Überblick

Bodennahe Feinstaubkonzentrationen haben nachgewiesenermaßen eine erhebliche gesundheitliche Relevanz und sind sowohl von den jeweiligen Emissionen als auch von den lokalen sowie großräumigen meteorologischen und witterungsklimatologischen Rahmenbedingungen abhängig.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die potenziellen Auswirkungen des prognostizierten zukünftigen Klimawandels auf die lokalen Feinstaubkonzentrationen zu untersuchen, um damit eine wichtige Grundlage für feinstaubrelevante Planungs- und Entscheidungsprozesse bereitzustellen.
Auf der Grundlage von rezenten Beobachtungsdaten liegen zwar Erkenntnisse zu den quantitativen Zusammenhängen zwischen lokalen meteorologischen und großskaligen zirkulationsdynamischen Parametern einerseits und lokalen Feinstaubkonzentrationen andererseits vor, eine Übertragung dieser Zusammenhänge auf die Projektionen aus Klimamodellsimulationen zur Abschätzung möglicher zukünftiger Tendenzen der Feinstaubbelastung wurde aber – insbesondere für Deutschland – bisher nicht systematisch durchgeführt.
Im Rahmen des Forschungsprojektes erfolgt daher zunächst die quantitative Verknüpfung zwischen meteorologisch-witterungsklimatologischen Einflussgrößen und lokalen Feinstaubkonzentrationen in Bayern auf der Grundlage von Beobachtungs- bzw. Reanalysedatensätzen unter Verwendung verschiedener methodischer Vorgehensweisen des sogenannten statistischen Downscalings. Nach erfolgter Validierung dieser statistischen Modelle werden ausgewählte geeignete Verfahrensansätze auf Kontroll- und Szenarienläufe verschiedener globaler Klimamodelle übertragen, um Aussagen zu möglichen klimawandelbedingten Veränderungen der Feinstaubkonzentrationen in Bayern im Verlauf des 21. Jahrhunderts abzuleiten.

1. Forschungsgegenstand und wissenschaftliche Ziele

Großflächige Starkniederschläge sind mit einer hohen Eintrittswahrscheinlichkeit hydrologischer Extremereignisse verbunden und lassen sich auf bestimmte Muster der atmosphärischen Zirkulation zurückführen.

Im Rahmen von WETRAX findet eine Untersuchung von Zirkulationsmustern statt, die in einem statistisch signifikanten Zusammenhang mit extremen Gebietsniederschlägen im Raum von Österreich und Süddeutschland stehen. Für das Zeitintervall 1951-2010 wird ein Katalog mit starkniederschlagsrelevanten Wetterlagen und Zugbahnen von Tiefdruckgebieten entworfen. Weiterhin werden zwei verschiedene Generationen globaler Klimamodelle auf ihre Eignung überprüft, diese atmosphärischen Charakteristika über Mitteleuropa reproduzieren zu können. Aus zugehörigen Klimaszenarien werden Abschätzungen über starke Gebietsniederschläge in der Zukunft abgeleitet.

Das übergeordnete Ziel von WETRAX ist also die zirkulationsbezogene Bestimmung der veränderten Eintrittswahrscheinlichkeit großflächiger Starkniederschläge im Bereich von Österreich und Süddeutschland im Zuge des Klimawandels. Daraus ergeben sich potentielle Änderungen des Hochwasserrisikos innerhalb der betrachteten Einzugsgebiete. Die erarbeiteten Ergebnisse werden eine wichtige Planungsgrundlage für die deutsche und österreichische Wasserwirtschaft bilden.

2. Durchführung und Ergebnisse der Arbeitspakete

Eine kombinierte Auswertung von großflächigen Niederschlägen, atmosphärischen Zirkulationsmustern und charakteristischen Zugbahnen von Zyklonen auf Tagesbasis stellt einen wissenschaftlichen Mehrwert gegenüber bislang durchgeführten Untersuchungen dar. Mit der Erstellung eines Katalogs hydrologisch relevanter Wetterlagen und Zugbahnen im süddeutschen und österreichischen Raum wird es möglich, Veränderungen im räumlichen und zeitlichen Auftreten von Starkniederschlägen im Klimawandel und im daraus resultierenden potentiellen Hochwasserrisiko in der Zukunft zu untersuchen und fundiert zu bewerten.

3. Allgemeine Relevanz

Durch die Emission von strahlungsaktiven Treibhausgasen findet eine anthropogene Beeinflussung des Klimasystems statt. Eine globale Erwärmung innerhalb der letzten Dekaden lässt sich eindeutig feststellen, auch wenn der anthropogene Anteil nicht exakt zu quantifizieren ist. Neben der Temperatur können aber auch weitere Klimaelemente wie z.B. der Niederschlag oder der Feuchtegehalt der Luft Veränderungen unterworfen sein. Ein höheres Temperaturniveau kann etwa zu einem höheren Feuchtegehalt der Luft führen. Dieser wiederum kann unter anderem für häufigere bzw. kräftiger ausfallende Starkniederschläge verantwortlich sein. Dabei sind jedoch insbesondere die atmosphärischen Zirkulationsverhältnisse zu berücksichtigen, die eine regional differenzierte Ausgestaltung des Klimaänderungssignals herbeizuführen vermögen. Im Kontext von Starkniederschlägen und Hochwasserereignissen sind dabei vor allem spezifische Wetterlagen (Zirkulationstypen) und Zyklonenzugbahnen sowie ihre klimawandelbedingten Veränderungen ins Zentrum der Untersuchungen zu rücken.

All diese Veränderungen besitzen weitreichende Auswirkungen, etwa auf das direkt beobachtbare Niederschlagsgeschehen und die potentiellen Hochwasserrisiken. Es sind gerade die extremen Wetter- und Klimaphänomene, zu welchen auch der Starkniederschlag gehört, die großen regionalen Unterschieden unterworfen sind und bei denen somit ein erhöhter Forschungsbedarf besteht.

4. Praxisbezogenheit und Anwendbarkeit

Der unmittelbare Zusammenhang zwischen verbreitet auftretenden Starkniederschlägen im Untersuchungsraum und einer hohen Eintrittswahrscheinlichkeit hydrologischer Extrem-ereignisse verweist auf die reale Gefährdung sowohl infrastruktureller Einrichtungen als auch von Menschenleben selbst. Die aus dem WETRAX-Projekt gewonnenen Ergebnisse sollen daher, neben ihrer Bedeutsamkeit für die Wissenschaft, als Planungsgrundlage für die politischen Entscheidungsträger und für die Wasserwirtschaft beider Länder eine praktische Anwendungsdimension finden.

5. Handlungsbedarf

Spezieller Untersuchungsbedarf besteht insbesondere bei einem markanten atmosphärischen Zirkulationsmuster, der sog. „Vb-artigen“ Wetterlage. Tiefdruckgebiete auf einer Vb-Zugbahn stehen unter anderem im Zusammenhang mit einigen der stärksten mitteleuropäischen Hochwasserereignisse der letzten Dekade, wie z.B. August 2002 oder August 2005. Das aus diesem synoptischen Vorgang resultierende verstärkte Hochwasserpotential wird auch von der Wasserwirtschaft in Österreich und Deutschland als noch nicht ausreichend untersucht angesehen. Hier besteht in besonderem Maße ein weiterer Forschungsbedarf, da wichtige Faktorenkomplexe erst unzureichend analysiert worden sind. Insbesondere ist der Zusammenhang zwischen räumlich differenziertem Niederschlag und dem daraus resultierenden Hochwasserrisiko nicht vollständig geklärt. Eine unbekannte Relevanz besteht zudem bei den von „Vb-artigen“ Ereignissen ausgelösten Intensitäten und Dauerstufen im Niederschlag. Diese ungeklärten Aspekte und die sich aufdrängende Frage nach zukünftigen Modifikationen insbesondere im Starkniederschlagsgeschehen aufgrund von klimawandelbedingten Veränderungen von Zugbahnen und Wetterlagen sollen im Rahmen des WETRAX-Projekts systematisch untersucht werden.

6. Projektorganisation

6.1. Projektdurchführung

Projektleitung: Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik
Abteilung für Klimaforschung
Mag. Michael Hofstätter (Projektleiter)

Projektpartner: Universität Augsburg
Lehrstuhl für Physische Geographie und Quantitative Methoden
Prof. Dr. Jucundus Jacobeit

Fachliche Mitwirkung auf deutscher Seite:
Deutscher Wetterdienst
Abteilung für Hydrometeorologie

6.2. Projektauftraggeber

Projektauftraggeber auf österreichischer Seite:
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft,
Umwelt und Wasserwirtschaft
Sektion VII - Wasser

Projektauftraggeber auf deutscher Seite:
Bayerisches Landesamt für Umwelt

Mitwirkung/Beteiligung auf deutscher Seite:
Bundesanstalt für Gewässerkunde
Referat M2 – Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen

Die gängige Praxis der langfristigen Klimavorhersage liegt in der Entwicklung globaler Klimamodelle für einen Zeitraum bis 2100, vgl. z. B. die Emissionsszenarien im Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Da viele Planungsentscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft jedoch häufig auf einem Zeitraum von 10 Jahren angesiedelt sind, besteht in der Klimaforschung ein zunehmender Bedarf an globalen Klimamodellen auf dekadischer Zeitskala.
Im Rahmen des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts Mittelfristige Klimaprognosen (MiKlip) „soll ein Modellsystem geschaffen werden, um zu diesen Zeithorizonten verlässliche Aussagen zur Klimaentwicklung, der zu erwartenden Änderungen im Klima und seinen extremen Wetterausprägungen, zu gewinnen.“ (s. Projekthomepage). Einen wichtigen Baustein des Entwicklungsprozesses stellt die Modellvalidierung (Modul E innerhalb des Gesamtprojekts) dar, deren Ziel es ist, Unsicherheiten zu quantifizieren, Vorhersagen zu bewerten und Vergleiche zwischen Aussagen verschiedener Modelle vergleichbar zu machen.
Das von den beiden Kooperationspartnern Universität Augsburg und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) initiierte Forschungsprojekt Validierung der Atmosphärischen DYnamik (VADY) liefert einen Beitrag zu diesem Vorhaben. Während sich das DLR auf die Überprüfung der Darstellung atmosphärischer Wellen auf verschiedenen Skalen und in verschiedenen Höhenbereichen konzentriert, liegt der Fokus der Universität Augsburg auf atmosphärischen Zirkulationstypen, dynamischen Moden und Telekonnektionsmustern. Zu diesem Zweck sollen in einem ersten Schritt dynamische Moden der atmosphärischen Zirkulation mithilfe von Hauptkomponentenanalysen (PCA) sowohl für Reanalyse-Daten als auch für erste MiKlip-Modellausgaben berechnet und miteinander in Beziehung gesetzt werden, um Aussagen über die Güte des entwickelten Modellsystems treffen zu können. Im weiteren Projektverlauf sollen in einem iterativen Rückmeldeverfahren unter Einbeziehung weiterer Parameter (atmosphärische Zirkulationstypen, großskalige Telekonnektionsmuster, Zirkulation-Klima-Beziehungen mit dem Fokus auf bodennahe Parameter wie Niederschlag und Temperatur etc.) die zur Validierung erstellten Werkzeuge sowie das MiKlip-Modellsystem selbst verbessert werden.

In diesem Forschungsprojekt sollen neuartige regionale bis lokale Abschätzungen des Klimawandels im Mittelmeerraum entwickelt werden. Statistische Regionalabschätzungen werden erheblich durch Instationaritäten in den Beziehungen zwischen großskaliger atmosphärischer Zirkulation und den lokalen Klimagrößen erschwert. Die Analyse von Instationaritäten soll daher explizit in die statistische Modellerstellung eingehen. Somit wird ein neuer Weg im Rahmen des statistischen Downscalings beschritten mit dem Ziel, hochwertige regionale bis lokale Abschätzungsergebnisse des anthropogen verstärkten Treibhauseffektes zur Verfügung zu stellen. Die Modelle werden zudem durch detaillierte Untersuchungen der Abschätzungsunsicherheiten erweitert.

Unser Verständnis zum globalen Klimawandel basiert vor allem auf Globale Zirkulationsmodelle. Diese Modelle besitzen jedoch eine relativ geringe räumliche Auflösung, so dass es von Nöten ist hoch aufgelöste Szenarien aus den Modellsimulationen mittels sogenanntem Downscaling zu erzeugen. In diesem Kontext stellt VALUE ein europäisches Netzwerk aus derzeit 16 Ländern dar, das verschiedene Downscalingmethoden systematisch entwickelt und validiert, sowie die Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Forschungsbereichen (regionale Klimamodellierung, statistisches Downscaling, Statistik) stärkt.

Im Rahmen der auf vier Jahre angelegten COST- Aktion findet zunächst eine Analyse der Bedürfnisse der Endbenutzer statt. Anschließend werden Bezugsdatensätze und eine sogenannte Pseudo-Realität festgelegt, an denen die verschiedenen Downscalingmethoden getestet und validiert werden. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung sub-täglicher, dekadischer und längerer Zeitskalen, Extremwerten, räumlicher Variabilität und inter-variabler Beziehungen. Abschließend werden Leitlinien und Empfehlungen abgeleitet, die zur Entwicklung verbesserter Szenarien des Klimawandels in Europa führen und somit für politische und gesellschaftliche Entscheidungsprozesse herangezogen werden können.

Zu den an der COST-Aktion beteiligten Institutionen gehören namhafte Forschungseinrichtungen wie die Climatic Research Unit der University of East Anglia, das Institut Pierre Simon Laplace des französischen Centre National de la Recherche Scientifique und das Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics in Triest. Daneben ist eine Vielzahl verschiedener Universitäten beteiligt, zum Beispiel Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz, Newcastle University, England, Universidad de Valencia, Spanien, Universität Oslo, Norwegen, Universität Lund, Schweden, Universität Lodz, Polen Eotvos Lorand Universität Budapest, Ungarn. Das Geographische Institut der Universität Augsburg ist an der beschriebenen COST- Aktion durch den Lehrstuhl für Physische Geographie und Quantitative Methoden aktiv beteiligt und stellt, neben der Leitung und Mitwirkung in den verschiedenen Arbeitsgruppen, die deutsche Repräsentantin im Verwaltungsausschuss dieser COST-Aktion.