schnee. Verbreitete Zunahmen von Starkniederschlag wurden beobachtet, sogar an Orten, wo die Gesamtniederschlagsmenge abgenommen hat. Diese Veränderungen hängen mit erhöhtem Wasserdampf in der Atmosphäre zusammen, der durch die Erwärmung der Weltmeere, insbesondere in den niederen Breiten, bedingt ist. In einigen Regionen nehmen außerdem sowohl Dürren als auch Überschwemmungen zu.

Niederschlag ist die allgemeine Bezeichnung für Regen, Schnee und andere Formen von gefrorenem oder flüssigem Wasser, das aus Wolken herabfällt. Niederschlag tritt unregelmäßig auf, und die Art des Niederschlags zum Zeitpunkt des Auftretens hängt stark von der Temperatur und der Wetterlage ab. Letztere bestimmt das Feuchtigkeitsangebot durch Wind und Oberflächenverdunstung und wie die Feuchtigkeit in Sturmsystemen in Wolken zusammengeführt wird. Niederschlag entsteht bei der Kondensation von Wasserdampf, in der Regel in aufsteigender Luft, die sich ausdehnt und dadurch abkühlt. Die Aufwärtsbewegung entsteht, wenn Luft über Bergen aufsteigt, sich warme Luft über kühlere Luft (Warmfront) oder kältere Luft unter wärmere Luft (Kaltfront) schiebt, durch Konvektion aufgrund lokal erwärmter Erdoberfläche und durch andere Wetterund Wolkensysteme. Daher wirken sich Veränderungen in diesen Komponenten auf den Niederschlag aus. Da Niederschlagskarten tendentiell fleckenhaft sind, werden gebietsübergreifende Niederschlagtrends mit dem „Palmer Drought Severity Index“ beschrieben (siehe Abbildung 1), der ein Maß für die Bodenfeuchte darstellt und auf Niederschlag und groben Schätzungen von Veränderungen in der Verdunstung beruht.

Eine Folge zunehmender Erwärmung durch den vom Menschen verursachten verstärkten Treibhauseffekt ist eine erhöhte Verdunstung, vorausgesetzt genügend Oberflächenfeuchtigkeit ist verfügbar (wie es über den Ozeanen und anderen nassen Oberflächen immer der Fall ist). Somit wirkt die Oberflächenfeuchtigkeit quasi als „Klimaanlage“, da Wärme, die für Verdunstung verbraucht wird, die Luft anfeuchtet anstatt sie zu erwärmen. Eine beobachtete Konsequenz davon ist, dass Sommer häufig dazu neigen, entweder warm und trocken oder kühl und feucht zu sein. In den Regionen des östlichen Nord- und Südamerikas, in denen es feuchter geworden ist (Abbildung 1), sind die Temperaturen daher weniger stark als anderswo gestiegen (siehe Frage 3.3, Abbildung 1 zu Veränderungen hinsichtlich warmer Tage). Über den nördlichen Kontinenten hingegen sind im Winter mehr Niederschläge mit höheren Temperaturen verbunden, da sich die Wasseraufnahmekapazität der Atmosphäre unter wärmeren Bedingungen erhöht. Allerdings haben in diesen Regionen, in denen die Niederschläge im Allgemeinen ein wenig zugenommen haben, Temperaturerhöhungen (Frage 3.1) zu verstärkter Austrocknung geführt, sodass sich die Niederschlagsänderungen in Abbildung 1 weniger deutlich abzeichnen.

Wenn sich das Klima ändert, verändern mehrere direkte Einflüsse die Niederschlagsmenge, -intensität, -häufigkeit und -art. Erwärmung beschleunigt die Austrocknung der Landoberfläche und steigert die mögliche Häufigkeit und Schwere von Dürren, wie an vielen Orten weltweit (Abbildung 1) beobachtet wurde. Gemäß einem bekannten physikalischen Gesetz (der Clausius-Clapeyron- Gleichung) steigt jedoch die Wasseraufnahmekapazität der Atmosphäre um rund 7 % pro 1 °C Temperaturanstieg an. Beobachtungen von Trends der relativen Luftfeuchte sind unsicher, legen jedoch nahe, dass diese insgesamt, von der Oberfläche bis hin zur Troposphäre, gleich geblieben ist und daher höhere Temperaturen zu erhöhtem Wasserdampf geführt haben. Aufgrund von Veränderungen der Meeresoberflächentemperaturen wird geschätzt, dass im Laufe des 20. Jahrhunderts der Wasserdampf in der Atmosphäre über den Ozeanen um etwa 5 % angestiegen ist. Da Niederschlag hauptsächlich aus Wettersystemen stammt, die aus dem Wasserdampfgehalt der Atmosphäre gespeist werden, hat dies die Niederschlagsintensität und die Gefahr von Starkregen und starkem Schneefall allgemein erhöht. Theoretische Grundlagen, Simulationen mit Klimamodellen und empirische Hinweise bestätigen allesamt, dass wärmeres Klima aufgrund des erhöhten Wasserdampfes zu intensiveren Niederschlagsereignissen führt, selbst wenn die jährliche Gesamtniederschlagsmenge leicht abnimmt, mit Aussichten auf noch stärkere Ereignisse, wenn sich die gesamte Niederschlagsmenge erhöht. Das wärmere Klima erhöht somit das Risiko sowohl für Dürren (an Orten, an denen es nicht regnet) als auch für Überschwemmungen (an Orten, wo es regnet), aber zu unterschiedlichen Zeiten und/oder Orten. Zum Beispiel bescherte der Sommer 2002 Europa großflächige Überschwemmungen, gefolgt von Rekordhitzewellen und Dürren im Jahr 2003. Die Verteilung und das zeitliche Auftreten von Überschwemmungen und Dürren werden am tiefgreifendsten durch den Zyklus der El Niño-Ereignisse beeinflusst, insbesondere in den Tropen und in großen Teilen der mittleren Breiten der Pazifik-Anrainerstaaten.

In Gebieten, in denen die Aerosolbelastung den Boden vor direkter Sonneneinstrahlung abschirmt, reduziert eine abnehmende Verdunstung die gesamte Feuchtigkeitsabgabe an die Atmosphäre. Dadurch können Dauer und Häufigkeit der Ereignisse vermindert werden, obwohl höhere Wasserdampfgehalte die Möglichkeit stärkerer Niederschläge bieten, weil es länger dauert, die Atmosphäre wieder mit Wasserdampf anzureichern.

Lokale und regionale Änderungen der Niederschlagseigenschaften hängen auch stark von atmosphärischen Zirkulationsmustern ab, die durch El Niño, die Nordatlantische Oszillation (NAO, ein Maß für die Westwindstärke über dem Nordatlantik im Winter) und anderen Variabilitätsmustern bestimmt werden. Einige dieser beobachteten Zirkulationsänderungen stehen mit dem Klimawandel in Verbindung. Eine damit im Zusammenhang stehende Verschiebung der Zugbahnen von Stürmen führt dazu, dass einige Regionen feuchter werden und einige – oft benachbarte – trockener, sodass komplexe Veränderungsmuster entstehen. So führte beispielsweise im europäischen Sektor eine positiverer NAO in den 1990er Jahren zu feuchteren Bedingungen in Nordeuropa und zu mehr Trockenheit im Mittelmeerraum und in den nördlichen Gebieten Afrikas (Abbildung 1). Die anhaltende Dürre in der Sahelzone (siehe Abbildung 1), die von den späten 1960er Jahren bis Ende der 1980er Jahre besonders ausgeprägt war, hält weiter an, auch wenn sie inzwischen nicht mehr ganz so stark wie vorher ausfällt. Diese Dürre wird, über Änderungen der atmosphärischen Zirkulation, mit Veränderungen der tropischen Meeresoberflächentemperaturmuster in den pazifischen, indischen und atlantischen Becken in Verbindung gebracht. Dürre ist zu einem weitverbreiteten Phänomen in großen Teilen Afrikas geworden und tritt in den Tropen und Subtropen häufiger auf. 

Mit steigenden Temperaturen steigt die Wahrscheinlichkeit dafür, dass Niederschlag eher als Regen fällt, statt als Schnee. Dies gilt vor allem im Herbst und Frühjahr zu Beginn und am Ende der Schneesaison und in Gebieten mit Temperaturen um den Gefrierpunkt. Solche Änderungen werden an vielen Orten beobachtet, vor allem über Land in den mittleren und hohen Breiten der Nordhalbkugel. Dies führt zu stärkerem Regen und zu geringeren Schneedecken und infolgedessen verminderten Wasserressourcen im Sommer, wenn sie am stärksten gebraucht werden. Das oftmals unregelmäßige und episodische Wesen von Niederschlag bedeutet jedoch, dass die beobachteten Veränderungsmuster komplex sind. Die langjährigen Aufzeichnungen unterstreichen, dass sich Niederschlagsmuster von Jahr zu Jahr leicht unterscheiden und sogar anhaltende mehrjährige Dürren in der Regel durch ein Jahr mit Starkregenereignissen unterbrochen werden, z. B. wenn El Niño-Einflüsse spürbar werden. Ein Beispiel mag der nasse Winter 2004–2005 in den südwestlichen USA sein, der einer sechsjährigen Dürreperiode mit unterdurchschnittlicher Schneedecke folgte.

 

Frage 3.2, Abbildung 1. Das wichtigste räumliche Muster (oben) des monatlichen „Palmer Drought Severity Index“ (PDSI) von 1900 bis 2002. Der PDSI ist ein wichtiger Index für Dürre und misst das kumulative Defizit (in Bezug auf lokale Durchschnittsbedingungen) der Feuchtigkeit der Landoberfläche, indem er vorangegangenen Niederschlag und Abschätzungen der Feuchtigkeitsabgabe an die Atmosphäre (basierend auf den atmosphärischen Temperaturen) in ein hydrologisches Bilanzierungssystem einspeist. Die untere Grafik zeigt, wie sich Vorzeichen und Intensität dieses Musters seit 1900 verändert haben. Rote und orange Flächen sind trockener (feuchter) als der Durchschnitt und blaue und grüne Flächen sind feuchter (trockener) als der Durchschnitt, wenn die in der unteren Grafik dargestellten Werte positiv (negativ) sind. Die glatte schwarze Kurve zeigt dekadischen Schwankungen. Die Zeitreihe entspricht in etwa einem Trend; das Muster und seine Schwankungen erklären 67 % des linearen PDSI-Trends zwischen 1900 und 2002 über der globalen Landfläche. Es zeigt daher beispielsweise die weitverbreitete und zunehmende Dürre in Afrika, insbesondere in der Sahelzone, auf. Zu beachten sind auch die feuchteren Gebiete, besonders in Nord- und Südamerika und im nördlichen Eurasien. Überarbeitet nach Dai et al. (2004b).