8. Winde und Zyklonen

Deutschland ist im gegenwärtigen Klima durch regional unterschiedliche Windgeschwindigkeiten geprägt. Im klimatologischen Mittel ist der Wind im küstennahen Bereich am stärksten. Mit zunehmendem Abstand von der Küste ist ein deutlicher Rückgang der mittleren Windgeschwindigkeit zu verzeichnen. Ausnahmen bilden die höheren Lagen wie z. B. der Nordrand der Alpen oder die Mittelgebirge, wo im Durchschnitt höhere Windgeschwindigkeiten auftreten. Im Gegensatz dazu herrschen in Tallagen – etwa im Rheintal – niedrigere mittlere Windgeschwindigkeiten vor.

Die Böengeschwindigkeiten zeigen ein ähnliches Muster wie der mittlere Wind, mit hohen Werten über dem Meer und einer Abnahme landeinwärts (Abb. 8.1). In Tallagen sind die Böengeschwindigkeiten besonders niedrig, so z. B. im Rhein- oder Donautal. Eine besonders heterogene Verteilung der Wind- und Böengeschwindigkeit ist in Gebieten mit komplexen Höhenstrukturen zu finden, etwa im Schwarzwald.

Die Windverteilungen in Deutschland, speziell das Nord-Süd-Gefälle der Wind- und Böengeschwindigkeiten, sind entscheidend von der Stärke und den Zugbahnen der vom Nordatlantik kommenden Zyklonen geprägt (Abb. 8.2). Während eine große Anzahl von ihnen über den Bereich der Nordsee zieht und damit für starke Windverhältnisse in den Küstenregionen sorgt, wird der Süden Deutschlands seltener von starken Zyklonen getroffen.

Da die storm tracks stark von den Temperaturverteilungen im Nordatlantikbereich abhängen, ist zu erwarten, dass der Klimawandel zu einer Veränderung der storm tracks und somit der Zyklonenaktivität führt und sich damit die Windverhältnisse über Deutschland ändern. Studien zu historischen Trends dieser Aktivität liefern jedoch unterschiedliche Aussagen (für eine Literaturübersicht s. Ulbrich et al. 2009 oder Feser et al. 2015). Die meisten Studien, die auf Reanalysen für die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts beruhen, zeigen eine generelle Zunahme der nordatlantischen storm track-Aktivität (Chang und Fu 2002; Hu et al. 2004). In einigen Studien wird für längere Zeiträume eine Zunahme der Zyklonenanzahl über dem Nordatlantik identifiziert (z. B. Wang et al. 2009, 2011; Schneidereit et al. 2007), während Hanna et al. (2008) und Lambert (2004) einen Rückgang feststellen. Für Europa wiederum ergeben sich sehr heterogene Trends in Bezug auf die beobachtete Anzahl an Zyklonen: So fand Trigo (2006) für den Zeitraum von 1958 bis 2002 eine Zunahme der Zyklonenanzahl über Nordeuropa, aber eine Abnahme über Mittel- und Südeuropa heraus. Einen generellen Anstieg der Anzahl von starken Zyklonen über dem östlichen Nordatlantik und der südlichen Nordsee seit 1958 haben Weisse et al. (2005) gefunden. Dieser Trend hat sich jedoch gegen Ende des 20. Jahrhunderts über der Nordsee stark abgeschwächt und über dem Nordatlantik sogar umgekehrt. Bestätigt werden diese Ergebnisse von Druckmessungen an Stationen (Schmidt und von Storch 1993). Diese Stationsmessungen ermöglichen ebenfalls eine Abschätzung des großskaligen Windes und haben den Vorteil, dass sie viel weiter in die Vergangenheit reichen als Reanalysen. Alexandersson et al. (2000) konnten zeigen, dass der positive Trend seit den 1950er-Jahren und die Abschwächung zum Ende des 20. Jahrhunderts auch in den Stationsdaten vorhanden sind. Die Betrachtung eines weitaus länger zurückreichenden Zeitraums in den Stationsmessungen weist allerdings auch darauf hin, dass diese Schwankungen innerhalb der natürlichen Variabilität des Sturmklimas liegen.

Feser et al. (2015) haben die Ergebnisse von Studien zusammengefasst, die sich ausschließlich mit Stürmen über dem Nordatlantik und Europa befassen, und sind zu folgendem Schluss gekommen: Während Studien, die auf Daten aus Stationsmessungen basieren, für Mitteluropa und die Nordsee häufig eine Abnahme der Sturmaktivität im 20. Jahrhundert zeigen, weisen Reanalysen auf keinen oder einen positiven Trend hin. Der aktuelle Fünfte Sachstandsbericht des Weltklimarates (IPCC AR5) wiederum weist auf einen Trend zu mehr und intensiveren Zyklonen über dem Nordatlantik in Reanalysen der vergangenen 60 Jahre hin (Hartmann et al. 2013). Ein Grund für diese teils widersprüchlichen Aussagen liegt in den unterschiedlichen Verfahrensweisen, die bei diesen Studien verwendet werden. Wichtige Faktoren sind dabei die verschiedenen Verfahren zur Quantifizierung der Zyklonenaktivität und unterschiedliche Datensätze (Raible et al. 2008; Neu et al. 2013). Ein weiteres Problem liegt in dem begrenzten Zeitraum von ungefähr 50 Jahren, für den flächendeckende Beobachtungen vorliegen. So ist es schwierig festzustellen, ob eine beobachtete Änderung in diesem Zeitraum einem langzeitlichen Trend entspricht oder auf Zeitskalen von einzelnen oder mehreren Dekaden innerhalb der natürlichen Variabilität liegt, die für die Zyklonenaktivität sehr ausgeprägt ist (Donat et al. 2011b; Krueger et al. 2013; Wang et al. 2011). Die geringere Dichte von Beobachtungsdaten vor den 1960er-Jahren trägt zusätzlich zu diesen Unsicherheiten bei. Wie oben erwähnt, sind jedoch sehr lange Beobachtungsreihen erforderlich, um verlässliche Aussagen über die tatsächliche Veränderung des Sturmklimas über Deutschland treffen zu können (Bärring und von Storch 2004; Matulla et al. 2008). Entsprechend kann für Deutschland ebenfalls kein klarer Trend der Zyklonenaktivität gefunden werden, da auch hier die zwischenjährlichen und dekadischen Schwankungen weitaus stärker sind als ein möglicher langzeitlicher Trend.

Die oben genannten Schlussfolgerungen bezüglich der Unsicherheit der beobachteten Zyklonenaktivität innerhalb der letzten Jahrzehnte gelten auch für die beobachteten Windverhältnisse über Europa und Deutschland (IPCC AR5; Hartmann et al. 2013). Wang et al. (2011) z. B. zeigen für die Nordsee und die Alpen eine Zunahme für das Auftreten starker Winde bis Ende des 20. Jahrhunderts. Allerdings hat sich dieser positive Trend über der Nordsee seit Mitte der 1990er-Jahre abgeschwächt. Insgesamt ist somit für Deutschland in Bezug auf Zyklonen und Winde kein eindeutiger historischer Langzeittrend zu finden (Hofherr und Kunz 2010). Dies steht im Einklang mit Studien, die sich mit dem Windstauklima über der Nordsee – also der Veränderung des Wasserspiegels durch Windeinfluss – und den damit verbundenen Sturmfluten befassen (Kap. 9). Auch das Windstauklima zeigt ausgeprägte dekadische Schwankungen, aber keinen erkennbaren historischen Trend.

Das World Climate Research-Programm hat die sogenannten Coupled Model Intercomparison-Projekte (CMIP) ins Leben gerufen, um eine umfassende Evaluierung von verschiedenen Klimamodellen und Klimamodellprojektionen zu ermöglichen. Eine Vielzahl von Modellen der beiden aktuellsten CMIP-Projekte (CMIP3 und CMIP5) simulieren im Mittel für die Nordhemisphäre eine Nordverschiebung der Zyklonenzugbahnen bzw. storm tracks bis Ende des 21. Jahrhunderts (Yin 2005; Gastineau und Soden 2009; Harvey et al. 2012). Des Weiteren herrscht eine gute Übereinstimmung bezüglich einer generellen Abnahme der Anzahl aller Zyklonen im globalen Mittel. Große Unsicherheiten gibt es hingegen im Hinblick auf mögliche regionale Änderungen der Zyklonenaktivität (Ulbrich et al. 2008, 2009) sowie den damit verbundenen zukünftigen Trends der regionalen Charakteristika von Windböen und Böen. Diese Unsicherheiten basieren hauptsächlich auf einer von Klimamodellen unterschiedlich projizierten Veränderung der Temperaturgradienten zwischen den Subtropen und der Polarregion in der oberen und unteren Troposphäre, also jenem Teil der Atmosphäre, der je nach Klimazone bis in eine Höhe von ungefähr 8–15 km reicht (Harvey et al. 2014). Zusätzlich beeinflussen lokale, nur schwer vorhersagbare Prozesse die regionale Änderung der storm-track-Aktivität (IPCC AR5, Kirtman et al. 2013). In einigen Studien wird beispielsweise ein Einfluss des Meereisrückgangs auf die Zyklonenaktivität nachgewiesen (Bader et al. 2011; Deser et al. 2010). Für Zyklonen über dem Nordatlantik spielen vermutlich Änderungen in der Ozeanzirkulation eine wichtige Rolle, die in den verschiedenen Klimamodellen teils sehr unterschiedlich wiedergegeben werden (Woollings et al. 2012).

Einige Klimaprojektionen anhand des Ensembles aus dem Programm CMIP3 deuten auf eine Ausdehnung des nordatlantischen storm tracks nach Osten hin und damit auf eine Verschiebung der Zyklonenzugbahnen in Richtung Europa (Bengtsson et al. 2006, 2009; Catto et al. 2011; Pinto et al. 2007b; Ulbrich et al. 2008). Auch in CMIP5-Modellen zeigt sich eine solche Verschiebung Richtung Europa, die hier jedoch schwächer ausgeprägt ist (Harvey et al. 2012; Zappa et al. 2013). Des Weiteren ist anzunehmen, dass es in einer wärmeren Atmosphäre aufgrund von mehr verfügbarer latenter Wärme, die beim Phasenübergang von Wasserdampf zu Flüssigwasser frei wird, zu besseren Wachstumsbedingungen für starke Zyklonen kommen kann und somit zu potenziell stärkeren Stürmen (Pinto et al. 2009; Fink et al. 2012). Eine deutliche Erhöhung der Sturmaktivität über Westeuropa wäre die Folge (Pinto et al. 2009; Donat et al. 2010; McDonald 2011). Dies stimmt mit kürzeren Wiederkehrperioden von starken Zyklonen über der Nordsee und Westeuropa bis zum Jahr 2100 überein, wie sie Della-Marta und Pinto (2009) gefunden haben. Insgesamt zeigt der größte Teil der Studien, die sich mit der Sturmaktivität befassen, eine Zunahme der Anzahl von Stürmen über Mitteleuropa und der Nordsee bis zum Ende des 21. Jahrhunderts (für eine Literaturübersicht s. Feser et al. 2015).

Die meisten Studien und Modelle stimmen darin überein, dass es durch die Zunahme starker Zyklonen insgesamt zu einem häufigeren Auftreten von Starkwindereignissen kommt. Dies wurde sowohl in globalen als auch regionalen Modellen mit Fokus auf Deutschland festgestellt. So simulieren einige globale CMIP3-Klimamodelle für das Ende des 21. Jahrhunderts stärkere maximale tägliche Windgeschwindigkeiten über Nordwesteuropa, der Nordsee und Deutschland (Pinto et al. 2007a; Donat et al. 2010) oder auch mehr Starkwindereignisse über Nordeuropa (Gastineau und Soden 2009). Studien auf Basis von CMIP5-Klimamodellen kommen zu dem Schluss, dass die Anzahl von Starkwindereignissen im Zusammenhang mit Zyklonen über Mitteleuropa steigen kann (Zappa et al. 2013). Auf der regionalen Skala gibt es einige übereinstimmende Ergebnisse vor allem für den nördlichen Bereich Zentraleuropas (Beniston et al. 2007; Rockel und Woth 2007; Fink et al. 2009; Hueging et al. 2013). So identifizieren Rockel und Woth (2007) anhand eines Ensembles von Regionalmodellen für den Zeitraum 2071–2100 eine Zunahme der täglichen maximalen Windgeschwindigkeiten in Mitteleuropa im Winter, während im Herbst eine Abnahme festzustellen ist. Ein negativer Trend bis zum Ende des 21. Jahrhunderts für die höchsten Wind- bzw. Böengeschwindigkeiten über Deutschland findet sich in verschiedenen hoch aufgelösten Modellen auch für den Sommer (Bengtsson et al. 2009; Hueging et al. 2013; Walter et al. 2006). Der Fünfte Sachstandsbericht des IPCC kommt zu der Schlussfolgerung, dass es bis zum Ende des 21. Jahrhunderts im Winter zu einer leichten Zunahme von Starkwinden über Nord- und Mitteleuropa kommen wird, während keine verlässlichen Trends für andere Jahreszeiten und Regionen gefunden werden (Kovats et al. 2014). Folglich wird in den meisten Klimamodellen für Nord- und Mitteleuropa eine Zunahme des Windes und somit des Windenergieertrags im Winter erwartet (Hueging et al. 2013), wobei sich die Stärke dieser Zunahme in den verschiedenen Klimamodellen deutlich unterscheiden kann (Reyers et al. 2016). Die Projektionen für den jährlichen Windenergieertrag über Deutschland variieren hingegen je nach Modell zwischen einer Ab- und Zunahme von bis zu 10 % (Tobin et al. 2015). Für Deutschland zeigen die meisten Regionalisierungen insgesamt einen generellen Anstieg der Böengeschwindigkeit im Norden und Nordwesten sowie an der Nord- und Ostseeküste (Walter et al. 2006; Rauthe et al. 2010). Speziell für Nordrhein-Westfalen zeigt sich ein deutlicher Anstieg der Böengeschwindigkeit zum Ende des 21. Jahrhunderts (Pinto et al. 2010).

Ein besonderer Fokus wird auf eine Studie von Rauthe et al. (2010) gelegt, da in dieser Untersuchung Ergebnisse von sieben verschiedenen regionalen Klimamodellen für die Projektion von Böengeschwindigkeiten berücksichtigt werden und nicht nur von einzelnen Modellen wie in der Mehrzahl anderer Studien. Dabei zeigt das Mittel über alle sieben Modelle (Ensemblemittel) eine Zunahme bis 2050 von bis zu 7 % für Böen mit einer Wiederkehrperiode von 10 Jahren über Teilen Nordrhein-Westfalens und Niedersachsens (Abb. 8.3a). Zusätzlich stimmen für diesen Bereich nahezu alle Modelle dahingehend überein, dass es generell zu einer Zunahme starker Böen kommt (Abb. 8.3b). Große Übereinstimmung zwischen den Modellen findet sich außerdem für den Norden Baden-Württembergs, wo bis zu sieben Modelle eine Abnahme simulieren (Abb. 8.3b), die im Ensemblemittel mehr als −6 % betragen kann (Abb. 8.3a). Für andere Bereiche Deutschlands sind die Ergebnisse hingegen nicht eindeutig. So projiziert das Ensemblemittel z. B. für Schleswig-Holstein einen Anstieg starker Böen um 2–6 % (Abb. 8.3a), jedoch simulieren teilweise nur vier von sieben Modellen eine generelle Zunahme (Abb. 8.3b). Insgesamt lässt sich schlussfolgern, dass abgesehen von einigen wenigen Bereichen in Deutschland bezüglich der möglichen zukünftigen Zu- oder Abnahme von starken Böen Unsicherheit zwischen den einzelnen Modellen herrscht.

Die projizierte Zunahme von Starkwindereignissen und Böengeschwindigkeiten, vor allem im Winter, hätte einen Anstieg der potenziellen Gebäudeschäden im Zusammenhang mit Winterstürmen über Mitteleuropa zur Folge, mit starken Auswirkungen für Deutschland (Schwierz et al. 2010; Donat et al. 2011a; Pinto et al. 2012; Held et al. 2013). Für eine detaillierte Analyse der ökonomischen Auswirkungen des Klimawandels sei hier auf Kap. 25 verwiesen.

In Beobachtungen der vergangenen Jahrzehnte und in Klimaprojektionen für das zukünftige Klima wird eine starke zwischenjährliche Variabilität der Zyklonenaktivität über dem Nordatlantik festgestellt. Unsicherheit herrscht dagegen über einen langzeitlichen Trend der Zyklonenanzahl und -intensitäten, vor allem in Regionen des europäischen Festlands. So zeigt sich in Reanalysedaten für die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts eine ausgeprägte dekadische Variabilität der Zyklonenaktivität über dem östlichen Nordatlantik, Europa, Deutschland und der Nordsee. Druckmessungen an Stationen über Nordeuropa und Deutschland belegen eine starke derartige Variabilität sogar für einen noch längeren Zeitraum. Ein langzeitlicher Trend kann jedoch nicht verlässlich identifiziert werden. Dasselbe gilt für die Windverhältnisse über Deutschland in den vergangenen 50 Jahren.