Sturmgefährdung in Deutschland

Wie groß ist die Sturmgefährdung in Deutschland und welchen Einfluss hat der Klimawandel auf die Sturmaktivität?

Die ersten Herbstürme des Jahres 2014 haben Deutschland erreicht. Auf dem Feldberg im Schwarzwald wurden am Dienstag (21.10.) Spitzenböen von bis zu 148 km/h gemessen. Stuttgart meldete eine Windböe von 122km/h.

Die Windgeschwindigkeiten an einem Ort hängen nicht nur vom großräumigen Zustand der Atmosphäre, sondern auch von den lokalen Umgebungsbedingungen ab. Während beispielsweise eine Windgeschwindigkeit von 120 km/h (Orkan) über dem Brocken mehrmals im Jahr registriert wird, ist dies über dem Rheinland ein sehr selten auftretendes Ereignis. Der Grund hierfür ist die Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe sowie ihre Abnahme bei höherer Geländerauigkeit, etwa über dicht bebauten Gebieten oder Waldflächen.

Für Sturmschäden maßgeblich sind die kurzzeitigen Fluktuationen des Windes, die als Böen bezeichnet werden. In guter Näherung sind die Schäden an Gebäuden oder Waldbeständen proportional zur Böengeschwindigkeit in der dritten Potenz (Klawa, 2001). Geringe Änderungen der Böengeschwindigkeit haben somit erhebliche Auswirkungen auf die Schadenssummen und -muster.

Die Sturmgefährdung gibt Auskunft darüber, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Windgeschwindigkeit verbunden ist oder umgekehrt (Jährlichkeit). Um die räumliche Variabilität der Windgeschwindigkeit annähernd realistisch abzubilden, sind entweder sehr dichte Messnetze oder Modellsimulationen mit hoher räumlicher Auflösung notwendig. Aus den extremwertstatistischen Analysen von Sturmfeldern über einen klimatologischen Zeitraum (z.B. 30 Jahre) können dann Windgeschwindigkeiten für bestimmte Wahrscheinlichkeiten geschätzt werden.

Ein solches Vorgehen wurde bei der Erstellung von Windgefährdungskarten im Rahmen des Projekts "Risikokarte Deutschland" des Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) umgesetzt (Heneka et al., 2006; Hofherr und Kunz, 2010). Abb. 1 zeigt beispielhaft maximale Böengeschwindigkeiten, mit denen statistisch gesehen einmal in 10 Jahren gerechnet werden muss. Deutlich zu erkennen ist die Abnahme der Windgeschwindigkeit von Norden nach Süden und die Maxima über exponierten Lagen wie Berggipfel oder Bergrücken.

Nach Heneka und Hofherr (2011) hatte Orkan Lothar (1999) für ganz Deutschland ein Schadensrisiko mit einer Auftretenswahrscheinlichkeit von 9 Jahren, der Sturm Kyrill (2007) dagegen nur 7 Jahre. Hinsichtlich der maximalen Windgeschwindigkeiten weist Lothar eine deutlich höhere  Auftretenswahrscheinlichkeit auf, beispielsweise für die Schweiz von etwa 40 – 50 Jahren (im Mittel; Ceppi et al., 2008).

Historische Sturmereignisse

Aus verschiedenen Beobachtungen, die in rund 3.000 historischen Quellen  verzeichnet sind, wurde am KIT eine interaktive Datenbank der verschiedenen Sturmereignisse (79), die in Baden-Württemberg in den vergangenen 200 Jahren auftraten, erstellt (Abb. 2). Die Darstellung zeigt die ungleiche Verteilung der  Ereignisse  über den gesamten Zeitraum. Vielmehr wechseln sich Phasen vermehrter Sturmaktivität, beispielsweise Ende des 19. Jahrhunderts, mit Phasen geringer Aktivität wie in der ersten Hälfte des 20. Jhs. ab. Insgesamt war die Sturmhäufigkeit in der zweiten Hälfte des 19. Jhs. deutlich höher als in der zweiten Hälfte des 20. Jhs. Bei ausschließlicher Betrachtung der neun schwersten Stürme fällt auf, dass sich allein sechs dieser Stürme in der zweiten Hälfte des 20. Jhs. ereignet haben. Ein eindeutiger Trend über den gesamten Zeitraum kann aufgrund der geringen Stichprobe und der hohen zeitlichen Variabilität nicht abgeleitet werden. Es kann auch kein direkter Zusammenhang zwischen der beobachteten Zunahme der Temperatur in den letzten 50 Jahren und dem Auftreten von Stürmen hergestellt werden. Des Weiteren zeigt sich, dass die Auftretenswahrscheinlichkeit von Stürmen sehr variabel ist und daher für die Bewertung von Naturkatastrophen unbedingt möglichst lange Zeitreihen vorliegen sollten (Kottmeier et al., 2004).

Sturmgefährdung im Klimawandel

Zukünftig wird sich allerdings nach heutigem Kenntnisstand die Sturmaktivität verändern. Die zu erwartende regionale Sturmgefährdung und das Sturmschadensrisiko hängen dabei entscheidend davon ab, wie die großräumigen Wettersysteme auf die erwartete Temperaturzunahme, insbesondere auf die unterschiedliche Erwärmung zwischen hohen und niederen Breiten, und die Zunahme der Meeresoberflächentemperatur reagieren.

Diese Wechselwirkungen und die Folgen für das regionale Sturmklima können im Prinzip aus Zukunftsprojektionen aktueller Klimamodelle abgeschätzt werden. Derzeitige globale Klimamodelle liefern aufgrund ihrer geringen horizontalen Auflösung (z.B. ECHAM5 ~ 200 km) allerdings nur stark geglättete und zu geringe Windgeschwindigkeiten (Abb. 3a). Extremereignisse wie schwere Winterstürme können daher nur von regionalen Klimamodellen mit einer Auflösung von weniger als 20 km annähernd realistisch abgebildet werden (Abb. 3b).

Die meisten wissenschaftlichen Arbeiten gehen davon aus, dass die Anzahl außertropischer Tiefdruckgebiete in der Nordhemisphäre infolge des verringerten meridionalen (parallel zu einem Längenkreis) Temperaturgradienten in der Zukunft abnehmen wird (Ulbrich et al., 2009). Nur über wenigen Regionen wie beispielsweise über dem Nordostatlantik oder den Britischen Inseln muss mit einer Zunahme extremer Sturmzyklonen gerechnet werden. Allerdings hängen die Ergebnisse sehr stark von den verwendeten Methoden, physikalischen Größen, ihren Schwellwerten und den betrachteten Modellhöhen ab.

Die für die Zukunft zu erwartenden Änderungen der lokalen Böengeschwindigkeit in Deutschland zeigen ausgeprägte räumliche Unterschiede, die zum Teil vom betrachteten Modelllauf abhängig sind. Um zu einer belastbareren Aussage über das Änderungssignal zu gelangen, ist es daher notwendig, die Vielzahl möglicher Realisierungen des zukünftigen Klimas durch eine möglichst hohe Anzahl unterschiedlicher regionaler Modellläufe zu berücksichtigen. Ein solches Ensemble ermöglicht es, sowohl die Robustheit der Änderungssignale als auch deren Wahrscheinlichkeit zu bestimmen. Während beispielsweise in Abbildung 4 ein Ensemble aus 11 Klimasimulationen im Mittel über Norddeutschland eine Zunahme der 10-jährigen Böengeschwindigkeit  bis zu 5 % erwartet, ergeben sich sowohl für die Mitte als auch für den Süden Deutschlands keine einheitlichen Änderungssignale (Rauthe et al., 2010).

Die hier berücksichtigte Kontrollperiode 1970 – 2000 verglichen mit anderen Zeitabschnitten des 19. und 20. Jahrhunderts war relativ stürmisch. Die Ergebnisse legen also nahe, dass auf ähnlich hohem Niveau mit zukünftigen Winterstürmen im Binnenland zu rechnen ist. Außerdem bedeutet eine geringfügige Abnahme der Geschwindigkeit nicht, dass extreme Sturmereignisse wie Vivian und Wiebke (1990), Lothar (1999) oder Kyrill (2007), die in der Vergangenheit zu erheblichen Schäden in Milliardenhöhe geführt haben, nicht auch in der Zukunft auftreten könnten.

Quellen

  Ceppi, P., Della-Marta, P. M., Appenzeller, C. (2008): Extreme Value Analysis of Wind Speed Observations over Switzerland. Arbeitsbericht MeteoSchweiz 219. Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie. Zürich: MeteoSchweiz.

  Frank, C., Grebhan, K., Kottmeier, C., Kunz, M., Lux, R., Mayer, H., Mohr, S., Rauthe, M., Ruck, B., Schindler, D., Schönborn, J. (2010): Abschlussbericht im Rahmen des Forschungsprogramms „Herausforderung Klimawandel“: Verbundprojekt RESTER: Strategien zur Reduzierung des Sturmschadensrisikos für Wälder.

  Heneka, P., Hofherr, T., Ruck, B., Kottmeier, C. (2006): Winter storm risk of residential structures - model development and application to the German state of Baden-Württemberg. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 6. pp 721-733.

  Heneka, P., Hofherr, T. (2011):  Probabilistic winter storm risk assessment for residential buildings in Germany. Nat. Hazards 56. pp 815-831.

  Hofherr, T., Kunz, M. (2010): Extreme wind climatology of winter storms in Germany. Clim. Res. 41. pp 105-123.

  Klawa, M.(2001): Extreme Sturmereignisse in Deutschland: Entwicklung, Zusammenhang mit der Nordatlantischen Oszillation und Auswirkungen auf die Versicherungswirtschaft. Dissertation, Universität Köln.

  Kottmeier, C., Kunz, M., Hofherr, T., Schmöckel, J. (2004): Wettergefahren in Süddeutschland, Fridericiana. Zeitschrift der Universität Karlsruhe (TH) 62. pp 33-47.

  Kunz, M., Mohr,  S., Rauthe, M., Lux. R., Kottmeier, C. (2010): Assessment of extreme wind speeds from Regional Climate Models – Part 1: Estimation of return values and their evaluation. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 10. pp 907-922.

  Mohr, S. (2008): Änderungen der Häufigkeit und Intensität von Winterstürmen in Deutschland auf Grundlage regionaler Klimasimulationen. Diplomarbeit am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK). Karlsruhe: Universität Karlsruhe (TH).

  Rauthe, M., Kunz, M., Kottmeier, C. (2010): Changes in storm climatology over Central Europe derived from a small ensemble of high resolution regional climate models Meteor. 19. pp 299-312.

  Ulbrich, U., Leckebusch, G., Pinto, J.G. (2009): Extra-tropical cyclones in the present and future climate: A review Theor. Appl. Climatol. 96. pp 117-131.

 

Text und Daten: CEDIM, eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung des Deutschen GeoForschungsZentrums und des Karlsruher Instituts für Technologie

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