Eine Hitzewelle ist in Meteorologie und Klimatologie eine ungewöhnlich lange Phase aufeinander folgender ungewöhnlich heißer Tage, auch Hitzeperiode genannt. Etwas abgeschwächt spricht man auch von Wärmewelle für Phasen abnorm hoher Temperaturen. Hitzewellen sind Extremwetterereignisse, die die menschliche Gesundheit, die Ökosysteme und die Infrastruktur schädigen können.

Zur Definition einer Hitzewelle mini|Karte der lokalen Temperatur­anomalie Sommer 2003 zu 1971–2000, als Maß einer Hitzewelle

Hitzewellen als solche sind ein relativ junges Forschungsgebiet, früher wurde primär auf Dürren fokussiert. Es gibt bisher keine einheitliche, international abgestimmte Definition einer Hitzewelle.Christopher Polster: Sommerliche Hitzewellen der Nordhemisphäre: Ein Überblick und Fallstudien. Bachelorarbeit im Studienfach Meteorologie, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre, 2014, Kapitel 3 Definition einer Hitzewelle, S. 3 f.; (PDF) dort S. 11 f). Typische moderne Ansätze für die Quantifizierung einer Hitzewelle sind folgendermaßen aufgebaut: Zuerst wird eine gewisse Schwelle für den Begriff anomaler Hitze festgelegt, entweder absolut (etwa über den Begriff des heißen Tages, Tageshöchsttemperatur ≥ 30 °C),In den USA: 90 °F, vgl. Heat Wave; Robert DeCourcy Ward: The Climates of the United States, 1925, S. 383–395; online in American Meteorological Society: Glossary of Meteorology.So definiert der schwedische Wetterdienst etwa eine ‚Wärmewelle‘ () ab 25 °C; diese ist den nördlicheren Breiten angemessen, und kann auch im Winter auftreten; vgl. Värmebölja, schwedische Wikipedia. über die Temperaturanomalie (Schwelle einer Grad-Abweichung von einer spezielleren langjährigen Mitteltemperatur, etwa Mittel des jeweiligen Tages oder Monats der letzten 30 Jahre),Hitzewellen: 2015 eines der extremsten Jahre der Messgeschichte. ZAMG Klimanews, 13. August 2015; Anomalieauswertung letzter Abschnitt 2015 unter den ungewöhnlichsten Sommern der Messgeschichte; Definition der Kysely-Tage wörtlich zitiert (Ende des Artikels). oder über eine Häufigkeit (etwa Standardabweichung 95-%-Perzentil einer solchen Bemessungsgrundlage).So etwa in AEMET: Olas de calor en España desde 1975. Área de Climatología y Aplicaciones Operativas, o. D. [Aktualisierung: 2015]; aemet.es (PDF; 354 kB). Weitere Kriterien wären physiologische WerteDie Wichtigkeit gefühlter Werte als Bemessungsgrundlage betont schon P. J. Robinson: On the definition of a heat wave. In: J. Appl. Meteorol., 40(4), 2001, S. 762–775; Angabe nach Polster: Sommerliche Hitzewellen …, S. 3. wie Gefühlte TemperaturZ. B. auf Basis des Klima-Michel-Modells, vgl. Webseite des Deutschen Wetterdienstes. (DWD); Angabe nach Polster: Sommerliche Hitzewellen …, S. 3 (pdf S. 11). oder der Heat Index (eine Kombination aus Temperatur und Luftfeuchte).So der amerikanische National Weather Service (NWS), vgl. Heat Safety; Angabe nach Polster: Sommerliche Hitzewellen …, S. 3 (pdf S. 11). Dann werden Kriterien für den Zeitumfang gewählt, die Episode (etwa eine Mindestdauer von drei oder fünf Tagen;Vgl. etwa Schwedischer Wetterdienst: Värmebölja, smhi.se, abgerufen am 11. Juli 2015. auch indem ein einziger Tag unterhalb der Hitzeschwelle die Hitzewelle nicht unterbricht)Vgl. AEMET: Olas de calor en España …, Tercera etapa, S. 3. wie auch den Zeitraum, in dem man überhaupt von Hitzewelle sprechen will (etwa nur den meteorologischen Sommer für die gemäßigten Breiten)Vgl. AEMET: Olas de calor en España …, Primera etapa, S. 3. Es wird ein betroffenes Gebiet festgelegt, aus einer meteorologischen Analyse, in politischen Grenzen, rein messtechnisch über Stationen, oder ein Modellierungsraster – dabei müssen sich der Definitionsbereich der Hitzeschwelle und das Areal nicht decken (so könnte die Schwelle sich auf einzelne Messstationen beziehen, das Areal auf Verwaltungseinheiten).Vgl. AEMET: Olas de calor en España …, Segunda etapa, S. 3: Messen 10 % der Stationen im Areal abnorme Hitze, gilt der Tag als Tag der Hitzewelle. Es werden Kriterien für die Intensität der Hitzewelle bestimmt, etwa die absolut höchste über die gesamte Periode gemessene Temperatur, die mittlere Maximaltemperatur über alle Messstationen des Gebiets,Vgl. AEMET: Olas de calor en España …, Primera etapa, S. 4. die maximale oder mittlere Anomalie, die Jährlichkeit des Ereignisses, oder Ähnliches. Damit ergeben sich als Maße für das Ausmaß einer Hitzewelle: Dauer Geographischer Umfang Gewisse Werte der Intensität Eine für Mitteleuropa verwendete Methode der Auswertung geht auf den tschechischen Meteorologen Jan Kysely zurück, diese Tage der Hitzewelle werden Kysely-Tag genannt:

Für Wärmewellen – etwa für das Winterhalbjahr – sind ähnliche Kriterien mit abgeschwächteren Grenzwerten in Verwendung.

Die zeitlichen und räumlichen Maße können zueinander in Bezug gesetzt werden, doch ist ein Ansatz, wie eine lokale kurze und heftige Hitzewelle mit einer lange andauernden und großräumigen zu vergleichen wäre, und das über verschiedene Klimaregionen, sehr komplex.Ein Maß wäre beispielsweise eine Flächensumme einer Gradtag-Zahl, etwa die Summe der Anomalien über die Tage der Hitzewelle, entsprechend den Heizgradtagen auf Basis der Temperaturdifferenz der Außen-Lufttemperatur in Bezug auf die gewünschte Raum-Innentemperatur. Die entsprechenden Kühlgradtage sind ein inzwischen etabliertes Maß für die allgemeine raumklimatische Hitzeexposition eines Ortes oder Gebäudes: auch die Anomalie der tatsächlichen Kühlgradtage in Bezug auf das langjährige Mittel wäre ein Maß für eine einzelne Hitzewelle. Diese Abschätzungen einer Vergleichbarkeit über Zeitreihen und Weltgegenden sind in der Meteorologie, der Wettermedizin und der Klimafolgenforschung heute in Entwicklung. Die Definitionen für 'Hitzewelle' können mit der Festlegung gewisser Unwetter-Warnstufen korrelieren.

Entstehung von Hitzewellen Hitzewellen haben je nach Weltgegend verschiedene Ursachen. Im Winter führen entsprechende Situationen entweder zu einem Warmlufteinbruch und Tauwetter, oder aber zu einer Kältewelle.

Mechanismen auf den mittleren Breiten mini|links|Klassisches kontinentales Hoch über Nordamerika

Die klassische sommerliche Hitzewelle der mittleren Breiten entsteht durch ein Hochdruckgebiet und Aufheizung durch lang anhaltenden Sonnenschein. Wärmeeinbrüche allgemein sind etwa für Mitteleuropa meist gut dokumentierte Singularitäten (regelhaft eintretende Ausnahmen), so eben die Hundstage des Hochsommers, aber auch im Winter etwa das Weihnachtstauwetter.

mini|hochkant=1.3|Reguläre Lagen der Herkunftsgebiete der Luftmassen (westlich von Europa Kaltluft, südlich Warmluft) Es gibt einige weitgehend regulär vorhandene Hochdruckzonen, so das Azorenhoch oder das Sibirienhoch, die immer zu sommerlicher Hitze führen. Abnormale Hitzewellen können diese dann verursachen, wenn sie sich irregulär verlagern oder extrem stark ausgebildet sind: So kann das Azorenhoch bis vor Westeuropa liegen, und dann das Wetter des Kontinents direkt besonders beeinflussen (ein Beispiel: Spätsommer 1975). Oder es drängt die Atlantiktiefs übermäßig nach Norden, was zu zonaler Hitze im gesamten Mittelmeerraum führt (Juli 2015, zweite Phase). Weil diese Hochs selbst stabilisierend sind, können sich solche Hitzewellen über viele Wochen oder eine ganze Saison erstrecken, und auch zu Dürren führen. Verstärkt wird dieser Effekt, wenn sich Hochdruckbrücken zwischen den Hochs ausbilden, dann werden diese Ereignisse auch recht großräumig.

mini|links|Rossby-Wellen der Jet-Streams Eine Ausnahmeerscheinung in den gemäßigten Breiten entsteht durch eine Blockade:Lukas Brunner, Gabriele C. Hegerl, Andrea K. Steiner: Connecting Atmospheric Blocking to European Temperature Extremes in Spring. In: Journal of Climate, Januar 2017, American Meteorological Society, doi:10.1175/JCLI-D-16-0518.1;Definition dort (für Untersuchungen der Frühlingsperiode): 90-%-Perzentil von Tmax des Tages zum Durchschnittswert einer 36-Jahres-Vergleichsperiode mit 21-Tage-gleitendem Mittel; warm spell day (WSD, Wärmewellentag), wenn eine ganze 5°×5°-Region an 6 aufeinanderfolgenden Tagen dieses Kriterium erfüllt. In gewissen Abständen geht der Jetstream in eine besonders wellige Form über, die Westwinddrift bricht ab, die Tiefdrucksysteme kommen nicht voran, und die Hochs dazwischen bleiben ortsfest liegen. Das kann zu ein- bis mehrwöchigen Hitzeperioden führen. Diese Verlagerung der Polarfront führt auch jeweils zu starkem Wärmeaustausch von den Tropen in die polaren Gebiete und kann auch im höheren Norden zu abnormer Wärme führen.Europa - (meteorologisch) zweigeteilt. DWD: Thema des Tages, 11. August 2019.

mini|hochkant=0.8|Eine Zyklone (dynamisches Tief) als Warmluftpumpe: Warmfront und Warmsektor vor der Kaltfront Eine weitere Ursache in den mittleren Breiten sind mächtige Tiefdrucksysteme (Zyklone). Diese können dann an ihrer südwärtigen Warmfront bis in die Subtropen greifen, und davor enorme Warmluftmassen nach Norden pumpen. Hierbei handelt es sich um kurzfristigere Warmlufteinbrüche bis zu einigen Tagen, solche Situationen können auch im Winter zu Wärmewellen führen. Für Europa typisch sind südwestliche Höhenströmungen nordafrikanischer Luft, oft mit Saharastaub-Ereignissen. Ein typisches Beispiel ist der Sommer 2013.

mini|links|Überschlagender Jetstream mit extremer Omegalage (2010) Extrem werden kann die Kombination dieser Situationen: Ist bei einer Blockade das Hoch östlich und westlich von kräftigen Tiefs flankiert, entsteht die Omegalage, entsprechend dem Zeichen , mit einer Kombination aus Blockade und südlichen Luftströmungen, wodurch sich die Hitze verstärkt. Typisch dafür sind die Tropennächte, weil auch die nächtliche Abkühlung durch nachströmende Warmluft kompensiert wird. In Europa entsteht durch trockene Saharaluft oder Föhn-Effekte an Pyrenäen und Alpen eine Kombination mit abnormer Trockenheit. Oft entfallen dann die typischen Wärmegewitter, die sonst für Sommerhitze charakteristisch sind, womit ein weiterer Abkühlungsfaktor entfällt. Charakteristisch war das etwa in den Jahrhundertsommern 2003 und 2015 (erste und dritte Phase).

Globale Mechanismen mini|hochkant=1.6|Meerestemperatur-Anomalie Juli 2015: El-Niño im Pazifik: Hitzewellen an der nordamerikanischen Westküste. Eine weitere Ursache sind Schwankungen der warmen ozeanischen Strömungen in Intensität und Lage, was die Lagen der Aktionszentren und atmosphärischen Strömungen grundlegend beeinflusst. Bekanntestes Phänomen dieser Art ist das El-Niño-System, das an den Westküsten beider Amerikas zu Hitzewellen führen kann (und wohl auch das Wetter weltweit beeinflusst). Da dieses System gewisse regelmäßige Wiederkehr zeigt (El Niño-Southern Oscillation, ENSO), und auch andere globale Wetterzusammenhänge in Perioden ablaufen, zeigen auch Extremwetter wie Hitzewellen gewisse Häufungsphasen.

Einflüsse der globalen Erwärmung mini|hochkant=1.6|Häufigkeit (senkrecht) zu Anomalie (waagrecht) hoher Sommertemperaturen der Nordhalbkugel, Mittel 1951–1980 und letzte drei Jahrzehnte: Anstieg des Medians, Abnahme der Häufigkeit, Zunahme hoher Anomalie (NASA-GISS)