Starkregen – physikalische Grundlagen

In einer wärmeren Welt ist häufiger mit Starkregen zu rechnen – das legt bereits die Physik nahe. Wärmere Ozeane verdunsten mehr Wasser, und wärmere Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen. Laut der Clausius-Clapeyron-Beziehung steigt die Wasserdampfkapazität der Atmosphäre pro Grad Celsius um etwa 7 Prozent. Diese zusätzliche Feuchtigkeit kann sich in intensiveren Niederschlägen entladen.

Mehr Starkregen durch steigende Temperaturen

Klimamodelle und Beobachtungsdaten bestätigen im Grundsatz diesen Zusammenhang: Mit steigender globaler Temperatur nehmen Häufigkeit und Intensität von Starkregenereignissen zu. Doch das Wettergeschehen ist komplex. Es lässt sich nicht allein durch Temperatur und Luftfeuchte erklären, sondern ist stark geprägt von dynamischen Prozessen in der Atmosphäre – von lokalen Windsystemen bis zu großräumigen Zirkulationsmustern. Diese greifen ineinander, verändern sich schnell und können sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Solche Prozesse erschweren besonders die Vorhersage kurzfristiger Extremereignisse wie Starkregen.

Die Grenzen der Computermodelle

Um diese Entwicklungen besser zu verstehen, setzen Forschende auf computergestützte Klimamodelle. Doch auch diese stoßen an Grenzen – vor allem bei kleinskaligen, kurzlebigen Phänomenen wie Gewittern, die stark von Konvektion geprägt sind. Globale Modelle verfügen meist nur über eine Auflösung von 10 × 10 Kilometern oder gröber – ausreichend für Temperaturtrends, aber zu grob, um Gewitterzellen oder lokale Effekte wie Gebirge realistisch zu erfassen. Detailliertere, hochaufgelöste Modelle könnten das zwar leisten, sind jedoch so rechenintensiv, dass sie für Langfristprojektionen kaum einsetzbar sind.

Historische Daten helfen, Prognosen zu erstellen

Einen ergänzenden Zugang bieten Beobachtungsdaten: Durch die Auswertung historischer Wetteraufzeichnungen lassen sich Veränderungen in Regenmengen mit Temperaturtrends in Beziehung setzen – und Klimamodelle damit überprüfen.

Ob Starkregen tatsächlich stärker zunimmt, als es die Clausius-Clapeyron-Beziehung erwarten lässt, ist allerdings umstritten. Frühere Modelle ließen auf eine überproportionale Zunahme starker Gewitter schließen. Neuere Studien, die auf Beobachtungsdaten beruhen, zeichnen ein differenzierteres Bild: Große Unwetterfronten bestehen aus einer Mischung aus konvektiven Gewitterzellen – die intensiven Regen bringen – und nicht-konvektiven (stratiformen) Bereichen mit weniger heftigem Niederschlag. Es zeichnet sich ab, dass der konvektive Anteil mit steigender Temperatur zunimmt. Damit steigt letztlich die Starkregenintensität im Gesamtsystem, was sich mit der höheren Luftfeuchte in einer wärmeren Atmosphäre erklären lässt: Sie liefert den Gewittern mehr Energie.

Regenwolken verweilen häufiger über einer Region

Ein weiterer Aspekt ist die Veränderung großräumiger Wetterdynamik: So zeigen Studien, dass sich die ostwärtige Verlagerung von Tiefdruckgebieten verlangsamt. Wettersysteme verweilen häufiger über längere Zeit in einer Region – was Extremwetter wie langanhaltenden Starkregen oder Trockenphasen wahrscheinlicher macht. Verantwortlich ist unter anderem die überproportionale Erwärmung der Arktis, die den Temperaturkontrast zwischen hohen und niedrigen Breitengraden abschwächt – und damit den Jetstream. Ein schwächerer Temperaturunterschied führt zu einem mäandrierenden Jetstream mit größeren Ausbuchtungen nach Norden oder Süden, was stationäre Wetterlagen begünstigt.

Forschungsbedarf besteht weiterhin

Klar ist: Es besteht weiterhin erheblicher Forschungsbedarf, insbesondere bei der Abschätzung, wie sich Häufigkeit und Intensität von Gewittern im Zuge des Klimawandels entwickeln werden. Wer selbst einen Blick in die mögliche klimatische Zukunft werfen möchte, kann dies beispielsweise im Climate Impact Explorer tun: Er bietet eine interaktive Visualisierung verschiedener klimatischer Parameter, darunter auch den prognostizierten maximalen Niederschlag innerhalb eines Tages für verschiedene Klimapfade (z.B. bei zwei Grad oder 3,5 Grad Celsius Erwärmung). Die folgende Abbildung zeigt den aus mehreren Klimamodellen berechneten maximalen Tages-Niederschlag für das Jahr 2100 relativ zum Zeitraum 1995 bis 2014. Über Deutschland ist eine Zunahme der entsprechenden Niederschlagsmenge von bis zu 20 Prozent zu erkennen. Kleinskalige Strukturen und Gebirgszüge können hier allerdings nicht aufgelöst werden. Die vielen schraffierten Flächen zeigen an, das die Modellunsicherheit weiterhin sehr groß ist. Eine andere Modellgruppe („CORDEX-Europe“) mit besserer geografischer Auflösung zeigt für das gleiche Szenario keine einheitlichen Trends, was die immer noch bestehenden Unsicherheiten der Klimavorhersage unterstreicht.