Der Einfluss von Klimawandel und Bodenfeuchte auf Hitzewellen in Europa

Ein aktuelles Paper in Nature Geoscience zeigt einen schönen Ausschnitt aus den aktuellen Herausforderungen der Klimamodellierung, und wie neu verfügbare Messungen helfen können, die Vorhersagen zu verbessern.

Die Herausforderung ist die Prognose regionaler Veränderungen durch den Klimawandel, in diesem Fall der Länge und Intensität von Hitzewellen in Mittel- und Süd(ost)europa. Bewegt man sich von den großen globalen Modellen in regionalere Vorhersagen, will man feiner aufgelöst (z.B. auf Landesebene) die Veränderungen vorhersagen, und muss dazu auch andere Randgrößen korrekt(er) einbeziehen. In diesem Paper wird untersucht, wie die Verfügbarkeit von Wasser im Boden die Entwicklung von Hitzewellen beeinflusst.
Dazu wurden Daten ausgewählt, die aus dem EU-Projekt CECILIA neu verfügbar wurden. Hieraus hat man jetzt Messdaten über ein Maß für Trockenheit (der Standardized Precipitation Index – SPI). In der Studie haben sich die Forscher um Erstautor Martin Hirschi von der ETH Zürich einmal für zwei Regionen angesehen, ob sich bei unterschiedlicher Trockenheit die Hitzewellen auch anders entwickeln. Die Regionen unterscheiden sich darin, was die Verdunstung von Wasser aus dem Boden beschränkt. Dabei ist in der einen Region, Mitteleuropa, eigentlich genug Wasser vorhanden und die Verdunstung durch die verfügbare Energie (Sonneneinstrahlung) begrenzt, in Südosteuropa jedoch ist die Verdunstung durch das verfügbare Wasser im Boden beschränkt.
Die Hitzewellen werden durch die durchschnittliche Anzahl an heißen Tagen im Jahr und die mittlere Dauer einer Hitzewelle in Zahlen ausdrückbar gemacht.

Beobachtungen

Zunächst erlauben also die neuen Daten, darzustellen was wirklich passiert. Das ist dann der Maßstab, an dem sich (regionale) Klimamodelle messen lassen müssen; bzw. die Marschrichtung für Verbesserungen.
Die Messungen von zahlreichen Stationen trägt man in einem Plot von SPI gegen die Messgrößen für die Hitzewellen auf. Dort streuen sie natürlich ordentlich, sodass man erstmal Kurven daran fitten muss. In diesem Paper wurde eine Methode gewählt, die sich zunehmender Beliebtheit erfreut. Es wurde nicht einfach nur eine mittlere Kurve mit Least-Squares angepasst, nein die Gaussverteilungen dürfen schlafen gehen und stattdessen kommt die Quantilregression zum Einsatz. Das ist eigentlich recht einfach: die mittlere Kurve wird so angepasst, dass die Hälfte der Punkte drüber und die Hälfte drunter liegt – eine schnelle Methode für beliebige Verteilungen, bei denen man zusätzlich noch das Quantil anders wählen kann (z.B. liegen beim 90 %-Quantil 90 % aller Punkte unter der Kurve) und somit die Verteilung berücksichtigen kann.
Man erhält also eine ganze Schar von Kurven, die aber eines ganz klar zeigen: Bei trockeneren Verhältnissen ist die Tendenz eine Verstärkung und Häufung von Hitzewellen. Außerdem nimmt auch die Streubreite wesentlich zu (und im Endeffekt die Unsicherheit über das Ausmaß der Verstärkung, unstrittig ist dass es eine Verstärkung ist).
Die Folgerung ist also: In den südeuropäischen Regionen, in denen die verfügbare Bodenfeuchte die Verdunstung begrenzt, und außerdem durch den Klimawandel mehr Trockenheit zu erwarten ist, werden die Hitzewellen länger und häufiger werden.
Man erhält z.B. einen Anstieg der heißen Tage im Mittel (Median) von 1 % auf 19 %, am oberen Rand (90 %-Quantil) sogar von 4.5 % auf 43 %. Diesen Effekt im trockenen Bereich ermittelt man auch dank der Quantilregression: Die Zunahme ist am oberen Rand des Streubereiches noch stärker als in der Mitte.
Leider lässt sich diese Wahrheit nicht auf ein einzelnes kurzes Statement zusammenkochen, weswegen ich mich auch echt ärgere, dass genau dies in der Pressemeldung der ETH geschehen ist. Da wird nur von der Zunahme am 90 %-Rand berichtet als sei es die einzige ermittelte Zahl. Das ist nicht nur unehrlich, sondern auch schlechte Kommunikation dessen, was wir berechnen können und wie wir es tun, liebe ETH!

In den mitteleuropäischen Regionen hingegen, wo ausreichend Bodenfeuchte zur Verfügung steht, lässt sich kein einheitliches Bild einer Verstärkung der Hitzewellen ermitteln, höchstens leichte Tendenzen dazu.

Simulation

Diese Erkenntnisse können wir dann nutzen, um die Klimamodelle zu bewerten. Wenn wir abschätzen wollen, wie gut die Prognosen sein werden, schauen wir uns an wie gut vergangene Zeiträume simuliert worden wären.
Dabei stellten die Autoren fest, dass die Verhältnisse in Südeuropa gut wiedergegeben werden. Die Tendenz in Mitteleuropa wird hingegen überschätzt, es könnte also die kommende Stärke von Hitzewellen überschätzt werden. Um die Modelle zu verbessern, müssten die Erkenntnisse aus (fortgeführten) Messungen verwendet werden, um die Regime, in denen Bodenfeuchte die Verdunstung begrenzt (oder eben nicht), besser geographisch repräsentieren zu können.