Extreme Ereignisse Extreme Wetterereignisse verursachen jedes Jahr Schäden in Millionenhöhe. Welche Rolle spielt dabei der Klimawandel? Wie können wir Schäden vermeiden?

Einführung

Schwere Hagelstürme führen immer wieder zu massiven Schäden an Gebäuden, Fahrzeugen und landwirtschaftlichen Kulturen. In einigen Regionen Mitteleuropas erreichen die Schadenssummen durch starken Hagelschlag eine Größenordnung, die nur noch von denen durch Winterstürme übertroffen wird (Kunz und Puskeiler, 2010). Die räumliche Ausdehnung und folglich auch die Schadenflächen sind bei Hagel im Gegensatz zu Winterstürmen stark begrenzt mit Breiten von wenigen 10 m bis mehreren 10 km.

Ende Juli und Anfang August 2013 führten mehrere Hagelzüge in Deutschland zu Schadensummen, die in dieser Größenordnung noch nicht aufgetreten sind. Nach vorläufigen Schätzungen des Gesamtverbands der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V. (GDV) lag der versicherte Schaden vor allem bedingt durch die beiden Hagelzüge am 27.07. über Niedersachsen und am 28.07. über Baden-Württemberg bei 2.7 Mrd € - mehr als die Rekordhochwasser 2002 und 2013 oder Orkan Kyrill 2007 verursachten. Anfang August wurde in Deutschland auch das bisher größte Hagelkorn beobachtet – es hatte eine maximale Längenausdehnung von 15 cm.

Hagel entsteht im Bereich des starken Aufwinds vertikal hochreichender Gewitterwolken durch Anlagerung unterkühlter Wassertröpfchen (Flüssigwasser bei Temperaturen unter 0°C) an Graupelteilchen, den so genannten Hagelembryos. Da die für Gefrierprozesse notwendigen Aerosole nur in sehr geringen Konzentrationen vorhanden sind, bilden sich vergleichsweise wenige Hagelkörner, die dafür aber sehr rasch bis einige Zentimeter Durchmesser anwachsen können. Hagel besteht aus gefrorenem Wasser mit kleinen Lufteinschlüssen und hat nur eine etwas geringere Dichte als reines Eis. Fällt Hagel schließlich aus den Gewitterwolken zu Boden, können sehr hohe Fallgeschwindigkeiten von über 100 km/h und damit hohe kinetische Energien erreicht werden. Dies erklärt das außerordentlich hohe Schadenpotential durch Hagelschlag.

Beobachtung von Hagel und Analyse der Hagelgefährdung

Für die Bestimmung der Hagelgefährdung (= Intensität × Wahrscheinlichkeit) sind Informationen über das Auftreten von Hagel über einen möglichst langen Zeitraum notwendig. Diese Informationen liegen allerdings aufgrund der geringen horizontalen Ausdehnung der Hagelstürme und dem Mangel an geeigneten Beobachtungssystemen nur sehr unvollständig vor.

Auch sind selbst hoch aufgelöste Wettervorhersage- oder Klimamodelle (noch) nicht in der Lage, zuverlässig und realistisch Hagelstürme zu simulieren. Am besten werden Gewitterstürme durch Niederschlagsradare erfasst, die eine sehr hohe räumliche (bis 0,5 km) und zeitliche (bis 5 min) Auflösung aufweisen. Allerdings ist die vom Radar gemessene Intensität, die Radarreflektivität, von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Größenverteilung der Niederschlagsteilchen oder der Höhe des Radarstrahls zum Boden (Zunahme mit Abstand vom Radar) abhängig. Eine direkte Beziehung zwischen Radarreflektivität und Hagelintensität am Boden allein aus diesen Daten kann daher nicht hergestellt werden.

Aufgrund der unzureichenden Detektion von Hagel gibt es bis heute nur sehr wenige wissenschaftliche Arbeiten, die sich mit der Abschätzung der Hagelgefährdung in Deutschland beschäftigen. Eine der ältesten Hagelklimatologien wurde von Schwind (1957) aus der Anzahl der Hageltage pro Jahr nach versicherten Schäden an Kulturpflanzen zwischen 1912 und 1941 abgeleitet.

Im Rahmen des Projekts HARIS-CC (Hail Risk and Climate Change; Karlsruher Institut für Technologie, KIT) werden Daten des Radarverbunds des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit Schadendaten von Versicherungen verknüpft, um daraus möglichst vollständig die schadenrelevanten Hagelzüge der vergangenen Jahre zu detektieren. Dazu wird vor allem die Vertikalausdehnung hoher Radareflektivitäten als Kriterium herangezogen, da Hagel nur in Gewitterwolken mit einer großen Vertikalausdehnung entstehen kann. Die so bestimmten Hagelsignale zeigen eine erhebliche räumliche Variabilität der Hagelwahrscheinlichkeit (Puskeiler, 2013; Abbildung 2).

Auf der größeren räumlichen Skala zeigt sich ein starker Gradient mit einer Zunahme von Norden nach Süden. Allerdings sind auch in verschiedenen Regionen ausgeprägte Maxima zu erkennen, die vornehmlich stromab der Mittelgebirge liegen. Vermutlich spielen hier dynamische Vorgänge bei der Um- oder Überströmung der Gebirge eine Rolle (Kunz und Puskeiler, 2010).

Trends von Hagelstürmen und atmosphärischen Bedingungen

In den vergangenen Jahrzehnten haben Schäden durch schwere Hagelstürme in Mitteleuropa und anderen Regionen erheblich zugenommen (Schiesser, 2003; Cao 2008; Kunz et al., 2009). Dabei stellt sich die Frage, inwieweit diese Zunahme auch durch den anthropogen bedingten Klimawandel bestimmt ist, insbesondere wenn damit auch eine Änderung der atmosphärischen Stabilität verbunden ist.

Für die Entstehung von Gewittern sind bestimmte atmosphärische Bedingungen notwendig, die als Proxydaten (indirekte Klimadaten) beispielsweise aus Vertikalsondierungen der Atmosphäre oder aus regionalen Klimamodellen ermittelt werden können. Im Gegensatz zu Gewitter- oder Hagelbeobachtungen sind Proxydaten annähernd homogen über einen langen Zeitraum verfügbar. Beispiele für Proxydaten sind Konvektionsindizes, mit denen die Stabilität der Atmosphäre quantifiziert werden kann, oder Großwetterlagen, die die großräumigen synoptischen Bedingungen widerspiegeln.

Diese Proxydaten geben aber nur das Potential der Atmosphäre für hochreichende Konvektion wieder. Sie lassen keine direkten Aussagen über die tatsächliche Entstehung von Gewitterstürmen zu. Sowohl über Deutschland (Kunz et al., 2009) als auch über den meisten Regionen Mitteleuropas konnte jedoch beobachtet werden, dass die Stabilität der Atmosphäre in den vergangenen Jahrzehnten erheblich abgenommen hat (Mohr und Kunz, 2013).

Statistische Analysen langjähriger Zeitreihen belegen, dass vor allem Konvektionsindizes, die bodennahe Temperatur- und Feuchtewerte berücksichtigen, in den vergangenen drei Jahrzehnten statistisch signifikante positive Trends – also eine Zunahme der Konvektionsbereitschaft – aufweisen. Ein ähnliches Bild zeigt sich auch bei den Großwetterlagen. Hier haben die Wetterlagen, die häufiger mit Hagel verbunden sind, in den vergangenen 30 Jahren zugenommen (Kapsch et al., 2012).

Um verschiedene Proxydaten auf sinnvolle Weise miteinander zu kombinieren, wurde beispielsweise von Mohr (2013) ein logistisches Modell entwickelt. Das Modell verknüpft verschiedene für Konvektion relevante meteorologische Parameter und liefert neben Wahrscheinlichkeiten einen Index, der als Potentieller Hagelindex bezeichnet wird. Dieser zeigt in der Vergangenheit für Deutschland und weite Teile Europas eine Zunahme. Angewendet auf verschiedene regionale Klimamodelle zeigt sich auch für die Zukunft eine weitere Zunahme. Allerdings kann aus der Veränderung dieses Index nur auf das Potential der Atmosphäre für die Entstehung von Hagelstürmen und nicht auf tatsächliche Ereignisse geschlossen werden.

Insgesamt besteht nicht zuletzt vor dem Hintergrund der erheblichen Schadensummen durch Hagel in Hinblick auf die Analyse der zeitlichen Variabilität von Gewitter- und Hagelstürmen noch ein erheblicher Forschungsbedarf. Um Aussagen über die zukünftige Änderung der Häufigkeit und/oder Intensität schwerer Hagelunwetter aus Projektionen regionaler Klimamodelle ableiten zu können, sind weitere umfassende methodische Untersuchungen und Entwicklungen notwendig.

Insgesamt besteht in Hinblick auf die Analyse der zeitlichen Variabilität von Gewitter- und Hagelstürmen noch ein erheblicher Forschungsbedarf. Um Aussagen über die zukünftige Änderung der Häufigkeit und/oder Intensität schwerer Hagelunwetter aus Projektionen regionaler Klimamodelle ableiten zu können, sind weitere umfassende methodische Untersuchungen und Entwicklungen notwendig.