Einführung

In den vergangenen Jahren haben Schäden durch Hagelschlag in Mitteleuropa erheblich zugenommen. In Baden-Württemberg beispielsweise sind mittlerweile über 40% der Schadensummen infolge von Elementarereignissen mit Hagel verbunden (Kunz und Puskeiler, 2010). Dabei stellt sich die Frage, inwieweit die Zunahme der Hagelschäden neben Änderungen der Vulnerabilität (Verletzbarkeit) durch den anthropogen bedingten Klimawandel bestimmt ist.

Trends der atmosphärischen Bedingungen aus Messdaten

Gewitterstürme sind aufgrund ihrer lokal-skaligen Ausdehnung und dem Mangel an geeigneten Beobachtungssystemen nicht vollständig oder nicht lange genug erfasst, um daraus Aussagen über Trends ableiten zu können. Für die Entstehung von Gewittern sind aber bestimmte atmosphärische Bedingungen notwendig, die als Proxydaten (indirekte Klimadaten) beispielsweise aus Radiosondenmessungen oder regionalen Klimamodellen abgeleitet werden können. Im Gegensatz zu Gewitterbeobachtungen sind Proxydaten wie Gewitterindizes oder Großwetterlagen einheitlich über einen längeren Zeitraum verfügbar und können für lange Zeitreihen (≥ 30 Jahre) statistisch ausgewertet werden. Durch einen statistischen Vergleich von Hagelschäden aus Versicherungsdaten (SV SparkassenVersicherung Holding AG) mit Proxydaten konnten zunächst einzelnen hagelrelevante Indizes und Großwetterlagen für Baden-Württemberg bestimmt werden. Diese Daten spiegeln das Potential der Atmosphäre für hochreichende Konvektion wider und lassen keine direkten Aussagen über die tatsächliche Entstehung von Gewitterstürmen zu.

Mit Hilfe von Trendanalysen und Signifikanztests  wurden  langjährigen Zeitreihen hagelrelevanter Konvektionsindizes (KI) für Deutschland und Mitteleuropa untersucht, um die Änderung des Konvektionspotentials in der Vergangenheit über einen Zeitraum von 30-50 Jahren zu bestimmen. Die meisten der KI, die vor allem bodennahe Temperatur- und Feuchtewerte berücksichtigen, zeigen eine Zunahme der Konvektionsbereitschaft in den letzten 30 Jahren - insbesondere in Deutschland, aber auch in vielen Teilen Mitteleuropas. Eine (meistens nicht-signifikante) Trendabnahme geht nur mit KI einher, die primär Parameter in höheren Schichten der Atmosphäre berücksichtigen. Insbesondere die Feuchtmessungen in der höheren Atmosphäre sind allerdings erheblich durch Inhomogenitäten in den Zeitreihen beispielsweise aufgrund von Instrumentenwechseln beeinflusst, die zu einem negativen Trend in der Stabilität führen. Die Untersuchung der räumlichen Verteilung des Gewitterpotentials als Klimatologie sowie der Trends  zeigt über Europa und Deutschland einen deutlichen Nord-Süd-Gradient und einen weniger markanten West-Ost-Gradient, die durch die klimatischen  Bedingungen geprägt werden (Mohr und Kunz, 2013).

Abb.:  Linearer  Trend des 90% (10%) Perzentils verschiedener Indizes (1978-2009). Rot (Blau) bedeutet eine  Zunahme (Abnahme) des Gewitterpotentials im Umkreis von 100km um die jeweilige Radiosondenstation.
 

Gewitter-/Hagelpotential in Klimamodellen

Um in Deutschland Änderungen des Gewitter- bzw. Hagelpotential in der nahen Zukunft statistisch zu analysieren, wurden Simulationsergebnisse verschieden­er hochaufgelöster re­gio­naler Klimamodelle (RCM) statistisch ausgewertet. Einige der Klimarechnungen wurden direkt am IMK von der Arbeitsgruppe "Regionales Klima und Wasserkreislauf" im Rahmen des  CEDIM -Projekts "Klimawandel und Hochwasserrisiko " durchgeführt.

Verschiedene statistische Analysen belegen, dass RCMs mit einer räumlichen Auf­lösung von rund 10 km durchaus in der Lage sind, das konvektive Verhalten in der Atmosphäre wiederzugegeben. Allerdings werden hohe thermische Instabilitäten (insbesondere über dem Norden Deutschlands) von allen Modellen unterschätzt. Mit Reanalysedaten (ERA-40) angetriebene RCMs zeigen – wie schon die Radiosonden­daten – eine Zu­nahme des Gewitterpotentials zwischen 1971 und 2000. Grund hierfür ist vor allem die Zunahme der Feuchte in den bodennahen Atmosphärenschichten. Erste Analysen  der zukünftigen Stabilitätsänderungen zeigen dagegen keine einheitlichen Ergebnisse.

Ein ähnliches Bild ergibt sich auch bei den Großwetterlagen, die sowohl aus Reanalysen als auch aus verschiedenen Realisierungen regionaler Klimamodelle bestimmt wurden. Dabei fallen vier der insgesamt 40 verschiedenen Großwetterlagen nach der objektiven Klassifizierung der Deutschen Wetterdienstes mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für schadenrelevante Hagelereignisse zusammen. Diese vier Wetterlagen haben im Zeitraum 1971 bis 2000 zwar nur leicht, aber statistisch signifikant zugenommen. Für die Zukunft (2010 bis 2050) zeigen die Modelldaten nur eine geringe Zunahme dieser Wetterlagen – die jedoch stark vom betrachteten Zeitraum abhängig ist (Kapsch und Kunz, 2012).

Abb.: Zeitreihe von hagelrelevanten Großwetterlagen nach der objektiven Wetterlagenklassifikation des Deutschen Wetterdienstes (DWD) als Mittelwert (schwarz) und Standardabweichung (grau) aus sieben verschiedenen regionalen Klimamodellen (Kapsch, 2011).

Gewitter-/Hagelmodell

Um weitere für die Entstehung von Hagelereignisse relevante Faktoren zu berücksichtigen, wurde mit Hilfe eines multivariaten Analyseverfahrens ein logistisches Hagelmodell entwickelt, wodurch sich eine verbesserte Diagnostik von Hagelereignissen ergibt. Dieses mathematische Modell beruht auf einer Kombination ausgewählter meteorologischer Parameter (Konvektionsparameter, Feuchtegehalt, etc.) und synoptischer Wetterlagen. Das Ergebnis des Modells ist ein neuer Index, der das Potential der Atmosphäre für die Entstehung von Hagel beschreibt, und daher als potentieller Hagelindex (PHI) bezeichnet wird. Für Deutschland zeigt das logistische Hagelmodell in der Vergangenheit einen deutlichen Nord--Süd--Gradienten mit der größten Anzahl an potentiellen Hageltagen im Süden. Angewendet auf ein Ensemble aus sieben regionalen Klimasimulationen wird deutlich, dass das Potential für Hagelereignisse in der Zukunft leicht zunehmen wird. Dies betrifft insbesondere den Nordwesten und südlichen Teil Süddeutschlands.

Abb.: Zusammenfassende Darstellung für die Änderung des PHI zwischen PRO und C20 anhand eines Ensembles aus sieben Klimasimulationen: (a) Anzahl der Läufe, die eine Zunahme zeigen, (b) nur Zu- oder Abnahme, wobei rot bedeutet, dass 5 bis 7 Modelle eine Zunahme bzw. 0 bis 2 Modelle eine Abnahme zeigen (blau invers), (c) wie (b), wobei nur Änderungen gezählt werden, die größer als 0,5 des jeweiligen Laufs sind und (d) wie (b), wobei nur Änderungen gezählt werden, die größer als 1 sind.
 

Kooperationen

Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM)
Deutscher Wetterdienst (DWD)
Helmholtz-Verbund Regionale Klimaänderungen (REKLIM)
Stiftung Umwelt und Schadenvorsorge, Stuttgart
SV Sparkassenversicherung, Stuttgart
Willis Research Network (WRN), London
 

Publikationen

Brombach, J., 2010: Analyse der räumlichen Variabilität der Konvektionsbedingungen aus hoch-aufgelösten Reanalysedaten. Seminararbeit, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Ehmann, C., 2010: Hagelereignisse über Baden-Württemberg: Ursachen, Vorhersage, Auswirkungen. Seminararbeit, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Kapsch, M., 2011: Longterm variability of hail-related weather types in an ensemble of regional climate models. Diplomarbeit, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Kapsch, M. L., M. Kunz, R. Vitolo, und T. Economou, 2012: Long–term variability of hail–related weather types in an ensemble of regional climate models. J. Geophys. Res., 117, D15 107.

Kunz, M., 2007: The skill of convective parameters and indices to predict isolated and severe thunderstorms, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 7, 327-342.

Kunz, M., J. Sander und Ch. Kottmeier, 2009: Recent trends of thunderstorm and hailstorm frequency and their relation to atmospheric characteristics in southwest Germany. Int. J. Climatol. 29, 2283-2297.

Kunz, M. und M. Puskeiler, 2010: High–resolution assessment of the hail hazard over complex terrain from radar and insurance data. Meteor. Z., 19, 427–439.

Mohr, S. und Kunz, M., 2013: Recent trends and variabilities of convective parameters relevant for hail events in Germany and Europe. Atmos. Res., 123, 211–228.

Mohr, S., 2013: Änderung des Gewitter- und Hagelpotentials im Klimawandel. Wissenschaftliche Berichte des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie, Band 58, Karlsruhe, Deutschland (ISBN 978-3-86644-994-7).

Mohr, S., Kunz, M. and Keuler, K. (2015): Development and Application of a Logistic Model to Estimate the Past and Future Hail Potential in Germany. J. Geophys. Res. Atmos..

Mohr, S., M. Kunz, and B. Geyer (2015): Hail potential in Europe based on a regional climate model hindcast. Geophys. Res. Lett., 42, 10904-10912.