Christoph Beck

• In der vorliegenden Studie wurden auf der Basis langer mitteleuropäischer Zeitreihen der Temperatur und des Niederschlags sowie rekonstruierter monatlicher Bodenluftdruckfelder für den Bereich Nordatlantik-Europa Untersuchungen zur langperiodischen klimatischen und zirkulationsdynamischen Variabilität im Zeitraum 1780-1995 durchgeführt. Der im Rahmen dieser Arbeit betrachtete Zeitraum umfaßt damit neben dem 20. Jahrhundert, das durch eine zunehmende menschliche Einflußnahme auf das Globalklima gekennzeichnet ist, eine historische, bezüglichIn der vorliegenden Studie wurden auf der Basis langer mitteleuropäischer Zeitreihen der Temperatur und des Niederschlags sowie rekonstruierter monatlicher Bodenluftdruckfelder für den Bereich Nordatlantik-Europa Untersuchungen zur langperiodischen klimatischen und zirkulationsdynamischen Variabilität im Zeitraum 1780-1995 durchgeführt. Der im Rahmen dieser Arbeit betrachtete Zeitraum umfaßt damit neben dem 20. Jahrhundert, das durch eine zunehmende menschliche Einflußnahme auf das Globalklima gekennzeichnet ist, eine historische, bezüglich ihrer Klimacharakteristik anthropogen nahezu unbeeinflußte Periode. Vor dem Hintergrund der zeitlichen Limitierung bisheriger zirkulationsdynamischer und synoptisch-klimatologischer Forschungsarbeiten auf die letzten etwa 100 Jahre wurden folgende zentrale Zielsetzungen formuliert: - Erfassung und Darstellung der räumlich differenzierten, niederfrequenten thermischen und hygrischen Variabilität in Mitteleuropa seit 1780, auf einer möglichst umfassenden und hinsichtlich ihres klimatologischen Aussagewertes optimierten Datenbasis. - Untersuchung der korrespondierenden nordatlantisch-europäischen Zirkulationsveränderungen und ihrer Relevanz für die zeitlichen Variationen von Temperatur und Niederschlag in Mitteleuropa. - Analyse der zeitlichen Variabilität der Beziehungen zwischen großräumiger atmosphärischer Zirkulation und regionalem Klima auf multidekadischer Zeitskala. Ein erster wesentlicher Arbeitsschritt umfaßte die Überprüfung der Homogenität der verfügbaren - im Rahmen der Arbeit teilweise wesentlich erweiterten - mitteleuropäischen Temperatur- und Niederschlagszeitreihen (72 bzw. 62 Stationsreihen) mittels verschiedener absoluter und relativer Homogenitätstests. Für einen beträchtlichen Teil der Zeitreihen wurden signifikante Inhomogenitäten diagnostiziert, die unter Verwendung homogener Referenzreihen homogenisiert werden konnten. Um die angestrebte räumlich differenzierte Analyse der klimatischen Veränderungen seit 1780 zu ermöglichen, erfolgten - basierend auf nichthierarchischen Clusteranalysen der Matrizen der paarweisen Korrelationen zwischen allen Temperatur- bzw. Niederschlagsreihen - objektive Regionalisierungen von Temperatur und Niederschlag. Für die resultierenden acht thermischen und neun hygrischen Regionen Mitteleuropas wurden regionale Temperatur- und Niederschlagsreihen berechnet, die bezüglich ihrer langperiodischen Variabilität analysiert wurden. Im Vordergrund standen dabei die Ermittlung der zeitlichen Abfolge thermischer bzw. hygrischer Anomaliephasen seit 1780 sowie der klimatische Vergleich der sog. frühinstrumentellen Periode (1780-1860) mit einer modernen Referenzperiode (1915-1995). Als wesentliches Ergebnis konnte eine gegenüber dem Zeitraum 1780-1860 verminderte kontinentale Prägung des mitteleuropäischen Klimas - mit wärmeren, feuchteren Wintern und kühleren Sommern - in diesem Jahrhundert (1915-1995) festgestellt werden. Als Grundlage für die Analyse der korrespondierenden zirkulationsdynamischen Variabilität wurde eine automatische - hauptkomponenten- und clusteranalytische - Klassifikation rekonstruierter monatlicher nordatlantisch-europäischer Bodenluftdruckfelder erarbeitet. Ein zweiter automatischer Klassifikationsalgorithmus wurde in Anlehnung an die Großwettertypenklassifikation nach Hess/Brezowski unter besonderer Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse über Europa entwickelt. Die aus den Klassifikationsverfahren resultierenden Druckmusterklassen repräsentieren wesentliche Zustandsformen der atmosphärischen Zirkulation im nordatlantisch-europäischen Bereich. Basierend auf der Untersuchung der zeitlichen Veränderungen der Auftrittshäufigkeiten der verschiedenen Druckmusterklassen konnten die folgenden wesentlichen Aussagen zur zirkulationsdynamischen Variabilität seit 1780 formuliert werden: - Die zeitliche Entwicklung der Auftrittshäufigkeiten der einzelnen Zirkulationstypen und der daraus aggregierten Zirkulationsformen - zonal, gemischt, meridional - zeigt keine deutlichen langzeitlichen Trends, sondern ist von Schwankungen unterschiedlicher Periodenlänge und Amplitude gekennzeichnet. - Einige rezent zu beobachtende Veränderungstendenzen (beispielsweise die Zunahme der winterlichen Zonalzirkulation seit den 1970er Jahren) erscheinen bei Betrachtung des 216-jährigen Gesamtzeitraums als nicht außergewöhnliche Ereignisse im Rahmen langperiodischer (dekadischer bis säkularer) zirkulationsdynamischer Variabilität. Aus dem direkten zirkulationsdynamischen Vergleich der beiden Zeiträume 1780-1860 und 1915-1995 ergeben sich folgende saisonal differenzierte Unterschiede: - In den Wintermonaten Dezember und Januar sind in diesem Jahrhundert deutlich größere Auftrittshäufigkeiten von Zirkulationstypen mit südwestlicher bis nordwestlicher Richtungsorientierung des Isobarenverlaufs bei gleichzeitig reduzierten Häufigkeiten winterkalter meridionaler Druckmuster festzustellen. Zeitliche Veränderungen umgekehrten Vorzeichens manifestieren sich hingegen im Februar. - Bei intrasaisonal variierenden Befunden im Frühjahr überwiegt bei saisonaler Betrachtung eine Zunahme meridionaler Strömungskonfigurationen auf Kosten der zonalen und vor allem der gemischten Zirkulationsform. - Im Sommer dominiert eine Abnahme der zonalen Zirkulationsform zugunsten meridionaler Zirkulationstypen, die eine Anströmung aus dem nördlichen Richtungssektor implizieren. - Für die Herbstmonate September mit November ergeben sich in diesem Jahrhundert vor allem gesteigerte Häufigkeiten von Strömungskonfigurationen, die die Heranführung von Luftmassen aus westlichen bis nordwestlichen Richtungen bedingen. - Eine möglicherweise grundlegende Modifikation der nordatlantisch-europäischen Zirkulation in diesem Jahrhundert deutet sich bezüglich des häufigeren Wechsels zwischen stark zonal bzw. meridional geprägten Phasen - vor allem im Winter - an. Mittels eines einfachen empirischen Modellansatzes wurde anschließend analysiert, inwieweit sich die diagnostizierten klimatischen Unterschiede zwischen den beiden Zeiträumen 1780-1860 und 1915-1995 aus den festgestellten zeitlichen Veränderungen der Zirkulationsstrukturen ergeben. Es wurde deutlich, daß nur ein Teil der Temperatur- und Niederschlagsveränderungen zwischen historischem Zeitraum und diesem Jahrhundert durch differierende Auftrittshäufigkeiten witterungsklimatisch homogener Zirkulationstypen erklärt werden kann. Ein beträchtlicher Anteil der klimatischen Unterschiedlichkeiten der beiden Vergleichszeiträume ist offensichtlich auf zeitlich variierende Witterungscharakteristika der einzelnen Strömungskonfigurationen („within-type changes“ - zirkulationstypinterne Veränderungen) zurückzuführen. Das Ausmaß der typinternen klimatischen Modifikationen konnte durch die Berechnung der in den beiden Vergleichszeiträumen ausgebildeten typspezifischen mittleren Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse quantifiziert werden. Die Fraktionierung der zirkulationstypspezifischen Temperatur- bzw. Niederschlagsänderungsbeträge in einen durch variierende Auftrittshäufigkeiten bedingten sowie einen auf typinterne Veränderungen zurückzuführenden Anteil belegt, daß in allen Jahreszeiten internen klimatischen Modifikationen der Zirkulationstypen mit südwestlicher bis nordwestlicher Isobarenverlaufsrichtung eine gewichtige Rolle bei der Generierung zeitlicher Unterschiede der mitteleuropäischen Temperatur- und Niederschlagscharakteristik zukommt. Als Ursache der zirkulationstypinternen Veränderungen konnten zum einen unterschiedliche Ausgestaltungen der typspezifischen Druckmuster im historischen und im rezenten Zeitraum identifiziert werden (beispielsweise zeitlich variierende Druckgradienten bei generell übereinstimmenden Strömungskonfigurationen), zum anderen deuten sich auf der täglichen Zeitskala Veränderungen der Persistenzen einzelner Zirkulationstypen an. Diese zirkulationsdynamischen Modifikationen stellen aber nicht in allen Fällen einen hinreichenden Erklärungsansatz für die diagnostizierten „within-type changes“ dar, so daß zusätzlich andere verursachende Faktorenkomplexe in Betracht gezogen werden müssen (beispielsweise modifizierte thermische und hygrische Luftmasseneigenschaften aufgrund veränderter Energieflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre). Mit Blick auf diese Resultate wurden die Beziehungen zwischen großräumiger Zirkulation und regionalem bodennahem Klima mittels kanonischer Korrelationsanalysen monatlicher Bodenluftdruckfelder und regionaler mitteleuropäischer Temperatur- und Niederschlagszeitreihen detaillierter hinsichtlich ihrer zeitlichen Variabilität untersucht. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: - In allen Jahreszeiten zeigen sich im Zeitraum 1780-1995 ausgeprägte zeitliche Schwankungen des statistisch beschreibbaren Zusammenhangs zwischen großräumiger atmosphärischer Zirkulation und regionalem Klima (Temperatur und Niederschlag in Mitteleuropa). - Ein Vergleich der beiden Perioden 1780-1860 und 1915-1995 hinsichtlich der Kopplungsmechanismen zwischen Bodenluftdruckverteilung und Klima ergibt teilweise hochsignifikante Unterschiede. - Die Modellierung von Temperatur und Niederschlag in Mitteleuropa aus monatlichen Druckfeldern jeweils einem der Zeitabschnitte 1780-1860 und 1915-1995 unter Verwendung der im jeweils anderen Zeitraum etablierten statistischen Zusammenhänge erbringt nur in einem Fall (Januartemperaturen) befriedigende Übereinstimmungen zwischen den modellierten und beobachteten Klimaverhältnissen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungsergebnisse lassen die Schlußfolgerung zu, daß sich die im 20. Jahrhundert zu verzeichnenden Zirkulationsveränderungen im nordatlantisch-europäischen Sektor bislang noch in das Spektrum natürlicher zirkulationsdynamischer Variabilität einfügen. Diese Aussage stellt aber weder die wahrscheinliche Mitwirkung des anthropogen verstärkten Treibhauseffekts an den in diesem Jahrhundert beobachteten Zirkulationsdynamischen Entwicklungen im euro-atlantischen Bereich in Frage, noch kann sie als Argument für die Aufschiebung notwendiger klimapolitischer Entscheidungen oder für die verzögerte Entwicklung und Umsetzung von Handlungsstrategien zur wirksamen Reduzierung klimawirksamer Treibhausgasemissionen aufgefaßt werden.…