Heiter bis Stürmisch

HBS011 Was ist ein Extremereignis

09 August 2020

Immer häufiger hört oder liest man in den Nachrichten von meteorologischen Extremereignissen. Insbesondere im Sommer werden ständig neue Temperaturrekorde aufgestellt. Jeder Rekord, sei es einer für die Temperatur oder den Niederschlag, ist ein Extremereignis. Aber es muss nicht unbedingt ein Rekord aufgestellt werden, damit es sich um einen Extremwert handelt. Um die Frage zu klären, was eigentlich ein Extremereignis ist, wird die Statistik zur Hilfe genommen. Die Grundlegende Frage, die mit der Extremwertstatistik beantwortet werden soll, lautet "Mit welchem Extremwert muss in einem gegebenen Zeitraum gerechnet werden und inwiefern ändern sich Extrema mit der Zeit?"

Extremereignisse haben eine erhebliche Bedeutung für soziale oder auch ökonomische Auswirkungen. Hochwasser aufgrund von Starkniederschlagsereignissen oder lange Dürre- oder Hitzeperioden sind nicht nur schädlich für Gebäude, sondern machen uns als Mensch auch ganz schön zu schaffen. Daher ist es sinnvoll diese Ereignisse in ihrer Häufigkeit abschätzen und verstehen zu können. Viele schalten bei dem Wort Statistik meist schnell ab. Tatsächlich kann das aber auch sehr spannend und vor allem nützlich sein. Meteorologischen Extremereignisse können in sehr unterschiedlichen zeitlichen aber auch räumlichen Skalen auftreten. Es kann sich dabei um eine Messung einer Station zu einer bestimmten Zeit handeln, wie zum Beispiel Höchst- oder Tiefsttemperatur. Dazu gehört auch eine extrem hohe Niederschlagssumme über einen bestimmten Zeitraum an einer Station oder auch eine besonders hohe Windgeschwindigkeit. Ein Extremereigniss muss sich auch nicht unbedingt auf einen einzigen Ort beziehen. Es kann sich dabei auch um ein regionales Ereignis handeln, wie zum Beispiel ein außergewöhnlich hoher Temperaturwert für ganz Deutschland. Dazu würden auch die Hitze-Sommer 2003 und 2018 zählen. Je nach dem wie viel Niederschlag es gegeben hat, wirkt sich das auf die Pegelstände aus. Die Menge an Regen lässt die Pegelstände eines Flusses wie der Elbe wachsen oder fallen und wird wie beispielsweise 2002 als Jahrhunderthochwasser bezeichnet. Und auch noch größere räumliche Skalen werden betrachtet. Dazu zählt beispielsweise die globale mittlere Temperatur eines Jahres, die eine wichtige Rolle in Hinblick auf die Untersuchung zur globalen Erwärmung spielt.

Jetzt stellt sich die Frage wie genau kann denn bestimmt werden, wann es sich um ein Jahrhunderthochwasser oder sogar Jahrtausendhochwasser handelt? Oder was normale Temperaturen für den Sommer bzw. Winter sind?

Zunächst wird eine Häufigkeitsverteilung der entsprechenden Daten betrachtet. Zur Anschauung betrachten wir die Vorgehensweise am Beispiel der Tageshöchsttemperatur. Für die Häufigkeitsverteilung guckt man sich nun alle Tageshöchstwerte an und berechnet wie oft welche Werte vorkommen. Das wird dann als Häufigkeitsverteilung bzw. als empirische Häufigkeitsverteilung bezeichnet. An diese Verteilung der Tageshöchsttemperaturen wird nun eine geeignete theoretische Verteilung angepasst. Die kann dann wie eine Normalverteilung aussehen. In der Mitte befinden sich viele Werte und zu den Rändern hin werden es weniger, dafür treten aber besonders hohe bzw. niedrige Tageshöchsttemperaturen auf. Ab wann es sich nun um eine extrem hohe Tageshöchsttemperatur handelt wird selbst festgelegt. Dabei wird ein Schwellwert definiert. Wenn dieser Schwellwert nun überschritten wird, dann wird der Wert als Extremwert bezeichnet. Die Festlegung des Schwellwertes erfolgt aber keineswegs zufällig. Sonst könnten ja alle Werte Extrema sein und genau das ist ja nicht erwünscht. Schließlich sind Extremwerte etwas, das selten eintritt. Üblicherweise wird für den Schwellwert das 95%-Perzentil verwendet. Und was heißt das? Bei dem 95%-Perzentil liegen 95% der Werte unterhalb des Schwellwerts und nur 5% oberhalb. Anschaulich gesehen bedeutet das folgendes: Haben wir insgesamt 100 Tageshöchstwerte, dann sind 95 unterhalb unseres Schwellwertes. Und die 5 größsten Temperaturwerte befinden sich oberhalb des Schwellwerts und gelten damit als Extremwert. Natürlich können auch kleinere oder größere Perzentile definiert werden, je nach dem was erwünscht ist. Manchmal kann die Grenze natürlich auch schon zu grob sein, so das auch das 98. oder 99.%-Perzentil betrachtet wird. Wurde nun ein Schwellwert bestimmt, geht es darum die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, mit der dieser Wert über- oder unterschritten wird. Diese sind dann abhängig von der Zeit. Denn je höher der Schwellwert gesetzt wird, desto seltener tritt der Wert auf. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob es sich eher um ein 50-jähriges Ereignis, um ein Jahrhundertereignis oder ein Jahrtausendereignis handelt.

Mit Hilfe dieser Statistik weiß man, mit welchem Extremwert im Mittel in einem bestimmten Zeitraum gerechnet werden muss. Oft wird dann von einem Wiederkehrwert oder einer Wiederkehrperiode gesprochen. Da unser Klima aber nicht so einfach ist, kann sich die Statistik im Laufe der Zeit ändern. In Hinsicht auf den Klimawandel ist es von großem Interesse zu wissen wie sich die Überschreitungswahrscheinlichkeiten von den festgelegten Schwellwerten zeitlich ändern. Die Frage ist also ob und wie sich die Extrema mit der Zeit verschieben. Je nach dem wie sich die Häufigkeitsverteilung ändert, können verschiedene Veränderungen beobachtet werden.

Es gibt drei Möglichkeiten wie sich das Klima ändert. 1. Zum einen kann sich der Mittelwert verschieben. Es kann im Mittel also wärmer oder kälter werden. An den Extremen ändert sich dabei nichts, sie verschieben sich nur mit dem Mittelwert mit. Wird es also im Mittel wärmer, treten auch häufiger extreme Hitzeperioden auf. Im gleichen Maß verringern sich aber die Kälteeinbrüche. Insgesamt würde es also wärmer werden. Würde sich die Mitteltemperatur beispielsweise um 1,6°C erhöhen, so steigt die Wahrscheinlichkeit für einen Sommer wie den von 2003 von 1,3% auf 33%. So ist aus einem Jahrhundertsommer ein Sommer geworden, der im Schnitt alle 3 Jahre auftritt. Eine kleine, scheinbar unbedeutende Veränderung kann hier in Hinsicht auf Hitze große negative Auswirkungen für den Menschen als auch die Natur haben. Daher ist es auch wichtig die globale Erwärmung zu gering wie möglich zu halten, ansonsten muss man sich in Europa auf zunehmend heiße oder auch trockene Sommer vorbereiten. 2. Für die zweite Möglichkeit bleibt bei der zeitlichen Veränderung der Mittelwert gleich. Allerdings ist nun eine Zuhname der Extrema zu beobachten. Hier treten dann häufiger extreme Hitze- oder Kälteperioden auf. Das entscheidene bei dieser Möglichkeit ist, dass die Streuung der Werte größer wird. 3. Als dritte und letzte Möglichkeit ändert sich sowohl der Mittelwert als auch die Streuung. Dabei kann das Klima dann zum einen wärmer sein und gleichzeitig auch extremer. In diesem Fall werden zum einen höhere Temperaturen als zum früheren Klima gemessen und es muss auch öfter mit mehr extremer Hitze gerechnet werden. Gleichzeitig werden kältere Phasen etwas seltener beobachtet.

Die Kenntnis des Wiederkehrwertes und des Wiederkehrintervalls ist also wichtig, um das Risiko eines bestimmten Parameters wie der Temperatur abzuschätzen. Das Ausmaß eines Extremereignisses ist aber nicht nur abhängig von den atmosphärischen Prozessen. Vor allem bei Hochwasser oder Überflutungen spielt die Bevölkerungsdichte eine entscheidene Rolle. Aus meteorologischer Sicht sind die Extremwerte im Prinzip recht einfach zu berechnen. Wie man mit denen und deren Risikoabschätzung dann umgeht, ist eine ganz andere Frage.

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