Eine neue Analyse zeigt, dass besonders extreme Hitzewellen durch einen bislang unterschätzten Kreislauf zusätzlich an Kraft gewinnen. Trockene Böden, hoher Luftdruck und steigende Temperaturen verstärken sich dabei gegenseitig und treiben die Spitzenhitze im Durchschnitt um etwa zehn Prozent nach oben. Der Effekt betrifft einen Teil der feuchten Regionen der mittleren Breiten und ist in Europa bereits bei sommerlichen Temperaturen um 29 Grad Celsius relevant. Klimamodelle bilden diesen Mechanismus bislang nur unzureichend ab.
Wenn eine Hitzewelle über Mitteleuropa liegt, heizt die Sonne Straßen, Dächer, Felder und Wälder auf. In einer solchen Wetterlage entscheidet jedoch nicht allein, wie viel Sonnenenergie auf die Landschaft trifft. Auch der Zustand des Bodens und die großräumige Luftströmung beeinflussen, wie stark sich die Oberfläche erwärmt. Eine neue Untersuchung beschreibt, wie diese Faktoren bei den extremsten Ereignissen eine gemeinsame Schwelle überschreiten und anschließend einen sich selbst verstärkenden Prozess auslösen.
Die Arbeit wurde von Yinglin Tian und Kollegen unter Beteiligung des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) sowie des International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) erstellt. Die Forschenden kombinierten statistische Auswertungen mit einem erklärbaren Verfahren des maschinellen Lernens. Damit untersuchten sie, wie atmosphärische Zirkulation, Feuchtigkeit im obersten Bodenbereich und Temperatur bei außergewöhnlichen Hitzeereignissen zusammenspielen. Die Ergebnisse erschienen in Science Advances.
Identifiziert wird eine Temperaturschwelle, ab der sich drei Prozesse gegenseitig antreiben. Für Europa liegt sie ungefähr vier Kelvin über der durchschnittlichen Sommertemperatur, was in der Mitteilung der beteiligten Institute mit rund 29 Grad Celsius angegeben wird. Wird diese Schwelle erreicht, nimmt die Bedeutung der Wechselwirkung deutlich zu. Die Forschenden fanden den Mechanismus vor allem bei den extremsten Hitzeereignissen der mittleren Breiten.
Als Größenordnung nennen die Forschenden rund zehn Prozent zusätzlichen Beitrag zur Spitze der Temperaturabweichung während solcher Ereignisse. Sie bedeutet nicht, dass jede Hitzewelle weltweit pauschal zehn Prozent heißer wird oder dass die Lufttemperatur um einen festen Prozentsatz steigt. Der Effekt trat in ungefähr 28 Prozent der untersuchten feuchten Regionen der mittleren Breiten auf. Trockene und feuchte Klimazonen reagieren unterschiedlich, weshalb sich der Befund nicht ohne Weiteres auf jede Landschaft übertragen lässt.
Zu den betroffenen Großräumen zählen Europa, südliche Teile Russlands und die Mongolei sowie der Osten und Nordwesten Nordamerikas. Auch der Nordwesten Indiens, die Westküste Südamerikas, Teile des zentralen und südlichen Afrikas sowie das nördliche Binnenland Australiens gehören zu den Regionen, in denen die Forschenden den Mechanismus untersuchten. Die geografische Verteilung macht deutlich, dass es sich um einen Prozess der mittleren Breiten handelt und nicht um ein ausschließlich europäisches Wetterphänomen.
Am Anfang steht häufig eine stabile Hochdrucklage. Luft sinkt großräumig ab, Wolken bilden sich seltener und die Sonneneinstrahlung erreicht den Boden über längere Zeit vergleichsweise ungehindert. Felder und versiegelte Flächen nehmen Energie auf, die bodennahe Luft erwärmt sich und die Temperatur steigt. Bleibt die Wetterlage bestehen, fehlt zugleich der regelmäßige Wechsel, der kühlere und feuchtere Luft heranführen könnte.
Die Erwärmung wirkt auf den Wasserhaushalt der Landschaft zurück, weil Wasser aus dem Boden verdunstet und der Oberfläche dabei Energie entzieht, während Pflanzen zusätzlich Wasser über ihre Blätter an die Atmosphäre abgeben. Dieser Vorgang kühlt die Umgebung, solange ausreichend Feuchtigkeit verfügbar ist. Sinkt der Wassergehalt im Boden, können Pflanzen weniger Wasser abgeben und die Verdunstung nimmt ab. Ein größerer Anteil der eingestrahlten Energie erwärmt dann die Oberfläche direkt.
Dieser Zusammenhang zwischen Trockenheit und Hitze ist in der Klimaforschung seit Langem bekannt. Die neue Arbeit rückt eine weitere Verbindung in den Mittelpunkt: Bei besonders hohen Temperaturen greifen die atmosphärische Zirkulation, die Bodenfeuchte und die Erwärmung gemeinsam ineinander. Hochdruck begünstigt die Erwärmung, die Hitze trocknet den Boden aus und der trockene Boden schwächt die Verdunstungskühlung. Die dadurch zusätzlich erwärmte Oberfläche verstärkt wiederum die Bedingungen, unter denen der Kreislauf aktiv bleibt.
Wie stark dieser Mechanismus wirkt, hängt von der Ausgangslage ab. Ein Boden, der nach Regen noch viel Wasser enthält, kann einen Teil der eingehenden Energie für Verdunstung nutzen. Eine bereits ausgetrocknete Fläche besitzt diese Reserve kaum. Bei anhaltender Hitze verändert sich deshalb auch die Energiebilanz: Weniger Energie fließt in die Verdunstung, während mehr Energie die Oberfläche und die darüberliegende Luft erwärmt.
Für Menschen ist dieser Unterschied im Alltag sichtbar. Auf einem feuchten Wiesenstück fühlt sich die Luft an einem heißen Nachmittag oft anders an als über einem staubigen Acker oder einer ausgedörrten Böschung. Die Pflanzen stehen dort unter Wasserstress, die Oberfläche gibt weniger Feuchtigkeit ab und die Umgebung kann sich stärker aufheizen. Solche lokalen Eindrücke erklären den großräumigen Mechanismus nicht allein, veranschaulichen aber, weshalb Bodenfeuchte für die Entwicklung extremer Hitze eine Rolle spielt.
Die Rückkopplung ist zudem nicht überall gleich stark. Bodenart, Vegetation, Wurzeltiefe und die Verteilung des Wassers beeinflussen, wie schnell eine Fläche austrocknet und wie lange Pflanzen noch Wasser erreichen. Auch die Dauer und Stabilität einer Hochdrucklage sind entscheidend. Ein einzelner heißer Nachmittag reicht nicht aus, um daraus automatisch eine Mega-Hitzewelle abzuleiten. Erst das Zusammenwirken der Faktoren über einen längeren Wetterabschnitt kann die besonders starke Verstärkung auslösen.
Wie außergewöhnlich solche Ereignisse ausfallen können, verdeutlicht der Sommer in Europa, in dem Großbritannien erstmals eine Temperatur von mehr als 40 Grad Celsius registrierte. Die Forschenden führen dieses Ereignis als Beispiel für eine Hitzewelle an, bei der frühere lokale Rekorde deutlich überschritten wurden. Im Nordwesten der Vereinigten Staaten erreichten die Messwerte während einer anderen extremen Hitzeperiode Werte, die 4,6 Grad Celsius über vorherigen Rekorden lagen. Diese Beispiele sind keine direkten Messungen des neu beschriebenen Rückkopplungseffekts, sondern illustrieren die Größenordnung der extremen Ereignisse, auf die sich die Analyse konzentriert.
Die Häufigkeit, mit der die europäische Temperaturschwelle überschritten wird, hat sich in den ausgewerteten Zeiträumen stark verändert. Für Mitteleuropa lag die Wahrscheinlichkeit in der ersten Vergleichsperiode bei sechs Prozent. In der späteren Vergleichsperiode betrug sie 23 Prozent. Die Studie verbindet diesen Anstieg mit der globalen Erwärmung: Wenn das Grundniveau der Temperaturen steigt, wird auch die Schwelle häufiger erreicht, ab der die zusätzliche Wechselwirkung aktiv werden kann.
Ein ähnliches Interesse an den regionalen Besonderheiten extremer Hitze gab es bereits bei früheren Untersuchungen. Ein früherer Beitrag zu Hitzehotspots in Deutschland beschrieb, dass regionale Temperaturspitzen Klimamodell-Prognosen übertreffen können. Die neue Untersuchung ergänzt diese Debatte um einen konkreten physikalischen Mechanismus, der einen Teil der besonders starken Ausschläge erklären hilft.
Die Forschenden verglichen ihre Ergebnisse auch mit Simulationen aus wichtigen Klimamodell-Ensembles. Dabei zeigte sich, dass die untersuchte Wechselwirkung in den Modellen systematisch zu schwach ausfällt. Eine Ursache liegt laut der Studie darin, dass die Böden in den Simulationen zu Beginn von Hitzewellen bereits zu trocken dargestellt werden. Dadurch kann der weitere Feuchtigkeitsverlust geringer ausfallen als in den beobachteten Bedingungen, und der zusätzliche Verstärkungseffekt wird abgeschwächt.
Das ist für die Bewertung künftiger Extremereignisse wichtig. Klimamodelle dienen dazu, mögliche Entwicklungen zu berechnen und Risiken über Regionen und Zeiträume hinweg einzuordnen. Wenn ein physikalischer Prozess in den Modellen fehlt oder zu schwach abgebildet wird, kann die simulierte Intensität der stärksten Ereignisse zu niedrig ausfallen. Die neue Arbeit liefert damit einen Hinweis darauf, weshalb manche besonders extremen Hitzephasen schwieriger zu erfassen sind als moderate Ereignisse.
Bereits andere Forschungsarbeiten haben untersucht, wie sich die Vorhersagbarkeit von Hitzewellen verändert. Ein Artikel über intensivere und unberechenbarere Hitzewellen in Deutschland behandelte natürliche Schwankungen und die Grenzen regionaler Prognosen. Die nun veröffentlichte Untersuchung ergänzt diesen Blickwinkel, weil sie nicht nur die Vorhersageunsicherheit beschreibt, sondern einen konkreten Verstärkungsweg zwischen Atmosphäre und Landoberfläche identifiziert.
Aus den Ergebnissen folgt nicht, dass jede Wettervorhersage die Stärke einer bevorstehenden Hitzewelle falsch angibt. Die Studie untersucht statistische Zusammenhänge und physikalische Rückkopplungen in den extremsten Ereignissen; sie ersetzt keine lokale Wetterprognose. Für eine verlässliche Warnung müssen Wetterdienste weiterhin aktuelle Messungen, die konkrete Luftdruckverteilung, die Bodenfeuchte und regionale Eigenschaften gemeinsam berücksichtigen.
Die nächsten Schritte liegen deshalb in der Verbesserung der Klimamodelle und ihrer Darstellung des Bodens. Besonders wichtig ist, wie realistisch die Modelle den Feuchtigkeitszustand zu Beginn einer Hitzeperiode erfassen und wie sie den anschließenden Verlust von Wasser simulieren. Das Forschungsteam sieht darin einen Ansatzpunkt, um die Intensität extremer Hitze künftig präziser abzuschätzen. Die offene Frage ist, wie stark sich die verbesserten Modelle bei einzelnen Regionen und unterschiedlichen Wetterlagen verändern werden.
Tian, Y., Liu, J., Huang, Y., Gentine, P., Kornhuber, K.: Three-way circulation-soil moisture-temperature feedbacks amplify the most extreme mid-latitudinal heatwaves. Science Advances; doi:10.1126/sciadv.aeh9111
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