Klima in Formeln: Auch Extremwetter folgt Gesetzen

02.01.2015

Neues aus der Klimaforschung: Einmal im Monat berichten Klimaforscher im Hamburger Abendblatt über aktuelle Erkenntnisse. Prof. Valerio Lucarini ist theoretischer Meteorologe am Exzellenzcluster CliSAP der Universität Hamburg. Zuvor arbeitete der gebürtige Italiener in Bologna/Italien und Reading/Großbritannien.

Schwarzwald nach Sturm "Lothar" im Dezember 1999
Prof. Valerio Lucarini: "Die Statistik ist ein mächtiges Instrument für die Klimaforschung."
Große Welle trifft auf Strand (Lizenz: www.pixelio.de)

Monsterwellen, Taifune, Jahrhundertfluten – solche zerstörerischen Wetterextreme scheinen unberechenbar. Dennoch arbeiten Klimaforscher daran, sie in strenge mathematische Formeln zu fassen und im besten Falle sogar vorherzusagen. Das ist eines meiner Forschungsthemen als angewandter Mathematiker und theoretischer Meteorologe am Hamburger Exzellenzcluster für Klimaforschung CliSAP.

Auf extreme Phänomene treffen drei Eigenschaften zu: Sie treten selten auf. Sie weichen besonders stark von den gewohnten Mittelwerten ab. Und sie wirken sich heftig auf Natur und Gesellschaft aus. Kurz gesagt sind Extreme untypisch und gerade deshalb schwer zu beobachten. Und hier kommt die Statistik ins Spiel.

Um Extremwerte zu berechnen, gibt es zwei Ansätze. Betrachten wir etwa das Risiko einer Region, überflutet zu werden. Eine Möglichkeit ist, für jedes Jahrzehnt lediglich den höchsten Pegelstand herauszunehmen. Wir betrachten so stets nur einen Wert pro Zeiteinheit. Andere, ebenfalls hohe Wasserstände fallen durch das Raster. Bei der zweiten Methode hingegen werden alle Extremwerte berücksichtigt, die oberhalb eines bestimmten Grenzwerts liegen. Man erhält damit für den Zeitraum von zehn Jahren also beliebig viele Flutereignisse, manchmal aber auch gar keines. Die Ergebnisse beider Methoden lassen sich grafisch in Kurven darstellen, die zeigen, wie häufig bestimmte extreme Wasserstände aufgetreten sind.

Interessanterweise passen alle so errechneten Wahrscheinlichkeiten zu einer von vier Standard-Kurven, die schon länger bekannt sind. Benannt sind diese Kurven-Typen nach ihren wissenschaftlichen Entdeckern Gumbel, Fréchet, Weibull und Pareto. Folglich sind auch Extreme bestimmten Gesetzmäßigkeiten unterworfen. Dies wiederum ermöglicht uns, die Wahrscheinlichkeit künftiger Ereignisse zu errechnen. Das ist übrigens nicht nur für Klimawissenschaftler interessant, sondern auch für Ingenieure, Versicherungen oder die Finanzwirtschaft. Wie hoch muss der Staudamm werden, um in den nächsten hundert Jahren wahrscheinlich nicht überschwemmt zu werden? Wieviel Geld muss vorsichtshalber für Schäden durch Großbrände eingeplant werden? Wie wahrscheinlich ist ein Börsencrash?

Die Aussagen aus den genannten Methoden haben jedoch einen Nachteil. Sie basieren auf der Annahme, dass das Klimasystem unveränderlich ist. Doch das Gegenteil ist der Fall. Unser System hängt von zahlreichen äußeren Faktoren ab und verändert sich deshalb ständig. Gemeinsam mit Kollegen in Frankreich, Portugal und Großbritannien arbeite ich deshalb an der Frage, wie wir den Klimawandel in unsere Formeln zur Extremwert-Theorie einfließen lassen können. Fest steht: So chaotisch extremes Wetter auch ist, Häufigkeit, Stärke und räumliche Verteilung gehorchen dennoch universellen Gesetzen. Diese Gesetze betrachten Extremforscher wie durch eine Lupe, denn in außergewöhnlichen Wetterlagen sind die Ereignisse überhöht und gut erkennbar. Extreme sind für uns nützlich, denn sie zeigen uns, wie sich ein System grundsätzlich verhält – in unserem Fall das Klima.

Autor: Prof. Dr. Valerio Lucarini

 

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