Klimavariabilität - Nationalatlas

Klimavariabilität
Peter Hupfer und Jucundus Jacobeit
Deutschland
NAO-Index und Temperatur im Januar
1901/10 - 1989/98
Gleitende zehnjährige Monatsmittelwerte
1,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
-2,5
Temperatur
-3,0
1980
2000
0,5
0,0
-0,5
-1,0
1900
NAO-Index
1920
1940
°C
1960
Druck-Index und Temperatur im Juli
1901/10 - 1989/98
Gleitende zehnjährige Monatsmittelwerte
Jahr
°C
1,0
18,0
0,5
17,5
0,0
17,0
-0,5
16,5
-1,0
1900
Druck-Index
1920
Temperatur
1940
1960
1980
16,0
2000
Jahr
Dargestellt sind die gleitenden zehnjährigen Monatsmittelwerte der Lufttemperatur
(gemittelt über den Gesamtraum Deutschlands) sowie zweier Zirkulationsindizes:
für Januar ein standardisierter Index der Nordatlantischen Oszillation (NAO), für Juli
ein standardisierter Index, der die Luftdruckschwankungen im südskandinavischen
Raum widerspiegelt. Die Werte beziehen sich jeweils auf die Dezennien 1901 - 1910,
1902 - 1911 usw. bis 1989 - 1998.
© Leibniz-Institut für Länderkunde 2003
100
90
80
70
60
30
1960
1980
Jahr
70
60
50
40
30
20
1900
Westregion (Köln Kassel - Wittlich Aschaffenburg)
1920
1940
Ostregion (Dessau Spreewald - Zeitz Dresden)
1960
1980
2000
Jahr
Dargestellt sind die gleitenden zehnjährigen Monatsmittelwerte des Januar- und
Juli-Niederschlags für zwei Beispielsregionen in Deutschland (Westregion: 50 - 51°N
und 7 - 9°O, Ostregion: 51 - 52°N und 12 - 14°O). Die Werte beziehen sich jeweils auf
die Dezennien 1901 - 1910, 1902 - 1911 usw. bis 1989 - 1998.
© Leibniz-Institut für Länderkunde 2003
60
Nationalatlas Bundesrepublik Deutschland – Klima, Pflanzen- und Tierwelt
50°
6
00
10
Azoren
10
101
10
28
20°
60°
4
101
2
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1030
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10
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1026
40° n. Br.
30°
4
100
10° w. L.
50°
16
40°
10° ö. L.
0°
20°
30°
Luftdruckfeld bei negativer Phase der Nordatlantischen
Oszillation (NAO)
Beispiel Januar 1963
20°
10°
10°
0°
20°
1 01
Island
10
14
30°
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8
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16
10
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60°
60°
10
10
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1024
50°
50°
1020
40° n. Br.
Azoren
10
16
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80
20°
994
998
1002
1006
1010
1014
1018
1022
1008
90
99
990
06
100
Island
60°
10°
0°
992
10
10
Niederschlag im Juli 1901/10 - 1989/98
Gleitende zehnjährige Monatsmittelwerte
2000
10°
14
1940
20°
10
mm
1920
Beispiel Januar 1984
10
20
1900
Oszillation (NAO)
22
40
Luftdruckfeld bei positiver Phase der Nordatlantischen
10
50
Bei schwachem oder (wie im Januar
1963 ) sogar negativem Druckgefälle
zwischen Azoren und Island besteht die
Möglichkeit für Strömungslagen, bei
denen im Winter Kaltluft aus Norden
oder Osten nach Mitteleuropa geführt
wird. Abbildung zeigt für Januar die
Schwankungen in einem standardisierten NAO-Index für gleitende zehnjährige Mittelwerte. Dabei wird erkennbar,
dass die Temperaturschwankungen über
Deutschland ähnliche Verlaufsformen zeigen ( Korrelationskoeffizient r = 0,62),
20
10
mm
Ausgewählte Regionen
Niederschlag im Januar 1901/10 - 1989/98
Gleitende zehnjährige Monatsmittelwerte
nach Ost gerichtet ( S. 14, Abb. 5),
gleichzeitig jedoch beträchtlichen
Schwankungen unterworfen. Ein häufig
verwendetes Maß zu ihrer Beschreibung
ist die Nordatlantische Oszillation
(NAO), die sich aus der Luftdruckdifferenz zwischen Azorenhoch und Islandtief ermitteln lässt. Ist diese Differenz
groß (positive Phase der NAO wie im
Januar 1984 ), entwickelt sich über
dem Nordatlantik eine kräftige Westströmung, mit der zumeist milde Meeresluft nach Mitteleuropa geführt wird.
24
10
Klima ist als Synthese des Wetters über
einen längeren Zeitraum zu begreifen.
Betrachtet man verschiedene derartige
Zeiträume, ergeben sich meist etwas unterschiedliche klimatische Verhältnisse.
In der zeitlichen Abfolge resultiert
daraus eine natürliche Variabilität des
Klimas, die längerfristige Trends
( Beitrag Rapp/Schönwiese, S. 56)
überlagert.
Im vorliegenden Beitrag blicken wir
auf das 20. Jahrhundert und vergleichen
verschiedene jeweils zehnjährige Zeiträume miteinander. Die mittlere Temperaturverteilung über Deutschland im
Januar und Juli ist für die jeweils
wärmsten bzw. kältesten 10 Jahre des
Zeitraums 1901-1998 dargestellt (
bis
). Datengrundlage sind Monatsmittelwerte der Temperatur, die von zahlreichen Messstationen von der Climatic
Research Unit in Norwich auf Gitterfelder von 0,5° Kantenlänge umgerechnet worden sind. Im Hochwintermonat
Januar zeigt sich zunächst in beiden
Dezennien (
und ) mit steigender
Kontinentalität das bekannte Temperaturgefälle in Richtung Osten und
Südosten, das kälteste und das wärmste
Jahrzehnt unterscheiden sich jedoch in
den mittleren Temperaturen um bis zu
mehr als 5 °C. Im Hochsommermonat
Juli sind die Temperaturunterschiede
geringer als im Winter, erreichen aber
stellenweise noch Werte von 2-3 °C (
und ). Innerhalb des 20. Jhs. hat es
also thermisch deutlich kontrastierende
Zeitabschnitte gegeben.
Bildet man zehnjährige Mittelwerte
fortlaufend nach Zeitschritten von
jeweils einem Jahr (also für 1901-1910,
1902-1911 etc. bis 1989-1998), wird ein
kontinuierlich variabler Temperaturverlauf deutlich. Abbildung zeigt dies
für die über Deutschland gemittelten Januar- und Julitemperaturen. Man erkennt, dass sich zusätzlich zur beobachtbaren langfristigen Temperaturzunahme, die v.a. im Winter deutlich ausgebildet ist, immer wieder Zeitabschnitte
höherer und niedrigerer Temperaturen
abgelöst haben. Sucht man nach Erklärungen für diese Variabilität, ist zu beachten, dass sich das Klima einer Region nicht nur aus den örtlichen Bedingungen der geographischen Lage und
des Energiehaushaltes bestimmt, sondern auch durch die Eigenschaften von
Luftmassen geprägt wird, die durch die
atmosphärische Zirkulation großräumig
transportiert werden und dabei in die
betreffende Region gelangen können.
Dieser Advektionsanteil ist für
Deutschland ein äußerst wirksamer Klimafaktor und in erster Linie die Ursache
für die beobachtete Klimavariabilität.
Über Mitteleuropa ist die atmosphärische Zirkulation im Mittel von West
1018
20°
10° w. L.
101
8
0°
10° ö. L.
20°
40°
30°
Mittlerer monatlicher Luftdruck
1010
1018
10 hPa - Isobare
2 hPa - Isobare
© Leibniz-Institut für Länderkunde 2003
Hochdruckgebiet
Tiefdruckgebiet
Autoren: P. Hupfer, J. Jacobeit
Wärmstes Dezennium (1988 -1997) des Zeitraums
1901 - 1998 nach den Januartemperaturen
Kältestes Dezennium (1938 -1947) des Zeitraums
1901 - 1998 nach den Januartemperaturen
Zehnjährige Monatsmittelwerte der Lufttemperaturen
Zehnjährige Monatsmittelwerte der Lufttemperaturen
55°
55°
O
O
Inn
12°
-1,0
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0
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49°
-1 ,
13°
-2
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Frankfurt a.M.
Inn
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-3 ,0
Freiburg
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-6,
0
-5,0
7° ö. L.
14°
Wärmstes Dezennium (1986 -1995) des Zeitraums
1901 - 1998 nach den Julitemperaturen
8°
Rh
ein
11°
Erfurt
-2,0
-3,0
10°
Leipzig
Kassel
Köln
48° n. B.
,0
-1
9°
10° --7,0 11°
Inn
12°
13°
14°
Kältestes Dezennium (1907 -1916) des Zeitraums
1901 - 1998 nach den Julitemperaturen
Zehnjährige Monatsmittelwerte der Lufttemperaturen
Zehnjährige Monatsmittelwerte der Lufttemperaturen
55°
55°
0
8°
9°
10°
11°
12,0
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12°
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18,0
13°
Mainz
Saarbrücken
49°
18,0
48° n. B.
16,0
14,0
14°
7° ö. L.
Nürnberg
schwächer. Allerdings fällt im Juli die
Veränderlichkeit in der Ostregion
(sOst = 13,6 mm) wesentlich stärker aus
als in der Westregion (sWest = 4,1 mm).
Exzeptionelle Anomalien lassen es in
den 1950er Jahren im Osten sogar zu
höheren Niederschlägen kommen als
im Westen. Dagegen fallen die Niederschlagswerte im Osten in den darauf
Autoren: P. Hupfer, J. Jacobeit
folgenden Jahrzehnten deutlich unter
das weitgehend gleichbleibende Niveau
der Westregion, so dass die beiden Reihen auf Dezennienbasis keine signifikante Korrelation mehr zeigen.
Zusammenfassend kann festgestellt
werden, dass bei den Niederschlagsschwankungen in Deutschland erhebliche regionale Unterschiede auftreten.
L abe
(Elbe)
18, 0
Regensburg
16,0
9°
,0
Stuttgart
nau
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Freiburg
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8°
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Inn
München
13,0
11°
14,0
0
15,
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0
© Leibniz-Institut für Länderkunde 2003
1 8, 0
Sa
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Frankfurt a.M.
Inn
17,0
7° ö. L.
M
1 7 ,0
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50°
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(Moldau)
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(Moldau)
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R
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2,0
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54°
BERLIN
51°
E
2,0
1,0
Elb
Bremen
53°
ein
Rh
von den Schwankungen der NAO also
erheblich beeinflusst werden. Im Sommer ist dieser Einfluss viel geringer.
Jetzt bestimmen eher die Luftdruckschwankungen im südskandinavischen
Raum (in Abb. durch einen standardisierten Druckindex repräsentiert) den
Verlauf der Julitemperaturen in
Deutschland (r = 0,51): Es ist tendenziell wärmer (kühler) bei höherem (tieferem) Druck über Südskandinavien.
Allerdings kann dieser Zusammenhang
zwischenzeitlich auch nicht bestanden
haben, wie es die Zeit um 1930 zeigt.
Das räumlich und zeitlich veränderlichste Klimaelement ist der Niederschlag. Auch er hängt von der atmosphärischen Zirkulation ab, wird aber
durch Kontinentalitätsgrad, Reliefeinfluss und lokale Faktoren räumlich
besonders stark differenziert ( Beiträge Klein/Menz, S. 42-47 und Endlicher/Hendl, S. 32). Um die Variabilität
des Niederschlags zu verdeutlichen,
werden daher gleitende zehnjährige
Mittelwerte des Januar- und Juli-Niederschlags für eine West- und eine Ostregion dargestellt : das im RheinMain-Gebiet gelegene Gitterfeld von
50-51°N und von 7-9°O sowie das sich
südlich von Berlin erstreckende Gitterfeld von 51-52°N und von 12-14°O. Im
Januar ist bei einem einigermaßen parallelen Verlauf der beiden Kurven (Korrelationskoeffizient r = 0,51) ein durchgängig niedrigeres Niederschlagsniveau
in der Ostregion zu sehen (Mittelwerte
von 61 bzw. 38 mm). Die zeitliche Veränderlichkeit ist in der Westregion höher ( Standardabweichung sWest = 7,0 mm,
sOst = 4,7 mm), insbesondere kommen
dort die niederschlagsreicheren Phasen
um die 1930er und 1980er Jahre prägnanter zum Ausdruck. Die mittleren
Werte für Juli liegen mit 71 mm (West)
und 64 mm (Ost) deutlich über den Januar-Werten, wie es für kontinentalere
Lagen charakteristisch ist. Der Unterschied zwischen den Regionen ist meist
Rostock
2,0
Standardabweichung – Streuungsmaß
s einer statistischen Verteilung als algebraische Funktion aller Messwerte der
Verteilung in Beziehung zum arithmetischen Mittel
D
Hamburg
ei n
Rh
Korrelationskoeffizient – statistisches
Maß r für einen linearen Zusammenhang
zwischen zwei voneinander unabhängigen Verteilungen. Die Werte von r liegen
zwischen –1 und +1, wobei –1 einen
maximalen negativen Zusammenhang,
+1 einen maximalen positiven Zusammenhang und 0 gar keinen Zusammenhang bedeutet. Alle hier angegebenen
Korrelationskoeffizienten sind mit einer
Irrtumswahrscheinlichkeit von 5% von
Null verschieden und somit signifikant.
R
N O
Advektion – horizontale Zufuhr von
Luftmassen
E E
Kiel
S
54°
S
S
Mo
E
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50
13,0
12,0
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,
13° 1 1 14°
100
150
200 km
Maßstab 1 : 8 500 000
Die Lufttemperatur variiert wesentlich
gleichförmiger und lässt dabei deutlicher den Einfluss atmosphärischer Zirkulationsschwankungen erkennen.
Klimavariabilität
61