Am 8. September 2017 checkte Thomas Wahl am Londoner Flughafen Gatwick für einen nahezu leeren Flug nach Orlando in Florida ein. Wahl ist als Küsteningenieur an der University of Central Florida tätig – und er wusste, was sich auf seine Heimatstadt zubewegte: Irma, ein Hurrikan der Kategorie 5, der bereits in der Karibik für Unheil gesorgt hatte. Wahl stieg trotzdem in den Flieger. »Außer mir waren nur der Pilot und ein paar Disneyland-Touristen an Bord, denen es egal war«, erinnert sich Wahl.

Der starke Regen und die heftigen Stürme, die Irma mit sich brachte, töteten Dutzende von Menschen in Florida. Für Wahl, der den Sturm im kleinen Apartment seiner Familie aussaß, war die Erfahrung eine seltene Gelegenheit, selbst ein Phänomen zu beobachten, über das er sich seit Langem Sorgen machte: Extremfluten. Sie entstehen, wenn Sturmfluten, Gezeitenhochwasser und hohe Wellen zusammentreffen.

Solche Extremfluten können die Barrieren an den Küsten überwinden und Wohngebiete sowie wichtige Einrichtungen der Infrastruktur überschwemmen. Genau das passierte beispielsweise 2005 in New Orleans und Umgebung – die Region hat sich immer noch nicht von den Schäden in Höhe von über 100 Milliarden Dollar durch den Hurrikan Katrina erholt – und 2017 durch Irma in Jacksonville in Florida. Dort stand das Wasser in einem Teil der Stadt zwei Meter hoch und schloss viele Einwohner ein. Brücken und der internationale Flughafen mussten geschlossen werden.

Größte Bedrohung der Menschheit

Global steigt der Meeresspiegel durch das Abschmelzen von Gletschern und Polkappen sowie durch die Wärmeausdehnung des Wassers um gerade einmal drei Millimeter pro Jahr. Die Forscher haben sich zumeist darauf konzentriert, Ursachen und Stärke des Anstiegs zu verstehen. Doch der Anstieg des allgemeinen Meeresspiegels beeinflusst zugleich Extremfluten – mit zerstörerischen Folgen.

In den kommenden Jahrzehnten könnte es alle ein oder zwei Jahre zu einer »Jahrhundertflut« kommen – einer Flut also, die nur alle 100 Jahre und damit in jedem Jahr nur mit einer Wahrscheinlichkeit von einem Prozent auftreten sollte. In Europa könnten die Kosten durch Überflutungen entlang der Küsten bis zum Jahr 2100 um den Faktor 20 ansteigen. Und in einigen Regionen könnten die Jahrhundertfluten zudem an Schwere zunehmen.

Wahl und eine kleine Gruppe von Kollegen sind der Ansicht, dass sich viel mehr Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler damit befassen sollten, wie sich solche katastrophalen Ereignisse und ihre Folgen für die Küstenbewohner in der Zukunft verändern. Denn Extremfluten entwickeln sich ihrer Meinung nach zu den größten Bedrohungen, denen die Menschheit zukünftig ausgesetzt sind. »Wenn wir über das Flutrisiko reden, müssen wir ab einem gewissen Punkt Extremwerttheorie betreiben«, so Wahl. »Denn es sind Ereignisse mit niedriger Wahrscheinlichkeit, aber großen Folgen, über die wir uns wirklich Sorgen machen müssen.«

Forschung für die Vorsorge

Wahl und andere Forscher haben in historischen Aufzeichnungen recherchiert und Modelle verwendet, um die Gefahren solcher Ereignisse vorherzusagen. Die Ergebnisse hängen von der geografischen Lage ab. Für manche Küstenregionen wird die Anzahl von Extremfluten gefährlich ansteigen. Andere Regionen dagegen werden lediglich von »störenden« Fluten betroffen sein – regelmäßige Überschwemmungen durch überdurchschnittlich hohe Gezeiten, die Straßen und tief liegende Gebiete betreffen, aber keine dramatischen Schäden verursachen.

Die Regionen benötigen dieses Wissen, um Vorsorge treffen zu können, sagt Maya Buchanan, Spezialistin für Klimaänderungen beim Beratungsunternehmen ICF International in New York. Gegen lediglich störende Fluten können die Behörden mit Verbesserungen des Abwassersystems und anderen Infrastrukturmaßnahmen vorgehen. Aber Extremfluten erfordern extreme Maßnahmen: den Bau und die Erhöhung von Dämmen und anderen Küstenbefestigungen. Insgesamt sind weltweit etwa 300 Millionen Küstenbewohner durch solche Ereignisse bedroht. «Das ist von erheblicher Bedeutung für die Entscheidungsfindung und für die Gesellschaft insgesamt«, sagt Buchanan.

Am 6. Februar 1978 traf ein Blizzard mit historischer Stärke auf die Neuengland-Staaten der USA. Autos blieben im Schnee stecken. Flutwellen und Sturmböen warfen entlang der Küste Häuser um, als handelte es sich um Puppenstuben. Insgesamt 54 Menschen kamen ums Leben, und Tausende von Gebäuden wurden zerstört.

Die offiziellen Aufzeichnungen der Hafenbehörde von Boston zeigen einen – gegen die Gezeiten korrigierten – Anstieg des Wasserspiegels um einen Meter in zwölf Stunden. Der Wasserstand war einer der höchsten an diesem Ort seit Beginn der Aufzeichnungen. Das ist lediglich ein Beispiel für Aufzeichnungen aus aller Welt, die nicht nur das tägliche Auf und Ab der Gezeiten, sondern auch ungewöhnliche Wasserstände durch Stürme festhalten.

Stündliche Messungen

Ein von Philip Woolworth vom National Oceanography Centre in Liverpool geleitetes Team begann 2009 mit der Einrichtung einer speziellen globalen Datenbank, die möglichst viele derartige Aufzeichnungen erfassen sollte. Das Team konzentrierte sich auf Messungen, die zumindest einmal pro Stunde durchgeführt wurden – häufig genug, um den Hochwasserstand im Verlauf eines sich rasch verändernden Sturms zu erfassen.

Das »Global Extreme Sea Level Analysis«, kurz GESLA, getaufte Projekt ist inzwischen die Adresse für Forscher, die sich mit der zeitlichen Entwicklung von Extremfluten befassen. So zeigen die Daten, dass seit 1970 die Stärke und die Häufigkeit von Extremfluten weltweit zugenommen haben. In einigen Gegenden ist der Wasserstand von 50-Jahres-Fluten um über zehn Zentimeter gestiegen.

Hauptursache dafür ist der Anstieg des mittleren Meeresspiegels. Wenn die Wellen der Ozeane ohnehin höher und höher an die Küsten schlagen, dann erreichen Sturmfluten umso leichter Rekordhöhen. Nach einer Schätzung gehen zwei Milliarden Dollar der insgesamt auf zwölf Milliarden Dollar bezifferten Schäden in New York durch den Hurrikan Sandy im Jahr 2012 auf das Konto des steigenden Meeresspiegels.

Aber auch andere Faktoren beeinflussen Extremfluten. Sich langfristig verändernde atmosphärische Strömungen spielen eine Rolle. Ein starker El Niño beispielsweise verschiebt große Wassermassen so, dass die Wahrscheinlichkeit für hohe Wasserstände an der Westküste der USA zunimmt und im tropischen Westpazifik abnimmt. Auch das Ansteigen oder Absinken von Landmassen ist von Bedeutung. So hat sich ein großer Teil der skandinavischen Küsten gehoben, seit die enormen Gletscher am Ende der letzten Eiszeit verschwanden. Und im südlichen Asien sinkt das Ganges-Brahmaputra-Delta langsam ab, weil sich die Sedimente verdichten.

Big Data

GESLA, 2016 auf den neuesten Stand gebracht, enthält jetzt 1355 Aufzeichnungen aus der ganzen Welt, die insgesamt 39 000 Stationsjahre abdecken (Zahl der Stationen multipliziert mit der Länge ihrer Aufzeichnungen). Die meisten Daten stammen aus der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Doch das reicht nicht aus, um die langfristige Statistik zu verbessern. Eine Faustregel besagt, dass man die Häufigkeit von Ereignissen etwa über den vierfachen Zeitraum in die Zukunft extrapolieren kann, der durch Aufzeichnungen in der Vergangenheit abgedeckt ist. Einige Jahrzehnte an Daten sind also nicht ausreichend, um Aussagen über 10 000-Jahres-Fluten zu machen – aber solche Informationen sind für einige Regionen und beispielsweise für Kernkraftwerke wichtig.

An der Portland State University im US-Bundesstaat Oregon arbeitet der Ozeanograf Stefan Talke daran, die historischen Aufzeichnungen der Wasserstände in den USA zu erweitern. Die Nationale Ozean- und Atmosphärenbehörde NOAA der USA sammelt Gezeitenpegel für einen großen Teil des Landes. Ihre Aufzeichnungen überdecken den größten Teil des 20. Jahrhunderts und reichen teilweise sogar weit in das 19. Jahrhundert zurück.

Zusammen mit Kollegen und Studenten besucht Talke die über das Land verstreuten Archive und sucht nach Informationen über Variationen der Gezeiten und Sturmfluten, die von der NOAA noch nicht systematisch digitalisiert worden sind. »Wir stellen uns alle möglichen Fragen darüber, was in Zukunft geschehen wird«, sagt Talke, »dabei verstehen wir noch nicht einmal die Vergangenheit so gut, wie wir es könnten. Wie sollen wir dann in die Zukunft extrapolieren?«

Talke und seine Kollegen haben Unmengen handschriftlicher Tabellen durchforstet sowie dazugehörige Notizen, die beschreiben, wie die Messungen durchgeführt wurden. Diese Notizen sind von großer Bedeutung, um die Qualität der Daten einzuschätzen. Sie beschreiben unter anderem das Versagen von Uhren, vereiste Messinstrumente und fragwürdige Messungen eines betrunkenen Beobachters. Insgesamt erfassten die Forscher etwa 300 000 Dokumente mit insgesamt 6500 Stationsjahren zuvor verlorener oder vergessener Messungen.

30 Zentimeter in 200 Jahren

In Boston beispielsweise stießen sie auf Aufzeichnungen aus den 50 Jahren vor dem Beginn der modernen Aufzeichnungen der NOAA im Jahr 1921. Anhand dieser und noch älterer Daten berechneten Talke und seine Kollegen, dass der Meeresspiegel in Boston seit den 1820er Jahren um 28 Zentimeter angestiegen ist. Dieser Anstieg führte zu häufigeren Extremwasserständen: Was in den 1820er Jahren noch eine Jahrhundertflut war, tritt nun im Durchschnitt alle acht Jahre ein.

Die Forscher stießen auch auf extreme Ereignisse, die zu einer neuen Einordnung heutiger Fluten führten. Ein Sturm im Jahr 1909 beispielsweise führte zu ähnlichen Überflutungen wie der Blizzard von 1978. »Die Suche in den Archiven zeigt uns also, dass das Ereignis von 1978 keineswegs so anormal war«, sagt Talke.

Doch die Fluten von 1909 und 1978 wurden noch übertroffen von einem gewaltigen Zyklon, der Boston im Januar 2018 traf. Dämme brachen, und eisiges Wasser überflutete Wohngebiete. Und Anfang März 2018 führte ein weiterer starker Wintersturm zu einer Flut knapp unter dem Rekord vom Januar – gerade einmal zwei Monate später.

Talke teilt seine Daten mit anderen Wissenschaftlern und mit den Mitarbeitern von Behörden wie dem Army Corps of Engineers, das für den Bundesküstenschutz der USA zuständig ist. Der Forscher hofft, dass ein verbessertes Verständnis der langfristigen Trends eine bessere Vorbereitung auf künftige Fluten ermöglicht.

»Fluten werden häufiger«

Auf Basis der Daten über vergangene Extremfluten bieten sich den Forschern mehrere Möglichkeiten, Vorhersagen über die Häufigkeit künftiger Extremfluten zu machen. Die einfachste Methode ist die Gumbel-Verteilung. Dieses Verfahren fand beispielsweise Anwendung beim jüngsten Bericht des Weltklimarats IPCC über den Anstieg des Meeresspiegels in Abhängigkeit von den Emissionen von Treibhausgasen. Doch die Gumbel-Verteilung sei grob vereinfachend und sage insbesondere extreme Ereignisse nur schlecht voraus, kritisiert Wahl. Eine typische Gumbel-Verteilung erfasse zwar die jährlichen Höchstwasserstände an einem Ort. Dadurch zähle aber nur die jeweils höchste Flut des Jahres – es könnte jedoch mehrere Extremfluten gegeben haben.

Buchanan und ihre Kollegen haben deshalb jüngst ein anderes Verfahren eingeführt, die verallgemeinerte Pareto-Verteilung, um alle stündlichen Messungen des Wasserstands zu berücksichtigen, die höher sind als 99 Prozent der Wasserstände. Damit gehen mehr Daten in die Analyse ein, und man erhält ein genaueres Bild der Änderungen im Verlauf der Zeit. Die Gruppe untersuchte alle von der NOAA erfassten Gezeitenpegel der vergangenen 30 Jahre. Dann kombinierten die Forscher diese Daten mit einer Analyse des Anstiegs des Meeresspiegels, um vorherzusagen, wie oft es an verschiedenen Orten zu Fluten kommt und wie hoch diese Fluten sind.

Das Ergebnis lässt sich einfach zusammenfassen. »Fluten werden häufiger«, sagt Buchanan. Doch die Untersuchung zeigt auch, dass die Küstenregionen der USA unterschiedlich stark betroffen sind. In Städten an der Ostküste wie New York und Charleston sind es vor allem die »störenden« Fluten, die häufiger auftreten. Im Gegensatz dazu müssen Städte an der Westküste wie Seattle in Washington und San Diego in Kalifornien häufiger mit Extremfluten rechnen. Im Westen der USA ist die Küste allgemein steiler, was die Anwohner vor Fluten schützt. Der Anstieg des Meeresspiegels könnte den Fluten jedoch so viel Schwung verleihen, dass sie diese schützenden Barrieren überwinden.

Die Unterschiede zwischen den Regionen können enorm sein. Wenn der Meeresspiegel in Charleston um einen halben Meter ansteigt, würden heutige Jahrhundertfluten 16-mal häufiger auftreten. In Seattle dagegen würde die Häufigkeit sogar auf das 335-Fache ansteigen, so dass solche Fluten etwa alle vier Monate eintreten würden.

Lage ist alles!

Auch der Ozeanograf Sean Vitousek von der University of Chicago versucht, das Risiko von Fluten abzuschätzen. Er verwendet dabei eine statistische Methode, die als allgemeine Extremwertverteilung bezeichnet wird. In einer Veröffentlichung im Fachjournal »Scientific Reports« kombinierten er und seine Kollegen Modelle globaler Wellen, Gezeiten und Sturmfluten mit Vorhersagen des Anstiegs des Meeresspiegels, um die Zunahme von Überflutungen an den Küsten in den kommenden Jahrzehnten zu extrapolieren.

Ein Anstieg des globalen Meeresspiegels um 10 bis 20 Zentimeter – der bis spätestens 2050 erwartet wird – würde die Häufigkeit von Extremfluten in den Tropen verdoppeln, so das Ergebnis ihrer Analyse. Am stärksten betroffen wären dabei pazifische Inselnationen, deren Landmassen überwiegend nur wenig über den Meeresspiegel ragen. Hier entscheidet die Höhe des Meeresspiegels ganz wesentlich über die Variabilität typischer Fluten. Nationen wie Karibati, die Marschall-Inseln und die Malediven drohen nicht nur völlig unterzugehen. Bei ihnen steigt auch das Risiko für regelmäßige Überflutungen, die die Wasserversorgung gefährden und die Landwirtschaft ruinieren können.

Die Arbeit von Vitousek gehört zu den ersten, die nicht nur Gezeiten und Sturmfluten, sondern auch Wellen bei ihrer Analyse berücksichtigen. Er hofft seine statistische Methode weiter zu verbessern, um zu noch genaueren Vorhersagen für die Häufigkeit von Extremfluten zu kommen. »Wann erreichen wir den Zeitpunkt, an dem wir die Marke von 50-Jahres-Fluten in jedem Jahr überschreiten?«, fragt sich der Forscher. »Wir müssen wissen, wie viel Zeit uns bleibt, um ingenieurtechnische Lösungen für das Problem zu finden.«

Die Vorhersage von Extremfluten wird durch die unsichere Vorhersage des Anstiegs der Treibhausgase erschwert. In der allerersten Extrapolation der Folgen extremer Wasserstände für Europas Küsten berechneten Forscher im Jahr 2017, dass die Höhe von Jahrhundertfluten bis 2100 um 57 bis 81 Zentimeter ansteigen könnte. Doch das ist lediglich der Mittelwert über alle europäischen Küsten. An den Küsten der Nordsee könnten die Fluten bei einem starken Anstieg der Treibhausgase sogar um einen ganzen Meter höher ausfallen. Die Küsten Portugals und im Golf von Cádiz dagegen könnten eine Abnahme extremer Wasserstände erleben. Grund dafür ist eine Abschwächung der starken Winde, die Sturmfluten und Wellen antreiben.

»Wir müssen jetzt Entscheidungen treffen«

Durchgeführt hatte diese Analyse ein Team um den Ozeanografen Michalis Vousdoukas vom European Joint Research Centre im italienischen Ispra. Die Forscher untersuchen jetzt die wirtschaftlichen Folgen der Fluten. Schäden durch Überflutungen entlang von Flüssen steigen danach bis 2100 um 0,04 bis 0,1 Prozent des europäischen Bruttosozialprodukts, wie Vousdoukas im vergangenen Dezember auf einer Tagung der American Geophysical Union in New Orleans berichtete. Doch die Schäden durch Fluten entlang der Meeresküsten, die gegenwärtig bei 0,01 Prozent liegen, könnten auf 0,29 bis 0,86 Prozent anwachsen. »Überflutungen an den Küsten werden damit zu den wichtigsten natürlichen Gefahren der Zukunft«, so der Forscher.

Vousdoukas und andere Wissenschaftler, die auf diesem sich rasant entwickelnden Forschungsgebiet tätig sind, legen Wert darauf, ihre Ergebnisse den Entscheidungsträgern in den Küstenregionen zu vermitteln. In Orlando beispielsweise gehört Wahl einer neuen Institution an, die Ingenieure, Ozeanografen, Ökonomen, Gesellschaftswissenschaftler und andere Experten zusammenbringen soll. An diesem neuen National Centre for Integrated Coastal Research mit Hauptquartier an der University of Florida hoffen die Forscher, Politiker mit genau den Informationen zu versorgen, die nötig sind, um über den Ausbau von Küstenbefestigungen in den nächsten Jahrzehnten zu entscheiden. Ganz wichtig ist dabei herauszufinden, wie schlimm die Extremfluten im Extremfall werden können.

»Ich glaube, wir können auf Basis unseres jetzigen Wissens bereits Ratschläge geben«, sagt Wahl. Und es sei wichtig, damit schon jetzt anzufangen, denn die Anpassungen nehmen Zeit in Anspruch, betont der Forscher. Als Beispiel nennt er die Flutbarriere an der Themse bei London. Sie verhindert Überflutungen der Stadt, aber ihr Bau dauerte mehrere Jahrzehnte. Die Errichtung einer solchen Barriere wurde nach der verheerenden Flut von 1953 vorgeschlagen – aber erst 1982 konnte sie in Betrieb genommen werden. Die Gesellschaft dürfe nicht mehr länger damit warten, sich auf Extremfluten vorzubereiten, so Wahl: »Wir müssen jetzt Entscheidungen treffen.«