Mit dem Klimawandel rechnen

, Gastbeitrag von Dr. phil. nat. K. Strassmann, selbständiger Gestalter und Wissenschaftskommunikator

Ein heute errichtetes Gebäude hat über viele Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte, den Einwirkungen der Witterung zu trotzen. Ob beim Objektschutz, der Wahl von Baumaterialien, der Anordnung im Gelände – überall muss der Klimawandel mitgedacht werden. Welches aber sind die konkreten Veränderungen bei den Naturgefahren, und wie gut verstehen wir sie?

Viele Witterungsereignisse, die einem Gebäude gefährlich werden können, haben eine geringe räumliche Ausdehnung, dauern relativ kurz und treten überdies selten auf. All dies erschwert es, solche Phänomene physikalisch darzustellen und quantitativ zu erforschen. Ein Problem ist, dass die Hauptwerkzeuge dieser Forschung, die Klimamodelle, verglichen mit der Skala der Ereignisse, relativ grob aufgelöst sind. Die aktuellen Schweizer Klimaszenarien CH2018 zum Beispiel beruhen auf Modellsimulationen mit einer Maschenweite von 12-50 km – zu grob, um wichtige Vorgänge wie die atmosphärische Konvektion explizit physikalisch zu beschreiben (CH2018, Technischer Bericht; Fischer et al., 2022). Man behilft sich mit statistischen Formeln, um das Geschehen zwischen den Maschen anzunähern (sog. Parametrisierung). Die Simulation kleinskaliger Phänomene wie Hagel, Stürme oder gar Tornados ist mit solchen Modellen nur eingeschränkt möglich.

Herausforderung für Klimamodelle

Auch Starkniederschläge finden oft kleinräumig statt und sind eigentlich eine Herausforderung für die Klimamodelle. Trotzdem lässt sich heute zuverlässig sagen, dass starke bis extreme Niederschlagsereignisse infolge des Klimawandels deutlich häufiger auftreten und ergiebiger ausfallen werden. Dieser Trend ist schon aus vergangenen Beobachtungen klar ersichtlich, und er ist zudem physikalisch gut verstanden: Nach dem Gesetz von Clausius-Clapeyron steigt die Wasseraufnahmefähigkeit der Luft pro Grad Celsius Erwärmung um 6 bis 7 Prozent. Entsprechend nimmt also auch die Wassermenge zu, die sich in Niederschlägen wieder entladen kann. Zwar gilt das nur, wenn die relative Feuchte der Luft etwa gleich bleibt, was nicht von vornherein klar ist. Doch zeigen neuere Studien mit hochaufgelösten Modellen, welche Gewitterzellen explizit simulieren können, dass sich die Clausius-Clapeyron-Gleichung zur Abschätzung zukünftiger Starkniederschläge eignet (CH2018, Technischer Bericht). Dieser Befund erhärtet auch bestehende Ergebnisse, wie sie etwa in den Schweizer Klimaszenarien CH2018 beschrieben sind.

Eine einfache Rechnung (mit einem Haken)

Die Klimaszenarien sagen gerade für extreme Niederschlagsereignisse eine deutliche Zunahme voraus. So sollen Eintagesniederschläge mit 100-jährlicher Wiederkehrperiode noch 5 bis 10 Prozent intensiver werden – falls die Ziele der Klimakonferenz von Paris 2015 erreicht werden. Da die Welt klimapolitisch nicht auf Kurs ist, kann auch ein Szenario «ohne Klimaschutz» eintreffen. Dann wäre mit einer Zunahme von 20 Prozent bis gegen Ende dieses Jahrhunderts zu rechnen. Auch Zunahmen bis gegen 50 Prozent liegen im Streubereich der Modellrechnungen (wobei dieser nicht nur auf klimatische Unterschiede, sondern auch auf stochastische Schwankungen zurückzuführen ist). Die für die Vergangenheit aus Beobachtungen hergeleitete Beziehung zwischen Intensitäten und Wahrscheinlichkeiten verschiebt sich dadurch markant: Für die Station Bern/Zollikofen würde beispielsweise ein bislang als 100-jährlich eingestuftes Starkregenereignis bei einer Zunahme der Niederschläge um 10 Prozent schon alle 60 Jahre auftreten, bei einer Niederschlagszunahme um 20 Prozent gar alle 35 Jahre.

Um als Planungsgrundlage zu dienen, müssen diese Änderungen in absolute Werte umgerechnet werden – etwa durch Addition zu bestehenden Schätzungen, die auf stationsbasierten Niederschlagsmessungen beruhen. Diese an sich einfache Rechnung ist jedoch mit grossen Unsicherheiten behaftet, die ihrerseits teilweise direkt oder indirekt auf den Klimawandel zurückzuführen sind (siehe «Den Einfluss des Klimawandels auf Starkregen abschätzen»). Durch die schleichende Verschiebung aller meteorologischen Parameter stellt der Klimawandel unser Erfahrungswissen über Extremereignisse bereits heute infrage. In Zukunft wird das Ausmass der Veränderungen nicht nur grösser, sondern auch immer unsicherer. Diese Entwicklung zu antizipieren, ist eine Aufgabe von erheblicher Komplexität, die nicht allein den Anwenderinnen und Anwendern von Klimainformationen überlassen werden sollte. Es braucht eine wissenschaftlich abgestützte Klimaanpassung der stationsbezogenen Datengrundlagen – eigentliche «Klimaszenarien Extremniederschlag», die, ähnlich wie die kürzlich erschienenen «Klimaszenarien Raumklima», direkt auf praktische Planungsfragen anwendbar sind.

Trend Eintagesniederschlag: Messungen zeigen einhellig eine Zunahme der Starkniederschläge über die Vergangenheit – an keiner der 173 Messstationen wurde eine deutliche Abnahme verzeichnet (Abbildung: CH2018-Broschüre).
Trend Eintagesniederschlag: Messungen zeigen einhellig eine Zunahme der Starkniederschläge über die Vergangenheit – an keiner der 173 Messstationen wurde eine deutliche Abnahme verzeichnet (Abbildung: CH2018-Broschüre).
Mit dem Anstieg der Winter-Nullgradgrenze verändern sich auch die hydrologischen Bedingungen für Hochwasserereignisse (Abbildung: CH2018-Broschüre, Ergänzung Ortsnamen Erich Fischer, ETHZ).
Mit dem Anstieg der Winter-Nullgradgrenze verändern sich auch die hydrologischen Bedingungen für Hochwasserereignisse (Abbildung: CH2018-Broschüre, Ergänzung Ortsnamen Erich Fischer, ETHZ).
100-jähriger Wiederkehrwert des 1-Tages-Niederschlags: Seltene Extremniederschlägen wie der 100-jährige Eintagesniederschlag werden durch den Klimawandel in allen Jahreszeiten stärker (Abbildung: CH2018-Webatlas).
100-jähriger Wiederkehrwert des 1-Tages-Niederschlags: Seltene Extremniederschlägen wie der 100-jährige Eintagesniederschlag werden durch den Klimawandel in allen Jahreszeiten stärker (Abbildung: CH2018-Webatlas).

Grenzen der Berechenbarkeit

Trotz methodischen Schwierigkeiten in der Anwendung sind Klimaszenarien ein unverzichtbares Hilfsmittel, um den Gebäudeschutz an die ändernden und wachsenden Naturgefahren anzupassen. Doch Klimamodelle «sehen» nur die Vorgänge innerhalb der Atmosphäre. Das ist ausreichend, um etwa die Gefahr lokaler Starkregen abzuschätzen. Sobald jedoch, wie bei räumlich und zeitlich ausgedehnteren Ereignissen, Gerinne und Speicher beteiligt sind, wird es unübersichtlicher – es beginnt ein Zusammenspiel mit anderen klimatisch bedingten Veränderungen: So fällt zum Beispiel im Winter durch den starken Anstieg der Schneefallgrenze weniger Niederschlag in der Form von Schnee, das Überschwemmungsrisiko durch Starkniederschläge steigt. Abflussspitzen können verstärkt werden, wenn es nach starken Schneefällen, die weiterhin vorkommen können, rasch wärmer wird und regnet. All dies legt nahe, dass künftig das Hochwassergeschehen auch in der kalten Jahreszeit angespannter werden wird. Durch ähnliche Verkettungen von Ereignissen könnten auch in anderen Jahreszeiten und Konstellationen neuartige, nicht aus der Erfahrung bekannte, Situationen auftreten. Ein Lawinenwinter nach verheerender Waldbrandsaison? Rekordniederschläge auf ausgetrocknete Böden, die kaum Wasser aufnehmen können? Die vielschichtigen Veränderungen und komplexen Prozessverkettungen bieten viel Raum zur Formulierung solcher Szenarien.

Die Wahrscheinlichkeit solcher Entwicklungen ist allerdings kaum quantifizierbar. Auch den Veränderungen, die in den Klimaszenarien CH2018 beschrieben sind, sind keine Wahrscheinlichkeitsangaben zugeordnet. Der rechnerischen Optimierung des Gebäudeschutzes sind somit Grenzen gesetzt. Ebenso ist eine Maximierung der baulichen Schutzmassnahmen, um allen im Rahmen der Unsicherheit denkbaren Bedrohungsszenarien vorzubeugen, weder möglich noch bezahlbar.

Deshalb empfiehlt sich eine abgestufte Herangehensweise: Einerseits sollten natürlich die erwartbaren Veränderungen der Naturgefahren soweit möglich berücksichtigt werden. Dabei lohnt es sich angesichts der unsicheren Zukunftsaussichten, besonders solche Möglichkeiten auszuschöpfen, die mit geringem Aufwand zusätzlichen Schutz versprechen (low-hanging fruits). Schwellen vor Tiefgaragen schützen permanent vor Wassereintritt, Geländeanpassungen führen das Wasser vom Gebäude weg, bei der Sanierung von Dach und Fassade werden hagelgeprüfte Bauteile gewählt. Diese und viele weitere Massnahmen bieten bei frühzeitiger Planung mehr Sicherheit für wenig Geld. Andererseits bedeutet die schwer überschaubare Unsicherheit der Auswirkungen des Klimawandels auf Naturgefahren, dass stets auch der Überlastfall mitgedacht werden muss. Auch wenn die Elemente alle Schranken überwinden sollten, können Leben und Sachwerte durch kluge Vorbereitung geschützt werden. Denn im Umgang mit dem Klimawandel gilt vor allem: Mit unliebsamen Überraschungen ist zu rechnen.

Den Einfluss des Klimawandels auf Starkregen abschätzen

Am Beispiel des 100-jährlichen Eintagesniederschlags für die Station Bern/Zollikofen wird der Einfluss des Klimawandels untersucht. Zu den Wiederkehrwerten von Extremniederschlägen sind zwei unterschiedliche Schätzungen verfügbar (Extremwertanalysen Meteoschweiz). Die eine stützt sich auf die gesamte Messreihe der Niederschläge, die für Bern / Zollikofen bis ins Jahr 1865 zurück reicht (1865-2020). Die andere Schätzung berücksichtigt nur Werte ab 1961 (1961-2020) und bildet daher ein aktuelleres Segment des Klimageschehens ab. Diese aktuellere Schätzung zeigt im Beispiel der Station Bern/Zollikofen einen deutlich höheren Wert – sie liegt somit im allgemeinen Trend der Zunahme von Starkniederschlägen infolge Klimaveränderung.

Änderungen des Wiederkehrwerts für Starkniederschläge im Zusammenhang mit der Klimaerwärmung

Wiederkehrwert eines eintägigen Niederschlags mit einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren an der Station Bern/Zollikofen, aufgetragen gegenüber der mittleren Änderung der Jahrestemperatur in der Modellregion Westschweiz gemäss Klimaszenarien CH2018.

Die Abbildung zeigt den Wiederkehrwert eines eintägigen Niederschlags mit einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren (Niederschlagshöhe, die im Durchschnitt einmal in 100 Jahren überschritten wird) an der Station Bern/Zollikofen, aufgetragen gegenüber der mittleren Änderung der Jahrestemperatur in der Modellregion Westschweiz gemäss Klimaszenarien CH2018. Die erwarteten Veränderungen bis Ende des Jahrhunderts, mit und ohne Klimaschutz, wurden zu der Extremwertschätzung aufgrund der Messreihe von 1961 bis 2020 addiert, mit der Annahme, dass letztere für die Referenzperiode der CH2018-Szenarien repräsentativ ist (Temperaturabweichung 0 Grad). Zusätzlich gezeigt ist die Extremwertschätzung aufgrund der Messreihe von 1865 bis 2020 (Temperaturabweichung unbestimmt). Die Fehlerbalken geben den 68 Prozent-Unsicherheitsbereich der Messdatenanalyse an (Bereich, der mit einer Wahrscheinlichkeit von 68 Prozent den wahren Wert überdeckt). Die farbigen Flächen zeigen den Streubereich der Klimamodelle, der den wahren Wert mit einer geschätzten Wahrscheinlichkeit von 2/3 enthält (Fischer et al., 2022). Für die Temperatur wurde der Unsicherheitsbereich über die Jahreszeiten gemittelt, für den Niederschlag die Jahreszeit mit der höchsten bzw. tiefsten Änderung gewählt.

Um die zukünftige Entwicklung dieses Trends zu antizipieren, sollen nun die Klimaszenarien CH2018 mit einberechnet werden. Dazu braucht es einige Annahmen, etwa zur Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Methoden und Datengrundlagen. So repräsentieren beispielsweise die simulierten Werte jeweils eine Grundfläche mit 12 bis 50 km Seitenlänge (die Gitterzelle der regionalen Klimamodelle), während Niederschlagsmessungen an einem Punkt gemacht werden. Ausserdem berücksichtigen die Extremwertanalysen den im Vergleich zu den relevanten Wiederkehrperioden raschen klimatischen Wandel nicht explizit. Das wirft die Frage auf, welches Klima die Analysen dieser langen Messreihen eigentlich beschreiben. Für die kürzere Messperiode 1961-2020 dürfte dies grob das Klima des ausgehenden 20. Jahrhunderts sein (mittleres Jahr 1990), was in etwa der Referenzperiode der Klimaszenarien CH2018 (1981-2010) entspricht. Die Änderungen gemäss Klimaszenarien CH2018 können also sinnvoll zur messdatenbasierten Schätzung hinzuaddiert werden. Die Grafik zeigt das Ergebnis für die Szenarien mit und ohne Klimaschutz um das Ende des Jahrhunderts (2070-2099). Es folgt im Rahmen der Unsicherheiten ungefähr der Abhängigkeit der Wasseraufnahmefähigkeit von der Temperatur (Clausius-Clapeyron-Kurve).

Die erwartete Zunahme der Intensität des Jahrhundertniederschlags bewegt sich – auch im Szenario ohne Klimaschutz – im Bereich der Unsicherheit der messdatenbasierten Extremwertschätzung. Dies bedeutet indes nicht, dass der Klimawandel eine unwesentliche Veränderung der Gefahrenlage darstellt. Denn erstens verschiebt sich auch der Unsicherheitsbereich der Extremwertanalyse mit nach oben. Zweitens sind die Klimaszenarien selber mit einer grossen Unsicherheit behaftet, welche die Möglichkeit eines deutlich stärkeren Anstiegs des Extremniederschlags beinhaltet.

Schliesslich spielt auch eine Rolle, wie der Unsicherheitsbereich der Extremwertanalyse zustande kommt. Er wird nämlich durch Weglassen der historischen Messdaten vor 1961 stark vergrössert. Weil das betrachtete Jahrhundertereignis in den 60 Jahren Messdaten mit einiger Wahrscheinlichkeit (55 Prozent) gar nicht vorkommt, muss über den Datenbereich hinaus extrapoliert werden. Ein Vergleich mit der Analyse aller Messdaten ab 1865 legt nahe, dass die in den älteren Daten steckende Information die Unsicherheit der Schätzung potenziell deutlich verringern könnte. Diese Überlegungen zeigen, dass die Veränderungen durch den Klimawandel beim Extremniederschlag ähnlich gross oder grösser als der Unsicherheitsbereich der messbasierten Extremwertschätzungen ausfallen könnten. Der Umgang mit diesen Unsicherheiten und deren Interpretation ist allerdings nicht trivial.

Referenzen

Klimaszenarien CH2018: www.klimaszenarien.ch

CH2018, Technischer Bericht, 2018. CH2018 – Climate Scenarios for Switzerland. Technical Report, National Centre for Climate Services, Zurich, 271 pp. ISBN: 978-3-9525031-4-0.

A.M. Fischer, K.M. Strassmann, M. Croci-Maspoli, A.M. Hama, R. Knutti, S. Kotlarski, C. Schär, C. Schnadt Poberaj, N. Ban, M. Bavay, U. Beyerle, D.N. Bresch, S. Brönnimann, P. Burlando, A. Casanueva, S. Fatichi, I. Feigenwinter, E.M. Fischer, M. Hirschi, M.A. Liniger, C. Marty, I. Medhaug, N. Peleg, M. Pickl, C.C. Raible, J. Rajczak, O. Rössler, S.C. Scherrer, C. Schwierz, S.I. Seneviratne, M. Skelton, S.L. Sørland, C. Spirig, F. Tschurr, J. Zeder, E.M. Zubler, Climate Scenarios for Switzerland CH2018 – Approach and Implications, Climate Services, Volume 26, 2022, Doi:10.1016/j.cliser.2022.100288.

Klimaszenarien Raumklima: www.meteoschweiz.admin.ch/home/klima/schweizer-klima-im-detail/klimaszenarien-raumklima.html

CH2018-Broschüre: NCCS (Hrsg.) 2018: CH2018 - Klimaszenarien für die Schweiz. National Centre for Climate Services, Zürich. 24 S. ISBN-Nummer 978-3-9525031-0-2.

CH2018-Webatlas: www.nccs.admin.ch/nccs/de/home/materialien-und-daten/daten/ch2018-webatlas.html

Extremwertanalysen MeteoSchweiz: www.klima-extreme.ch

Nationale Schutzziele
Naturgefahren-Check

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