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Quasistationäre Starkregenereignisse breiten sich unter dem Klimawandel über ganz Europa aus

Publiziert: 30. Juni, 2021
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Kurzbeschreibung

Im Rahmen des Klimawandels wird eine Zunahme von Niederschlagsextremen aufgrund höherer atmosphärischer Feuchte erwartet. Der Gesamtniederschlag eines Ereignisses hängt jedoch auch von der Kondensationsrate, der Niederschlagseffizienz und der Dauer ab. Hier identifiziert ein neuer Ansatz, der einer “inhaltsstoffbasierten Methodik” aus der Unwettervorhersage folgt, wichtige Aspekte der Reaktion von Starkniederschlägen auf den Klimawandel, die aus Sicht der Auswirkungen relevant sind und bisher weitgehend vernachlässigt wurden. Unter Verwendung von 2,2 km Klimasimulationen zeigen wir, dass eine zukünftige Zunahme von Niederschlagsextremen in ganz Europa auftritt, nicht nur aufgrund höherer Feuchtigkeit und Aufwindgeschwindigkeiten, sondern auch aufgrund langsamerer Gewitterbewegungen, die die lokale Dauer erhöhen. Umgebungen mit extremem Niederschlagspotenzial sind bis 2100 7× häufiger als heute, während der Wert für quasistationäre 11× (14× für Land) beträgt. Wir stellen fest, dass eine zukünftige Verringerung der Sturmgeschwindigkeiten, möglicherweise durch die arktische Verstärkung, die Ereignishäufigkeit und das Überschwemmungsrisiko über die Erwartungen aus Studien, die sich auf die Niederschlagsraten konzentrieren, hinaus erhöhen könnte.

Zusammenfassung im Klartext

Es wird erwartet, dass intensive Regenstürme aufgrund der globalen Erwärmung häufiger auftreten werden, da wärmere Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Hier zeigen wir anhand sehr detaillierter Klimasimulationen (mit einem 2,2 km-Gitter), dass sich die Stürme, die Starkregen über Europa produzieren, mit dem Klimawandel langsamer bewegen könnten, was die Dauer der lokalen Exposition gegenüber diesen Extremen erhöht. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass solche langsam ziehenden Stürme bis zum Ende des Jahrhunderts 14-mal häufiger über dem Land auftreten könnten. Gegenwärtig sind fast stationäre intensive Regenstürme in Europa ungewöhnlich und treten nur selten über Teilen des Mittelmeers auf, aber in Zukunft wird erwartet, dass sie auf dem gesamten Kontinent auftreten, auch im Norden. Der Hauptgrund dafür scheint eine verringerte Temperaturdifferenz zwischen den Polen und den Tropen zu sein, die die Winde in der oberen Ebene im Herbst schwächt, wenn diese kurzzeitigen Niederschlagsextreme am häufigsten auftreten. Diese langsamere Bewegung der Stürme führt zu einer Erhöhung der lokal akkumulierten Niederschlagsmengen, was das Risiko von Sturzfluten in ganz Europa über das bisher erwartete Maß hinaus erhöht.

Einführung

Es ist bekannt, dass lokale Niederschlagsextreme auf sub-täglichen Zeitskalen aufgrund des anthropogenen Klimawandels zunehmen (Fischer & Knutti, 2016; Fowler et al., 2021; Kendon et al., 2014; Lehmann et al., 2015; Westra et al., 2014). Die mit der Erwärmung einhergehende höhere Feuchteverfügbarkeit in der Atmosphäre wurde ausgiebig untersucht und erklärt zum Teil den beobachteten und simulierten Anstieg von Niederschlagsextremen mit kurzer Dauer, wobei auch stärkere Aufwinde dazu beitragen könnten (Giorgi et al., 2016; Held & Soden, 2006; O’Gorman & Schneider, 2009). Viele Studien haben über eine Zunahme der Niederschlagsextreme mit der Temperatur berichtet, die der Clausius-Clapeyron (CC)-Rate von 7% pro K folgt (Ali et al., 2021; Visser et al., 2020). Für stündliche Niederschlagsextreme wurden jedoch höhere Skalierungsraten (sog. “Super-CC-Skalierung”) gefunden (Ban et al., 2015; Berg et al., 2013; Drobinski et al., 2018; Hodnebrog et al., 2019; Lenderink & van Meijgaard, 2008; van de Vyver et al., 2019). Zu den Prozessen, die zur Erklärung der Super-CC-Skalierung vorgeschlagen werden, gehören lokalisierte Dynamik und konvektive Organisation (Chan et al., 2016; Feng et al., 2016; Lochbihler et al., 2019; Moseley et al., 2016; O’Gorman, 2015; Pfahl et al., 2017; Prein et al., 2017).

Hier verwenden wir zum ersten Mal einen “inhaltsstoffbasierten” Ansatz, um künftige Veränderungen bei extremen Niederschlägen über Europa anhand von paneuropäischen 2,2 km-Simulationen des UK Met Office zu verstehen. Dies schließt die Berücksichtigung der Bewegungsgeschwindigkeit intensiver Gewittersysteme ein, die bisher trotz ihrer offensichtlichen Bedeutung weitgehend vernachlässigt wurde (mit Ausnahme von Prein et al., 2017, die regional unterschiedliche Geschwindigkeiten von mesoskaligen konvektiven Systemen [MCSs] um Nordamerika herum finden). Um andere tangentiale Arbeiten zu nennen, untersuchten Dougherty und Rasmussen (2020) den Dauerfaktor für die USA, Mahoney et al. (2013) untersuchten Colorado Front Range Stürme mit Instabilität, Feuchtigkeit und Auftrieb als Zutaten (für Gewitter), und Gutmann et al. (2018) konzentrierten sich auf den Geschwindigkeitsfaktor für Hurrikane (mit größeren räumlichen und zeitlichen Skalen). Insgesamt wird zum ersten Mal die physikalische Grundlage für künftige Veränderungen der extremen niederschlagsproduzierenden Stürme in Europa untersucht, wobei zwei einfache, aber effektive Metriken verwendet werden.

Daten und Methoden

Konvektive Stürme erzeugen die meisten Starkniederschlagsereignisse von kurzer Dauer (1-3 h) (Chappell, 1986), wobei MCSs in den mittleren Breiten vorherrschen (Jiang et al., 2006; Morel & Senesi, 2002; Schumacher & Rasmussen, 2020). Der “inhaltsstoffbasierte Ansatz”, der von modernen Meteorologen für die Vorhersage konvektiver Stürme verwendet wird, liefert eine physikalische Grundlage für Faktoren, die für ein Ereignis erforderlich sind, zum Beispiel Feuchtigkeit, Instabilität und Auftrieb für Gewitter. Starkniederschläge sind eines der wenigen meteorologischen Phänomene, für die die Inhaltsstoffe bekannt sind (Doswell et al., 1996):

wobei P die Niederschlagsmenge, Ṙ die durchschnittliche Niederschlagsrate und D die Dauer ist (Doswell et al., 1996). Aus einer Lagrange-Perspektive hängt die durchschnittliche Niederschlagsrate für ein Gewittersystem von der verfügbaren Feuchtigkeit und der Kondensationsrate (über Aufwärtsbewegung) sowie dem Ausmaß, in dem Kondensat den Boden als Niederschlag erreicht (die Niederschlags-“Effizienz”), ab, formuliert als:

wobei E die Niederschlagseffizienz, w die vertikale Geschwindigkeit und q die spezifische Feuchtigkeit ist (Doswell et al., 1996).
Die Niederschlagseffizienz hängt von vielen Faktoren ab (Held & Soden, 2006) und ist schwer zu analysieren. Eine höhere Effizienz ergibt sich aus Umgebungen mit höherer relativer Luftfeuchtigkeit (aufgrund reduzierter Verdunstung im Rahmen von Trockenluft-Entrainment, Cotton & Anthes, 1989), größerer Tiefe der konvektiven Wolke unterhalb des Gefrierpunktes (was einen längeren Kollisions-Koaleszenz-Prozess ermöglicht) und schwacher vertikaler Windscherung (was schwächeres Entrainment und Verdunstung bewirkt, Davis, 2001). Auch mikrophysikalische Wolkeneigenschaften (z. B. die Tröpfchengrößenverteilung) sind entscheidende Faktoren.

Hier verwenden wir paneuropäische Klimasimulationen (RCP8.5) mit 2,2 km Gitterabstand aus dem UK Met Office Unified Model (v10.1), die erfolgreich stündliche Niederschläge simulieren (Berthou et al., 2020; Chan et al., 2020). Bei dieser hohen Auflösung wird das Modell als “konvektionserlaubend” bezeichnet, da die Konvektion explizit auf dem Modellgitter dargestellt werden kann, ohne dass eine Konvektionsparametrisierung erforderlich ist (Kendon et al., 2012). Convection-permitting-Modelle (CPMs) werden routinemäßig für operationelle Vorhersagen verwendet und können lokalisierte Extremereignisse vorhersagen, die von Modellen mit gröberer Auflösung nicht erfasst werden (Clark et al., 2016; Lean et al., 2008). Die verbesserte Darstellung der stündlichen Niederschlagscharakteristiken durch CPMs umfasst den Tageszyklus, die räumliche Struktur des Niederschlags, die Intensitätsverteilung und stündliche Extreme (Ban et al., 2014; Chan et al., 2014; Kendon et al., 2012; Prein et al., 2015). Insgesamt liefern CPMs glaubwürdige Projektionen zukünftiger Änderungen von kurzzeitigen Niederschlagsextremen (Kendon et al., 2017). Details zur Modellkonfiguration finden sich im ergänzenden Text S1 (Boutle, Abel, et al., 2014; Boutle, Eyre, & Lock, 2014; Mizielinski et al., 2014; Roberts & Lean., 2008; Wood et al., 2014).

Bei einem Gitterabstand von 2,2 km ist ein typischer Wert für die spezifische Feuchte in der unteren Ebene zur Vorhersage schwerer Konvektion q ≥ 10 g kg-1 bei 850 hPa (Craven et al., 2002; George, 1960; Miller, 1972; Púčik et al., 2017; Showalter, 1947; Thompson et al, 2003); w ≥ 2 m s-1 Aufstieg bei 700 hPa (Jeevanjee, 2017; Groenemeijer & van Delden, 2007; Kahraman et al., 2017; Melling & List, 1980; Morrison, 2017) wird als Schwellenwert für einen Sturm mit ausreichender Kondensationsrate angesehen (ergänzender Text S2 und Abbildungen S1, S2). Wir definieren “Extremes Niederschlagspotenzial” (EPP) als Fälle, in denen beide Schwellenwerte für 3-stündige Momentandaten überschritten werden, entsprechend Umgebungen mit dem Potenzial für extreme Niederschlagsraten. Wir zählen die Anzahl der EPP-Fälle an jedem 2,2 km-Gitterpunkt in der Domäne (ohne 100 Gitterzellen von jeder Grenze, um jegliche Grenzartefakte zu entfernen) für das aktuelle (1998-2007) und zukünftige (∼2100 unter RCP8.5) europäische Klima. Die Land/Meer-Analyse wurde getrennt durchgeführt. EPP schließt die Niederschlagseffizienz aufgrund der Unsicherheit der komplexen Faktoren nicht mit ein und vernachlässigt somit die große Bandbreite an Umweltfaktoren, die steuern, wie viel Kondensat tatsächlich den Boden erreicht. EPP misst daher das “Potenzial” für hohe Niederschlagsraten, ohne eine Eins-zu-eins-Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Niederschlag zu liefern. Das Modell simuliert >10 mm stündlichen Niederschlag für 78 % der EPPs und >50 mm stündlichen Niederschlag für 45 % der EPP-Fälle (Abbildung S1). Die Untersuchung des EPP-Proxys anstelle der tatsächlichen hohen Niederschlagsraten liefert eine physikalische Grundlage für Starkniederschlagsänderungen (hilft bei der Unterscheidung von steuernden Faktoren), die eine breitere Anwendbarkeit über die für eine einzelne (z. B. stündliche) Akkumulationsperiode hinaus hat.

Unter Verwendung der weithin anerkannten Corfidi-Vektor-Technik zur Beschreibung der Bewegung von MCSs (Corfidi, 2003; Corfidi et al., 1996) definieren wir dann quasi-stationäre Sturmsysteme als solche mit einem Corfidi-Vektor ≤3 m s-1 (ergänzender Text S3). Dieser sehr niedrige Schwellenwert in Bezug auf die Sturmbewegung stellt sicher, dass Starkniederschläge nahezu stationär sind, selbst für eine einzelne konvektive Sturmzelle (mit einer räumlichen Skala, die typischerweise mit der Entfernung vergleichbar ist, die ein sich langsam bewegender Sturm während seiner Lebensdauer zurücklegt). Quasistationäre Stürme mit hoher atmosphärischer Feuchte und starken vertikalen Aufwinden haben das größte Potenzial für Starkniederschlagsakkumulationen. Daher definieren wir das gleichzeitige Auftreten von hoher Feuchtigkeit, hoher vertikaler Geschwindigkeit und langsamer Bewegung als “Slow-moving Extreme Precipitation Potential” (SEPP); eine kleine Teilmenge der EPP-Fälle, da sich die meisten Sturmsysteme schneller bewegen. Andere Faktoren, die sich auf die Niederschlagsdauer auswirken und hier nicht behandelt werden, sind die Sturmgröße und die Orientierungsstruktur in Bezug auf den Ausbreitungsvektor.

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse zeigen, dass ganz Europa anfällig für intensive Regenstürme ist, gemessen durch EPP, aber das zentrale Mittelmeer erlebt die höchste Häufigkeit von Fällen, sowohl aktuell als auch in der Zukunft (Abbildungen 1a und 1b). Im Gegensatz dazu sind SEPPs im aktuellen Klima relativ selten, werden aber bis 2100 über den gesamten Kontinent verbreitet sein (Abbildungen 1d und 1e). Eine signifikante Erwärmung unter RCP8.5 führt zu einer starken Zunahme von EPPs (Abbildung 1c), aber zu einer noch deutlicheren Zunahme von SEPPs (Abbildungen 1c und 1f). Für ganz Europa stellen wir fest, dass EPP (SEPP) bis zum Ende des Jahrhunderts 7,4 (10,6)× häufiger auftreten als heute. Obwohl SEPPs nur ∼3-4 % aller EPPs ausmachen, sind sie wegen ihres Potenzials für hohe Niederschlagsakkumulationen und damit Überflutungen wichtig.

Anzahl der (a) extremen Niederschlagspotenziale (EPP) im aktuellen Klima (1998-2007), (b) EPP-Fälle im zukünftigen Klima (10 Jahre, die ∼2100 unter RCP8.5 repräsentieren), (c) normalisierte Änderung des EPP, (d) sich langsam bewegende extreme Niederschlagspotenziale (SEPP) im aktuellen Klima, (e) SEPP-Fälle im zukünftigen Klima, (f) normalisierte Änderung des SEPP, in 10 Jahren simulierter Ausgabe mit 3-Stunden-Intervallen. Der Jahresdurchschnitt der SEPP-Fälle unter den aktuellen Klimabedingungen für das gesamte Gebiet beträgt 20848,4 (entsprechend ∼24 pro 100 × 100 km Fläche) und 153809,9 in der Zukunft (∼175 pro 100 × 100 km Fläche). Die durchschnittlichen jährlichen SEPP-Fälle steigen von 595,4 (∼0,7 pro 100 × 100 km) auf 6335,3 (∼7,2 pro 100 × 100 km). Die normalisierte Änderung wird berechnet, indem der zukünftige minus der aktuelle Wert durch die jährliche durchschnittliche Anzahl der aktuellen Fälle über 10.000 geteilt wird (0,05954 und 2,08484 für SEPP bzw. EPP), um die Änderung von EPP und SEPP visuell zu vergleichen. Es wurde eine Glättung auf 113 km Auflösung vorgenommen, indem die benachbarten ±25 Gitterpunkte gemittelt wurden. Beachten Sie, dass die Farbskala von (a), (b), (d), und (e) logarithmisch ist.

Im Einklang mit diesen Zunahmen steigt die Anzahl der Ereignisse mit Niederschlag ≥100 mm h-1 (etwa 20 % der EPPs im aktuellen Klima) um das Dreifache, während ≥150 mm h-1 bis 2100 4× häufiger und 200 mm h-1 5,2× häufiger auftreten (Abbildung 2). Die Häufigkeitszunahmen der 3-stündigen Extremniederschläge sind ähnlich (Abbildung S10). Der geringere Anstieg der Häufigkeit extremer stündlicher Niederschläge im Vergleich zu den EPPs ist wahrscheinlich auf die fehlende Berücksichtigung der Niederschlagseffizienz zurückzuführen. Die Verteilung der extremen stündlichen Niederschlagsraten nach Monaten zeigt jedoch ein ähnliches Muster wie bei den EPPs, abgesehen von einer geringeren Häufigkeit im Sommer (Abbildung 2), wenn die relative Umgebungsfeuchte – ein Schlüsselfaktor, der die Niederschlagseffizienz steuert – reduziert ist (detailliert im ergänzenden Text S6). Dies stimmt mit früheren Studien überein, die eine Verringerung der Niederschlagseffizienz im Sommer zeigen (z. B. Ye et al., 2014), obwohl zukünftige Änderungen höchst unsicher sind (Held & Soden, 2006). Trotzdem sind die Häufigkeitszunahmen für den Herbst sowohl für EPP- als auch für SEPP-Fälle (und damit verbundene extreme Niederschläge) signifikant. In der Tat verschieben sich die stündlichen Niederschlagsextreme in Europa bei trockeneren zukünftigen Sommern mit der Erwärmung in Richtung Herbst (Chan et al., 2020).

Durchschnittliche Anzahl von (a) extremen Niederschlagspotenzialen, (b) sich langsam bewegenden extremen Niederschlagspotenzialen, (c) stündlichem Niederschlag ≥100 mm, (d) stündlichem Niederschlag ≥200 mm, pro Monat im aktuellen und zukünftigen Klima für den gesamten Bereich (einschließlich Land und Meer).

Analyse der Niederschlagsverfolgung

Um die Rolle unserer Proxies bei der Erklärung des zukünftigen Anstiegs extremer Niederschlagsereignisse weiter zu bewerten, haben wir einen Niederschlagsverfolgungsalgorithmus (Crook et al., 2019; Stein et al., 2014) auf die neu gerasterten stündlichen Modellausgaben angewendet (aggregiert auf 12 km horizontale Gitterintervalle, für die der Code optimiert ist; weitere Details im ergänzenden Text S5). Wir identifizierten Niederschlagsgebiete mit mindestens einem 12 km-Gitterpunkt mit ≥20 mmh-1 und berechneten die Verteilung der Bewegungsgeschwindigkeit solcher Stürme. Die Häufigkeit solcher Stürme nimmt in der Zukunft robust zu (Abbildung S7). Ähnlich wie bei SEPPs sind langsam ziehende Sturmsysteme (≤3 ms-1), die mit diesem Ansatz analysiert wurden, im aktuellen Klima im Herbst am häufigsten, werden aber in der Zukunft viel häufiger, mit einer höheren Häufigkeitszunahme als die der schneller ziehenden Systeme (Abbildung S7). Darüber hinaus werden die Verteilungen der Sturmgeschwindigkeiten in allen Jahreszeiten schief nach links; und sind somit im Mittel das ganze Jahr über langsamer (Abbildung S7).

Saisonale und regionale Änderungen

EPPs und SEPPs (Abbildung 2) sind hauptsächlich Phänomene der warmen bis frühen kalten Jahreszeit. Die geografische Verteilung von EPPs in der warmen Jahreszeit entspricht der Verteilung von MCSs rund um das Mittelmeer im aktuellen Klima (Kolios & Feidas, 2010). Es ist jedoch bemerkenswert, dass zukünftige EPPs über ganz Europa verbreitet sind (Abbildung 3), wobei fast der gesamte Kontinent eine ähnliche oder größere Häufigkeit von EPPs im Sommer erfährt, wie Süditalien derzeit von August bis Oktober. EPPs nehmen in allen Monaten zu, besonders während einer ausgedehnten warmen Jahreszeit, aber mit bemerkenswerten lokalen Abnahmen, d. h. fast keine zukünftigen EPPs über der Adria im August (Abbildung 3) oder über Teilen des Mittelmeers im September, wahrscheinlich aufgrund von Änderungen des Auftriebs. Dies könnte auf erwartete Änderungen der großräumigen Dynamik zurückzuführen sein, z. B. eine deutliche Abnahme der sommerlichen Mittelmeerniederschläge mit Austrocknung aufgrund zunehmender antizyklonaler Zirkulationen (Giorgi & Lionello, 2008) oder eine deutliche Abschwächung der Sommerzirkulation mit arktischer Verstärkung (AA) (Coumou et al., 2015).

Wie Abb. 1, jedoch für die Anzahl der extremen Niederschlagspotenziale und der langsamen extremen Niederschlagspotenziale pro Monat von Mai bis Dezember, und nur für das gegenwärtige Klima und die zukünftigen normalisierten Änderungen.

Bis 2100 bedecken SEPPs im Sommer (insbesondere im August) den gesamten Kontinent, obwohl sie im heutigen Klima in jedem Monat sehr selten sind (Abbildung 3); mit wahrscheinlich schwerwiegenden Folgen für das zukünftige Hochwasserrisiko. Die SEPP-Häufigkeit bis 2100 ist für viele Regionen vergleichbar mit der aktuellen EPP-Häufigkeit, was die signifikante Zunahme dieser derzeit “ungewöhnlichen”, sich langsam bewegenden, intensiven Stürme in den Kontext stellt. Vor allem für das Mittelmeer werden häufigere SEPPs von Oktober bis November prognostiziert (Abbildung 3), wodurch sich die Hauptsturmsaison auf einen späteren Zeitpunkt im Jahr verschiebt.

Die Saisonalität von EPPs und SEPPs über Land und Meer unterscheiden sich (ergänzender Text S7, Abbildung S11). Land-EPPs und SEPPs erreichen ihren Höhepunkt im August, während See-EPPs und SEPPs erst im Oktober ihren Höhepunkt erreichen. Gegenwärtig treten 52 % der EPP-Fälle über Land auf; bis zum Jahr 2100 steigt dieser Anteil auf 61 %, wobei die Häufigkeit von Land-EPP (Meer-EPP) um das 8,6-fache (6-fache) zunimmt. SEPPs treten im aktuellen Klima relativ gleichmäßig über Land (48 %) und Meer (52 %) auf, aber ein enormer Anstieg der Land-EPPs (14,3×), mit einem kleineren, aber immer noch signifikanten Anstieg der Meeres-EPPs (7,3×), erhöht den Landanteil bis 2100 auf 65 %. Dies deutet darauf hin, dass ein größerer Anteil der Änderungen an unseren Proxies für extreme Niederschläge das Land und nicht das Meer betrifft. Wir spekulieren, dass dies aus der höheren Veränderung der Feuchtigkeitsverfügbarkeit und Instabilität über dem Land in einem sich erwärmenden Klima resultieren könnte, sowie aus der nördlichen Ausdehnung des subtropischen Gürtels, die zu einer Abnahme der Überschreitung der vertikalen Geschwindigkeitsschwelle über dem Mittelmeer führt.

Beiträge von Inhaltsstoffen

Um die Treiber für den Anstieg der höchsten stündlichen Niederschlagsraten zu entschlüsseln, analysieren wir nun die “Zutaten” separat. Der große Anstieg der EPPs stammt hauptsächlich von der Feuchtekomponente, mit einem dramatischen Anstieg der Fälle mit q ≥ 10 gkg-1 in allen Monaten, während die projizierten w ≥ 2 ms-1 Fälle nur von Juni bis September höher sind (Abbildungen 4a und 4c). Bis zum Jahr 2100 prognostiziert das CPM 29× mehr Fälle mit sehr feuchten Umgebungen (Überschreitung der q-Schwelle) als für das aktuelle Klima. Dies ist konsistent mit einem großen Anstieg des durchschnittlichen q von ∼35 %. Die feuchteste Umgebung findet sich im August (5,42 g kg-1 für das aktuelle Klima, ansteigend auf 7,26 g kg-1 bis 2100), aber die Veränderung von q erreicht ihren Höhepunkt im November mit einem Anstieg von 51 % (Abbildung 4b). Angesichts dieser beträchtlichen Änderung könnte man einen dramatischen Anstieg der Aufwindstärke erwarten, da diese von der verfügbaren konvektiven potentiellen Energie (CAPE) abhängt, und CAPE ist eine Funktion der Feuchtigkeit in der unteren Ebene und der Lapse-Rate in der Atmosphäre. Wir finden jedoch ein interessantes saisonales Muster in der Überschreitung der vertikalen Geschwindigkeitsschwelle (Abbildung 4c), mit einer jährlichen Abnahme der Anzahl der Fälle mit w ≥ 2 ms-1, aber sommerlichen Zunahmen der EPPs mit w ≥ 2 ms-1 (Abbildung 4c) hauptsächlich über dem Kontinent. Eine Abnahme der EPPs über dem Mittelmeer ist konsistent mit der “Stabilisierung der Troposphäre” (Kröner et al., 2017) und weniger Wirbelsturmbahnen (Pinto et al., 2007) im zukünftigen Klima.

Distribution of Extreme Precipitation Potential and Slow-moving Extreme Precipitation Potential components and relevant variables by month for whole domain: (a) Total number of occasions with specific humidity threshold (10 g/kg) exceedance, (b) Average specific humidity, (c) Total number of occasions with vertical velocity threshold (2 m/s) exceedance, (d) Total number of occasions with Corfidi Vector magnitude ≤3 m/s, (e) Average Corfidi Vector magnitude, (f) Average 300 hPa wind speed.

Unsere Ergebnisse zeigen große projizierte Zunahmen in der Häufigkeit von extremen stündlichen Niederschlagsraten in instabilen Umgebungen (ergänzender Text S4 und Abbildung S6); dies steht im Einklang mit neueren Studien, die relativ größere Zunahmen von täglichen Extremen mit zunehmender Seltenheit zeigen (Hodnebrog et al., 2019; Myhre et al., 2019). Obwohl der September im aktuellen Klima generell der Spitzenmonat für stündliche Niederschlagsextreme in ganz Europa ist, verschiebt sich dies bis 2100 in den Oktober (Chan et al., 2020). Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass zukünftige Zunahmen der EPP durch sehr große Zunahmen des atmosphärischen Wasserdampfs verursacht werden. Dieser thermodynamische Effekt wird durch leichte Zunahmen in Fällen hoher vertikaler Geschwindigkeit in der warmen Jahreszeit von Juni bis September verstärkt und kompensiert die geringe Abnahme in anderen Monaten. Unsere Ergebnisse bestätigen die primäre Bedeutung der thermodynamischen Beiträge zu zukünftigen Zunahmen von kurzzeitigen Niederschlagsextremen, zusammen mit der angenommenen Abnahme der Niederschlagseffizienz.

Änderungen bei langsam ziehenden Stürmen

Wir gehen nun dazu über, die sich ändernde Rolle der Sturmbewegung für die Niederschlagsextreme zu untersuchen. Wie bereits erwähnt, ist die jährliche Verteilung von SEPP im Vergleich zu EPP zum Sommer hin verzerrt (Abbildungen 2a und 2b), was mit den allgemein schwächeren Winden im Sommer zusammenhängt. Wir stellen fest, dass bis 2100 die Häufigkeit von langsamen Stürmen zunimmt, außer im Zeitraum Februar-April (Abbildung 4d), wobei die jährliche Anzahl der langsamen Stürme um 20 % zunehmen soll. Die größten Zunahmen finden wir in den Monaten August-November, die zwischen 31 % und 65 % liegen und im September ihren Höhepunkt erreichen. Da dies mit den Monaten zusammenfällt, in denen die thermodynamischen Schwellenwerte am stärksten überschritten werden, trägt die kinematische Umgebung dieser Stürme mit hoher Akkumulation auch zur extremen Niederschlagsrate für einen bestimmten Ort bei und verstärkt diese, was zu einem fast 11-fachen Anstieg der SEPPs im Vergleich zu einem 7,4-fachen Anstieg der EPPs bis 2100 führt.

Änderungen der jährlichen Verteilung der durchschnittlichen Corfidi-Vektor-Größe (Abbildung 4e) zeigen ein analoges Muster zu den oben beschriebenen Änderungen der schwellenwertbasierten Grafik (vgl. Abbildungen 4d und 4e). Wir finden eine Abnahme der durchschnittlichen Corfidi-Vektor-Größe in allen Monaten, mit Ausnahme von Januar-März (Abbildung 4e), mit der dramatischsten Abnahme im September (-21 %). Dies deutet nicht nur auf eine erhöhte Häufigkeit von “stagnierenden” MCS hin, sondern auch auf eine allgemeine zukünftige Abnahme der Geschwindigkeit aller MCS. Da der Corfidi-Vektor auf Windumgebungen in der oberen Ebene basiert und der troposphärische Wind im Allgemeinen mit der Höhe zunimmt, ist er am empfindlichsten für Winde in der Höhe. Dementsprechend folgen die durchschnittliche Größe des Corfidi-Vektors und die 300-hPa-Windgeschwindigkeit einander das ganze Jahr über (Abbildungen 4e und 4f). Dies deutet darauf hin, dass der Effekt des Klimawandels auf die Stärke des Jetstreams in Europa im Winter positiv ist, während er in den anderen Jahreszeiten negativ ist. Dieser Befund hat komplizierte Implikationen für die Debatte über extreme Wetterlagen in den mittleren Breiten, die mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist (Cohen et al., 2020): Im Allgemeinen führen stärkere Jets um eine konvektive Sturmumgebung zu mehr Scherung und erhöhen damit die Wahrscheinlichkeit der Sturmorganisation. Andererseits führen sie dazu, dass sich Stürme schneller bewegen, was die lokale Dauer verkürzt. Dies stimmt mit den Projektionen stärkerer Winterstürme überein, wobei der jahreszeitliche Zyklus der Sturmzugintensität an Amplitude zunimmt (O’Gorman, 2010), und mit den sommerlichen AA-Effekten in Europa, d. h. einer insgesamt schwächer werdenden Zirkulation (Coumou et al., 2015; Francis & Vavrus, 2012; Overland et al., 2015).

Diskussion und Schlussfolgerung

Unsere Studie basiert auf Metriken, die aus dem Ansatz der Unwettervorhersage stammen – einer “inhaltsstoffbasierten Methodik”. Dieser Ansatz bietet eine ganzheitliche Betrachtung von Starkniederschlagsveränderungen, die hilft, die zugrundeliegenden Prozesse zu erklären, was für die Beurteilung der Zuverlässigkeit der Prognosen wichtig ist. Er unterstreicht auch die Bedeutung der Betrachtung von Ereignisakkumulationen anstelle von Niederschlagsraten. Unsere Ergebnisse der CPM-Projektionen deuten auf eine erhebliche zukünftige Zunahme der stündlichen Niederschlagsextreme in ganz Europa hin. Wir stellen fest, dass der Klimawandel bis zum Jahr 2100 die Anzahl der Sturmsysteme mit hoher Feuchtigkeit und höherer vertikaler Geschwindigkeit signifikant erhöhen wird; die Haupttreiber für hohe Niederschlagsraten. Wichtig für die Auswirkungen von Überschwemmungen ist, dass wir eine beträchtliche Zunahme der Anzahl von langsam ziehenden Stürmen feststellen, die zu hohen stündlichen und 3-stündlichen Niederschlagsmengen führen. Außerdem nehmen diese Systeme über Land stärker zu als über dem Meer.

Die erhöhte Häufigkeit von SEPP-Fällen scheint mit der saisonalen Abschwächung des Jetstreams aufgrund von AA zusammenzuhängen, die sich mit dem Zeitpunkt häufiger Sturmsysteme mit hoher Niederschlagsmenge (d. h. hoher EPP) in Europa überschneidet. Es ist bekannt, dass synoptisch-skalige, mäandrierende Muster, die mit AA verbunden sind, zu hartnäckigeren Wettersystemen in den mittleren Breiten, einschließlich Europa, führen, insbesondere im Herbst (Francis & Vavrus, 2015). Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es ähnliche Auswirkungen von AA auf mesoskalige Systeme mit kürzeren Zeitskalen, wie z. B. konvektive Stürme, geben wird.

Änderungen in der Dauer von Starkniederschlagsereignissen, mit der langsameren Bewegung von MCSs, zeigen teilweise, warum die CC-Skalierung (∼7% pro °C Anstieg des Extremniederschlags) für die Diagnose zukünftiger Niederschlagsextreme mit kurzer Dauer nicht allgemeingültig sein könnte (Lenderink & van Meijgaard, 2008), aufgrund möglicher zusätzlicher Beiträge von nicht-thermodynamischen Faktoren, wie auch gezeigt wurde (Pfahl et al., 2017) für tägliche Akkumulationen. Wir spekulieren, dass es in Zukunft eine Abnahme der Niederschlagseffizienz geben wird, aufgrund geringerer EPP- und SEPP-Korrelationen mit hohen stündlichen Niederschlagsraten, insbesondere im europäischen Sommer. Dieser Befund steht im Einklang mit der Erwartung einer Verlagerung des Subtropengürtels nach Norden, wodurch der Mittelmeerraum in der warmen Jahreszeit weiter austrocknet (Kröner et al., 2017).

Wir erwarten einen Mehrwert von CPMs für viele der in dieser Studie verwendeten Metriken. Die vertikale Geschwindigkeitskomponente ist viel realistischer, da Konvektion in CPMs explizit dargestellt wird (Prein et al., 2015, 2021). Auch die Verteilung der Feuchtigkeit in der Tiefe wird in CPMs besser dargestellt, was vor allem über Gebieten mit komplexen topografischen Merkmalen wichtig ist, die zu lokal veränderten Winden führen und die Feuchtigkeitsadvektion beeinflussen (z. B. Demirtaş, 2016; Tan et al., 2020). Auch der Bewegungsvektor des Sturms kann mit verbesserten Windfeldern besser erfasst werden, zumindest in der unteren Troposphäre (z. B. Kann et al., 2015).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Studie eine neuartige Methode verwendet, um Veränderungen der Bestandteile von Starkniederschlägen zu untersuchen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Stürme eine höhere Spitzenintensität und eine längere Dauer haben werden und in ganz Europa häufiger auftreten werden. Die derzeitigen Stürme produzieren bereits eine große Anzahl von Sturzfluten, wobei deren potenzielle Auswirkungen von der Landnutzung, der Geländeneigung, der Entwässerung und anderen Faktoren abhängen. Eine Zunahme des SEPP würde dieses Sturzflutpotenzial deutlich erhöhen, da ein MCS mit größerer Wahrscheinlichkeit an einem Ort “stagniert” und diesen extremen Niederschlägen von längerer Dauer aussetzt. Zusätzlich ist die Bewegung des Sturmsystems mit Winden in der oberen Ebene und somit mit großräumiger Dynamik verbunden. Dies kann das Hochwasserrisiko durch aufeinanderfolgende Ereignisse in einer günstigen synoptischen Umgebung, die sich über Tage oder mehr erstrecken, erhöhen; die Blockierung wird auch durch großräumige Mäandermuster begünstigt, die mit langsameren Strömungen verbunden sind. Das Verständnis der zugrundeliegenden Komponenten für die Veränderung von Starkniederschlägen ist aus der Perspektive der Auswirkungen von entscheidender Bedeutung und hilft dabei, steuernde Faktoren zu unterscheiden, die eine breitere Anwendbarkeit als die für eine einzelne Akkumulationsperiode haben, und die Zuverlässigkeit der prognostizierten Veränderungen zu identifizieren. Dies legt nahe, dass sich zukünftige Studien auf Niederschlagsakkumulationen über Raum und Zeit konzentrieren sollten.

Danksagungen

Diese Arbeit wird durch das FUTURE-STORMS-Projekt (NE/R01079X/1) unterstützt. EJK bedankt sich für die Förderung durch die EU im Rahmen des H2020-Projekts European Climate Prediction System (EUCP; Grant agreement: 776613) und des Joint UK BEIS/Defra MOHC Climate Programme (GA01101). HJF wird durch den European Research Council Grant, INTENSE (ERC-2013-CoG-617329), und die Wolfson Foundation und die Royal Society als Royal Society Wolfson Research Merit Award holder (grant: WM140025) gefördert.

Interessenkonflikt

Die Autoren deklarieren keine für diese Studie relevanten Interessenkonflikte.

Quellen/Original/Links:
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020GL092361

Übersetzung:
https://www.deepl.com/de/translator

Atmosphärenwissenschaftler
Abdullah Kahraman

Abdullah Kahraman

Abdullah Kahraman ist Atmosphärenwissenschaftler mit Schwerpunkt mesoskalige Meteorologie und verfügt über einen Hintergrund, der Forschung, Lehre, Betrieb und Verwaltung umfasst. In seinem Studium beschäftigte er sich mit Klimatologien und der Vorhersagbarkeit von schweren konvektiven Stürmen mit relevanten Gefahrenphänomenen. An der Universität Newcastle arbeitet er an einem Problem des Klimawandels mit hoher(re) Unsicherheit: Das Schicksal von… Weiterlesen »Abdullah Kahraman