Wie entsteht eine Hitzewelle?

Hitzewellen sind mehrtägige Perioden mit einer ungewöhnlich hohen thermischen Belastung, welche durch den Klimawandel häufiger und intensiver auftreten. International existiert keine einheitliche Definition, so spricht man etwa in Südtirol erst ab drei Tagen mit mehr als 35 Grad von einer Hitzewelle, während etwa in Finnland bereits bei Temperaturen über 25 Grad von Hitze die Rede ist. Die einfachste Definition für eine Hitzewelle in Österreich lautet drei Tage in Folge mit einem Höchstwert über 30 Grad an einem Ort.

Die bislang längsten Serien an aufeinanderfolgenden Tagen mit einem Höchstwert über 30 Grad in den Landeshauptstädten. In Klagenfurt wurde mit 11 Hitzetagen am Stück heuer ein neuer Rekord aufgestellt.

Etwas komplizierter ist die Auswertung nach Kysely, der eine Hitzewelle mit einer Serie von zumindest drei aufeinanderfolgenden Tagen über 30 Grad definiert hat, die aber kurzzeitig auch von einem Tag zwischen 25 und 30 Grad unterbrochen werden kann, sofern die mittlere Maximaltemperatur in der Periode über 30 Grad liegt. Demnach können Hitzewellen länger ausfallen, so liegt der Rekord etwa in Wien bei 32 Tagen im Sommer 2018. Beide Methoden weisen allerdings Schwächen auf, zumal auch beide nicht die Luftfeuchtigkeit berücksichtigen. Mehr zu diesem Thema gibt es hier: Wie viel Schwüle halten wir aus?

Wie entsteht Hitze?

Es gibt hauptsächlich drei physikalische Prozesse, die zu einer Erwärmung der Luft in der Atmosphäre führen:

Temperaturadvektion: Transport von Luft aus klimatologisch wärmeren Regionen in kältere Regionen, wie etwa von Nordafrika nach Europa.
adiabatische Erwärmung durch Kompression bei einer absinkenden Luftbewegung (Subsidenz), was bei Hochdruckgebieten passiert.
diabatische Erwärmung der Luft. In der Nähe der Erdoberfläche passiert dies durch fühlbare Wärmeströme (von warmen Oberflächen durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung, besonders aber durch turbulente Luftbewegungen bzw. Konvektion). Diese Form der Erwärmung wird in erster Linie von der Sonnenstrahlung verursacht: Im Sommer erwärmt sie den Erdboden, der einen Teil der Wärme an die angrenzende Luft abgibt. Bei trockenen Böden ist dieser Prozess besonders effektiv. In der freien Atmosphäre kann dagegen Kondensation bzw. die Freisetzung latenter Energie die Luft erwärmen.

Je nach Region auf der Welt spielen diese Prozesse eine unterschiedlich starke Rolle: Während die Luft etwa über den Landmassen im Bereich des Äquators hauptsächlich diabatisch durch die Sonne erwärmt wird, ist über den nördlichen und südlichen Ozeanen vorwiegend Temperaturadvektion für Hitze verantwortlich. In Mitteleuropa spielen meist mehrere Prozesse gleichzeitig eine Rolle, wobei es regionale und saisonale Unterschiede gibt.

Die ersten drei Farben zeigen Regionen an, in denen ein Prozess dominant ist (wenn sein Beitrag zur Anomalie mindestens doppelt so groß ist wie jener des nachfolgenden Prozesses). In den violetten Regionen dominiert kein Prozess. Quelle: nature.com

In Mitteleuropa ist eine reine horizontale Temperaturadvektion aus Nordafrika kaum möglich, da die Luft auf dem Weg zu uns zahlreiche Gebirgsketten überwinden muss, was adiabatische und diabatische Prozesse zur Folge hat. Damit diese Prozesse aber überhaupt zustanden kommen, sind bestimmte meteorologische Wetterlagen erforderlich.

Südwestlagen

Für eine ausgeprägte Temperaturadvektion bzw. den Transport von subtropischer Luft zum Alpenraum ist eine anhaltende südwestliche bis südliche Strömung erforderlich. Dies ist typischerweise der Fall, wenn sich ein nahezu ortsfestes Tiefdruckgebiet über dem Ostatlantik bzw. den Britischen Inseln etabliert. Diese Luft erreicht uns allerdings meist nur in der Höhe, weshalb auch adiabatische und diabatische Prozesse eine Rolle spielen: Im Lee der Alpen kommt es beispielsweise häufig zu Föhn, der etwaige subtropische Luft vom Kammniveau der Alpen in die Niederungen herunterführt und sie dabei adiabatisch erwärmt. Auf diese Art kommt es manchmal schon im Frühjahr zu Temperaturen um 30 Grad etwa in Salzburg. Solche Wetterlagen können unterschiedlich lange anhalten und mitunter auch zu Hitzewellen führen.

Mit jeder Kalt- und Warmfront findet Temperaturadvektion statt. Etwa an diesem Wochenende lenkt ein Tief über den Britischen Inseln warme Luft nordwärts, ehe am Sonntag von Westen her eine Kaltfront eintrifft.

Hochdrucklagen

Für eine großräumige adiabatische Erwärmung der Luft ist ein umfangreiches Hochdruckgebiet erforderlich. Die Luft dreht sich um den Kern des Hochs im Uhrzeigersinn und sinkt dabei ab („Subsidenz“). Damit gerät die Luft unter höheren Luftdruck, weshalb sie sich komprimiert und erwärmt. Die Luft erwärmt sich pro 100 Höhenmeter um etwa 1 Grad. Diese Erwärmung setzt sich zwar oft nicht direkt bis zum Boden durch (im Herbst kommt es beispielsweise zu ausgeprägten Inversionslagen, siehe hier), aber auch in der Grundschicht steigen die Temperaturen durch diabatische Prozesse Tag für Tag an.

Vereinfachter Querschnitt der Luftströmung in einem Hoch- und Tiefdruckgebiet. © br.de

Blockierte Hochs

Extreme Hitzewellen stehen meist in Zusammenhang mit blockierten Wetterlagen, also Lagen mit einem umfangreichen, stationären Hochdruckgebiet. Bei solchen Wetterlagen wird der Jetstream in Europa unterbrochen bzw. weit nach Norden abgelenkt. Dies passiert in erster Linie bei sog. „Omega-Lagen“, die manchmal mehrere Wochen lang andauern können. Wenn solch eine Wetterlage im Sommer auftritt, kommt es regional zu extremer Hitze.

Omega-Lage im extrem trockenen März 2022. © ECMWF/UBIMET

Bei einer blockierten Wetterlage spielen sowohl die Subsidenz als auch die diabatischen Prozesse eine große Rolle: Einerseits wird die Luft durch das anhaltende Absinken immer weiter erwärmt, andererseits sorgt die oft ungetrübte Sonneneinstrahlung für eine fortschreitende Erwärmung der bodennahen Luft. In den mittleren Breiten bildet sich dann mitunter ein sog. „Heat dome“ bzw. eine Hitzeglocke aus. Dies passierte beispielsweise auch bei der Rekordhitze im Westen Kanadas mit knapp 50 Grad im Juni 2021 (damals haben diabatische Prozesse stromaufwärts des Hochs ebenfalls zur Ausprägung der Anomalie beigetragen).

Bei einer „Omega-Lage“ wurde die Luft in Lytton in Kanada auf bis zu 49,6 Grad erhitzt im Juni 2021.

Die Ensemble-Trajektorien der Herkunft der Luft in Paris am 18. Juli 2022 zeigen das Absinken der Luft im Uhrzeigersinn im Hoch. Am 19. Juli wurden dort knapp über 40 Grad gemessen. © NOAA

Wenn alles zusammenkommt…

Für Temperaturrekorde spielen immer mehrere Faktoren eine Rolle. Auch die Witterung in den Wochen vor einer Hitzewelle bzw. die daraus resultierende Bodenfeuchte ist entscheidend: Wenn der Boden durch eine Dürreperiode bereits ausgetrocknet ist, wird die am Boden eintreffende Sonneneinstrahlung direkt in fühlbare Wärme umgewandelt, da weniger Energie für Verdunstung verbraucht wird (diabatische Erwärmung). Weiters spielen auch geographische Faktoren eine Rolle, so kann föhniger Wind die Luft aus mittleren Höhenlagen mitunter direkt bis in tiefen Lagen absinken lassen, was dann lokal zu extrem hohen Temperaturen führen kann (adiabatische Erwärmung). Wenn alle Faktoren zusammenkommen, also ein blockiertes Hoch im Sommer, trockene Böden, föhniger Wind und strahlender Sonnenschein, dann sind meist neue Rekorde zu erwarten. So wurden beispielsweise auch die 46 Grad in Südfrankreich im Juni 2019 erreicht oder die 48,8 Grad in Sizilien im August 2021. Überlagert wird das ganze noch von der globalen Erwärmung: Die Ausgangslage ist bei solchen Wetterlagen heutzutage höher als noch in der vorindustriellen Zeit. Dies erklärt auch das starke Ungleichgewicht zwischen den auftretenden Hitze- und Kälterekorden weltweit.