Extreme Regenfälle – seit langem bestehende Hypothese zur Temperaturabhängigkeit endlich geklärt?

Extreme Regenfälle – seit langem bestehende Hypothese zur Temperaturabhängigkeit endlich geklärt?

Sturzfluten, die aus extremen Regenfällen resultieren, stellen ein großes Risiko für Menschen und Infrastrukturen dar, insbesondere in städtischen Gebieten. Höhere Temperaturen durch weltweite Klimaveränderungen wirken sich in etwa gleichem Maße auf Dauer-Regenfälle und auf kurze Regenschauer aus. Treten beide Niederschlagsarten jedoch zugleich auf, wie es für Gewitterwolken-Cluster typisch ist, so steigt die Niederschlagsmenge stärker mit zunehmender Temperatur, wie die Studie zweier Wissenschaftler der Universität Potsdam und des Leibniz-Zentrums für Marine Tropenforschung (ZMT) in Bremen zeigt. Die Studie wurde jetzt im Fachjournal Nature Geoscience veröffentlicht.

Extreme Regenfälle können starke Überschwemmungen – sogenannte „Sturzfluten“ – verursachen. Wie verändern sich solche extremen Niederschläge mit der Temperatur? Diese Frage wird seit Jahrzehnten mithilfe von Niederschlags- und Temperaturaufzeichnungen untersucht, die in kurzen Abständen von einer Stunde oder weniger gemessen werden.

Niederschlag und Wolken bilden sich, wenn der Wasserdampf in der Luft gesättigt ist und sich kleine Tröpfchen formen, die schließlich zu Regentropfen zusammenklumpen. Die Clausius-Clapeyron-Beziehung besagt, dass mit steigender Temperatur pro Grad Celsius etwa 7 Prozent mehr Wasserdampf zur Sättigung erforderlich ist. Stark vereinfacht kann man sich die Beziehung wie einen Schwamm vorstellen, der bei steigenden Temperaturen mehr Wasser aufnehmen kann. Ein extremes Niederschlagsereignis entspricht in diesem Bild dem Zusammendrücken des Schwamms, um das meiste Wasser freizusetzen.

Diese Hypothese wurde im Jahr 2008 durch die Analyse einer langen Zeitreihe von Niederschlagsdaten in den Niederlanden infrage gestellt. Die Autoren dieser Studie, Lenderink und van Meijgaard, kamen aufgrund ihres statistischen Ansatzes zu dem Schluss, dass die Clausius-Clapeyron-Beziehung nicht ausreicht, um die Zunahme der extremen Niederschläge zu beschreiben, insbesondere Gewitterniederschläge, die um 14 Prozent pro Grad Celsius zunehmen können – also mit der doppelten Rate von Clausius-Clapeyron.

In den vergangenen 17 Jahren hat die inzwischen mehr als 1.000 Mal zitierte Arbeit von Lenderink und van Meijgaard zu zahlreichen Untersuchungen des Phänomens geführt, ohne dass die in der niederländischen Studie ausgearbeiteten Grundlagen eindeutig bestätigt oder zurückgewiesen werden konnten. Insbesondere war es schwierig festzustellen, inwieweit die Mischung verschiedener Niederschlagsarten zu statistischen Überlagerungen führen könnte.

Die aktuelle Arbeit befasst sich eingehend mit zwei Niederschlagsarten: kontinuierlichen und gleichmäßigen (stratiformen) Dauer-Niederschlägen im Vergleich zu kurzen Regenschauern, die für Gewitter typisch sind. „Wir nutzen einen großen und hochfrequenten Datensatz aus Deutschland, der mit einem neuartigen Datensatz zur Blitzerfassung kombiniert wird. Da Blitze Gewitteraktivität anzeigen, können die stratiformen Niederschläge auf diese Weise von den Gewittern getrennt werden“, erklärt Nicolas Da Silva von der Universität Potsdam.

„Das Ergebnis ist verblüffend: Betrachtet man nur klare Gewitterregen und untersucht Extremwerte bei jeder Temperatur, entspricht der Anstieg nahezu perfekt der Clausius-Clapeyron-Theorie“, fügt Jan O. Härter von der Universität Potsdam hinzu, der ebenfalls am Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) tätig ist. Werden nur die stratiformen Niederschläge ausgewählt, passen die Messwerte ebenfalls gut zur Clausius-Clapyron-Theorie. Erst wenn man die Statistiken beider Typen kombiniert, ergeben sich wesentlich höhere Temperatur-Anstiegsraten, so wie in der Studie von Lenderink und van Meijgaard vorhergesagt. Die Autoren Da Silva und Härter stellen fest, dass dieser ‚Super-Clausius-Clapeyron‘-Anstieg also rein statistischen Ursprungs ist, sodass eine seit langem bestehende Kontroverse endlich beigelegt werden könnte.

Die aktuelle Studie zeigt jedoch, dass der statistische ‚Super-Clausius-Clapeyron‘-Anstieg der Niederschlagsextreme für Cluster gültig ist, die sowohl Gewitterwolken als auch stratiforme Wolken enthalten. Solche Wolken-Cluster sind für einen Großteil der extremen Niederschläge verantwortlich, die Sturzfluten verursachen. „Nimmt man die Temperaturänderungen an, die für die kommenden Jahrzehnte im Rahmen der Klimaerwärmung prognostiziert werden, so könnten extreme Regenfälle ein noch nie dagewesenes Risikoniveau für Menschen und Infrastrukturen erreichen, insbesondere in städtischen Gebieten“, betonen die Autoren.

Publikation: Nicolas A. Da Silva and Jan O. Haerter, 2025, Super-Clausius-Clapeyron scaling of extreme precipitation explained by shift from stratiform to convective rain type, Nat. Geoscience, https://www.nature.com/articles/s41561-025-01686-4

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Jan Härter | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) und Institut für Physik und Astronomie, Universität Potsdam

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Über das Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)
Das Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) in Bremen widmet sich in Forschung und Lehre dem besseren Verständnis tropischer Küstenökosysteme wie Mangroven, Seegraswiesen, Korallenriffen, Ästuaren und Auftriebsgebieten. Im Mittelpunkt stehen Fragen zu ihrer Struktur und Funktion, ihren Ressourcen und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber menschlichen Eingriffen und natürlichen Veränderungen. Mit seiner Arbeit schafft das Institut eine wissenschaftliche Grundlage für den Schutz und die nachhaltige Nutzung dieser Lebensräume. Das ZMT führt seine Forschungsprojekte in enger Kooperation mit Partnern in den Tropen durch, wo es die Entwicklung von Expertise und Infrastruktur auf dem Gebiet des nachhaltigen Küstenzonenmanagements unterstützt. Das ZMT ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Weitere Informationen unter  www.leibniz-zmt.de.

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