Wann tritt eine Hitzewelle eigentlich auf — und warum spielt der Monat eine Rolle?

Europäische Sommer sind zunehmend durch langanhaltende Hitzewellen, Dürren, Waldbrände und eine wachsende Belastung der Gesundheitssysteme geprägt. Dabei wird häufig übersehen, dass eine Hitzewelle im Juni nicht dasselbe Phänomen ist wie eine Hitzewelle im August, da sie unterschiedlich stark von verschiedenen Einflussfaktoren geprägt werden. Das Verständnis dieser Unterschiede hat direkte Auswirkungen auf Vorhersagen und die Bewertung von Klimarisiken.

In unserer Studie analysierten wir mitteleuropäische Hitzewellen von Mai bis September anhand von 73 Jahren ERA5 Daten (1950–2023). Dabei untersuchten wir, wie sich die Beiträge der Faktoren, die zu extremer Hitze führen, im Verlauf der Saison verändern.
Wir kombinierten drei komplementäre Ansätze. Der Erste ist die atmosphärische Persistenz: Wie lange ein Wettermuster typischerweise stabil bleibt, bevor es in einen anderen Zustand übergeht. Der zweite, das Co-Recurrence Ratio, quantifiziert, wie häufig ähnliche großskalige atmosphärische Zirkulationsmuster mit ähnlichen Oberflächentemperaturmustern einhergehen. Dabei handelt es sich um eine statistische Tendenz und nicht um einen direkten kausalen Zusammenhang. Beide Maße basieren auf der Theorie dynamischer Systeme (Faranda et al., 2024).
Drittens untersuchen wir Wetterregime (Abbildung 1): quasi-stationäre, großskalige Konfigurationen der Atmosphäre über dem Nordatlantik und Europa, welche die dominanten Muster atmosphärischer Zirkulation erfassen.

Die Atmosphäre hat ein Gedächtnis — und es verändert sich im Laufe des Sommers

Sowohl die atmosphärische Persistenz als auch die Beziehung zwischen atmosphärischer Zirkulation und Temperatur zeigen einen ausgeprägten saisonalen Zyklus, mit Minima im Frühjahr und Herbst sowie einem Maximum im Juli und August. Dies fällt mit einem häufigeren Auftreten des Skandinavischen Blockings (Abb. 1f) zusammen, eines persistenten Hochdrucksystems, das mit stabilen Bedingungen und anhaltender Erwärmung über Nordeuropa verbunden ist.

Die dominierenden Wetterregime können jedoch je nach Monat erheblich variieren. Der Mai weist eine komplexe Mischung aus Blocking- und transienteren Regimen auf, während diese Muster im September am seltensten auftreten. Ähnliche Persistenzniveaus können daher je nach Jahreszeit aus unterschiedlichen atmosphärischen Konfigurationen resultieren.

Und was ist speziell mit Hitzewellen?

Während Hitzewellen ist die atmosphärische Persistenz nur im Juli und August anomal erhöht (Abb. 2b), wenn Skandinavische und Europäische Blocking-Regime (Abb. 1 e,f) am häufigsten auftreten. Im Gegensatz dazu ist das Co-Recurrence Ratio zwischen atmosphärischer Zirkulation und Temperatur während Hitzewellen von Juni bis September signifikant erhöht (Abbildung 2a).

Dies deutet darauf hin, dass Hitzewellen im Hochsommer sowohl ungewöhnlich persistent sind als auch stark mit atmosphärischen Zirkulationsmustern verknüpft bleiben, während Hitzewellen im Früh- und Spätsommer trotz einer weiterhin starken Beziehung zwischen Zirkulation und Temperatur eine geringere Persistenz aufweisen. Die spezifischen Wetterregime, die dieses erhöhte Co-Recurrence Ratio antreiben, unterscheiden sich ebenfalls je nach Monat: Während Europäisches Blocking im Frühsommer Hitzewellen mit einer starken Kopplung an die atmosphärische Zirkulation hervorruft, übernimmt bis September das variablere Zonale Regime (Abbildung 1b) diese Rolle.

Jenseits der Atmosphäre: Die Rolle der Oberflächenbedingungen

Dennoch erzählt die atmosphärische Zirkulation allein nicht die ganze Geschichte. Wir untersuchten außerdem, wie Oberflächenvariablen während Hitzewellen gemeinsam mit der Temperatur variieren.
Die Sonneneinstrahlung ist von Mai bis August stark mit den Temperaturen während Hitzewellen verknüpft und erreicht Ende Juni ihr Maximum. Bodenfeuchtemuster sind von Juni bis August besonders stark mit Temperaturmustern verbunden, verstärkt zum Spätsommer hin, was mit der Rolle trockener Böden bei der Verstärkung von Hitze durch reduzierte Verdunstungskühlung konsistent ist. Zusätzlich sind Hitzewellen im Juli und August durch eine unterdrückte nächtliche Abkühlung charakterisiert, im Gegensatz zum September.

Schlussfolgerung

Zusammengenommen sind europäische Hitzewellen im Hochsommer (Juli–August) mit einer Kombination aus persistentem Blocking, einer starken Kopplung zwischen atmosphärischer Zirkulation und Temperatur, gleichzeitig auftretenden trockenen Böden sowie unterdrückter nächtlicher Abkühlung verbunden. Hitzewellen im Früh- und Spätsommer treten dagegen unter einer anderen Konfiguration auf; stärker verbunden mit Sonneneinstrahlung, schwächerer atmosphärischer Persistenz und unterschiedlichen atmosphärischen Zirkulationsregimen.
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass der Zeitpunkt einer Hitzewelle innerhalb der Saison berücksichtigt werden muss, wenn extreme Hitzeereignisse vorhergesagt, kommuniziert und darauf reagiert werden soll.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht in Dillerup, I., Lemburg, A., Buschow, S., and Pinto, J. G.: Dynamical system metrics and weather regimes explain the seasonally-varying link between European heatwaves and the large-scale atmospheric circulation, Earth Syst. Dynam., 17, 265–289, https://doi.org/10.5194/esd-17-265-2026, 2026.

Diese Studie ist Teil des ClimXtreme 2 DySyTEx Projekts.

Referenzen

Faranda, D., Messori, G., Alberti, T., Alvarez-Castro, C., Caby, T., Cavicchia, L., Coppola, E., Donner, R. V., Dubrulle, B., Galfi, V. M., Holmberg, E., Lembo, V., Noyelle, R., Yiou, P., Spagnolo, B., Valenti, D., Vaienti, S., and Wormell, C.: Statistical physics and dynamical systems perspectives on geophysical extreme events, Phys. Rev. E, 110, 041001, https://doi.org/10.1103/PhysRevE.110.041001, 2024.

Grams, C. M., Beerli, R., Pfenninger, S., Staffell, I., andWernli, H.: Balancing Europe’s wind-power output through spatial deployment informed by weather regimes, Nature Climate Change, 7, 557–562, https://doi.org/10.1038/nclimate3338, 2017.

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