Treten mit dem Klimawandel extreme Klimasituationen - Hitzewellen, Kältewellen, Trockenperioden und Starkniederschläge - immer häufiger auf? Die Analyse von 250 Jahren Klimavergangenheit aus direkten Messungen im Großraum Alpen (HISTALP) spricht dagegen.
Reinhard Böhm für den Science-Blog
Im öffentlichen Diskurs wird es als erwiesen betrachtet, dass der Klimawandel mit einer Zunahme von Häufigkeit und Intensität extremer Wettersituationen einhergeht. So formulierte beispielsweise Erwin Mayer, ein Klimaexperte von Greenpeace, im Jahre 2005 „Heute gibt es in der Wissenschaft keine Zweifel mehr daran, dass das Klima immer extremer wird!“
Zu diesem Thema hat sich der Weltklimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) in seinem jüngsten, 2012 erschienenen Bericht [1] allerdings sehr vorsichtig geäußert: „Confidence in observed changes in extremes depends on the quality and quantity of data and the availability of studies analyzing these data, which vary across regions and for different extremes“ und diesbezüglich angemerkt: „Extreme events are rare, which means there are few data available to make assessments regarding changes in their frequency or intensity.”
Tatsächlich existiert ein ungewöhnlich langer und hochwertiger Datensatz aus dem Großraum Alpen, welcher auf die weltweit längste Tradition an Klimaaufzeichnungen – bis 250 Jahre in die Vergangenheit – zurückblicken kann. Diese Daten erfüllen die Ansprüche an Qualität und Quantität der Messreihen, an Dichte des Messnetzes und statistischer Signifikanz. Führt man an Hand dieser Klimadaten eine Analyse von Klimavariabilität und Klimaschwankungen aus, so findet man nur schwerlich einen Trend der Extremwerte, der vom Trend der Mittelwerte abweicht [2]. Im Gegenteil: Die Temperaturschwankungen sind in den letzten Jahrzehnten sogar geringer geworden. Es ist zwar wärmer geworden, aber die Schwankungen haben eindeutig nicht zugenommen.
Klimadatensammlung aus dem Großraum Alpen
HISTALP (Historical Instrumental Climatological Surface Time Series of the Greater Alpine Region) ist eine öffentlich zugängliche, internationale Klimadatenbank der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG) für den Großraum Alpen [3]. Diese Datenbank enthält in monatlicher Auflösung mehr als fünfhundert Zeitreihen von mehreren Klimaelementen (Temperatur, Luftdruck, Niederschlag, Sonnenscheindauer und Bewölkung), darunter 58 Langzeitreihen, die zumindest bis 1830 - einige davon bis vor 1800 - in die „frühinstrumentelle Klimaperiode“ zurückdatieren.
Was bedeutet „Großraum Alpen“ (GAR: Greater Alpine Region)? Dieser schließt auch größere Gebiete Mitteleuropas und des Mittelmeerraums ein, wobei die Alpen eine scharfe Klimagrenze zwischen drei Hauptklimazonen (atlantisch, kontinental, mediterran) darstellen. Abbildung 1 zeigt die aktuelle Karte der Messstationen, wobei entsprechend den Klimazonen eine Regionalisierung in Subregionen Nordost, Nordwest, Südost und Südwest erfolgte.
Abbildung 1. HISTALP Stationsnetz (Stand 2008). Ein Netzwerk von ca. 200 Standorten und mehr als 500 einzelnen Klimazeitreihen, darunter 32 Langzeitreihen, die zum Teil bis 1760 zurückdatieren. Die objektiv analysierte Regionalisierung wird durch unterschiedliche Farben wiedergegeben, die Klimagrenzlinien sind eingezeichnet.
Qualität der Messreihen. Da Messungen in frühen Perioden nicht unbedingt nach heutigen, standardisierten Kriterien stattfanden, wurde für diese Zeitabschnitte eine Anpassung an den aktuellen Zustand von Messstationen und Technologien durchgeführt. Diese Korrekturen von Fehlern und Inhomogenitäten – die sogenannte „Homogenisierung“ der Originaldaten – erfolgte hinsichtlich Änderungen des Standorts, der Instrumentierung, der Mess- und Auswertemethoden, der Umgebung und anderen wichtigen Kriterien. Beispielsweise wurden mehrjährige Parallelmessungen an einer historischen Installation und der modernen Gartenaufstellung in der Langzeitstation des Stifts Kremsmünster durchgeführt. Diese ermöglichten die Bestimmung der Abweichungen der historischen Messungen von den aktuellen Messungen und damit die Erstellung von Korrekturmodellen für den Vergleich der Messwerte der Gegenwart mit den historischen Abschnitten der Messreihen (Abbildung 2).
Abbildung 2. Langzeitmessstelle im Stift Kremsmünster: Parallelmessung der Temperatur. Links: Historische Installation: 6 m vom Boden, Ausrichtung NNE, rechts: moderne Gartenhütte: 2 m vom Boden. Mitte: Differenz der gemessenen Temperatur: „historisch minus modern“ im Tagesverlauf, für die Monate Jänner – Juni.
Zeitliche Auflösung der Messreihen – ausreichend um Klima-Extrema anzuzeigen? Der Datensatz HISTALP wurde zunächst für Zeitreihen in monatlicher Auflösung entwickelt: dadurch war es möglich die „instrumentelle Periode“ sehr weit in die Vergangenheit – bis maximal zum Jahr 1760 – auszudehnen. Die monatlichen Datensätze erweisen sich als durchaus geeignet vor allem die wirtschaftlich bedeutenden und großräumigeren Extremwerte verlässlich anzuzeigen: diese werden in monatlicher, aber auch saisonaler, jährlicher Auflösung gut sichtbar und voll analysierbar. Ein Beispiel dafür ist an Hand der Zeitreihen von lokalen Niederschlagsmengen in Abbildung 3 dargestellt.
Die Debatte um Extremwerte als Folge des Klimawandels und um deren gravierende humanitäre und volkswirtschaftliche Folgen wird bei uns noch heute von der Hochwasserkatastrophe im August 2002 dominiert. Auch wenn die damaligen, enormen Niederschläge nur wenige Tage andauerten, treten sie in den Zeitreihen von Abbildung 3 überaus deutlich hervor. Dabei stellen die im Kerngebiet des Hochwassers gemessenen Monatssummen die absolut höchsten Werte auch der längsten Zeitreihen dar. Dass diese Katastrophe räumlich begrenzt war, wird aus den Messungen in den nicht sehr weit entfernten Städten Wien und Regensburg ersichtlich.
Abbildung 3. Niederschlagszeitreihen für den Monat August im Kerngebiet der Hochwasser-Katastrophe im August 2002 und in entfernten Randgebieten. Die Niederschlagsmenge im August 2002 ist farbig (pink) hervorgehoben und mit dem Zahlenwert angegeben (Datenquelle: www.zamg.ac.at/histalp)
Für die Zeit seit 1950 kann in Österreich für die Klimaelemente Minimum- und Maximumtemperatur sowie Niederschlagssumme nun auch auf rund 50 Zeitreihen in täglicher Auflösung zurrückgegriffen werden, die auf der Basis hochkorrelierter Referenz-Messstationen homogenisiert wurden.
Analyse: 250 Jahre Klimavergangenheit [2]
Es kann kein Zweifel daran bestehen, dass es in den letzten Jahrzehnten wärmer wurde, im Alpenraum sogar stärker als im weltweiten Mittel (Abbildung 4). Im Alpenraum können dabei zwei Phasen beobachtet werden: zwischen 1790 und 1890 kam es zu einer Abkühlung um rund 1 °C, in den darauffolgenden 116 Jahren zu einer Erwärmung um 1,48 °C. Im Vergleich dazu war die globale Erwärmung 1890 – 2005 mit 0,74 °C nur halb so hoch. (Globale Messsysteme existieren erst ab 1850.)
Abbildung 4. Abweichungen der Jahrestemperatur vom Mittelwert 1901 –2000. Mittlere Temperatur im Alpenraum (HISTALP-Datenbank): Abweichungen der Einzeljahre und 20-jährig geglättet (rot). Im Vergleich dazu das weltweite Ländermittel 1858 – 2005 (blau; Climatic Research Unit, Univ. East Anglia, Norwich).
Mit der Klimaerwärmung werden natürlich auch Hitzewellen häufiger. Werden damit aber auch die Schwankungen insgesamt immer häufiger und stärker? Stimmt die allgemeine Ansicht, dass es kaum noch Übergangsjahreszeiten gibt, dass alle Jahreszeiten immer mehr durch extreme Kalt-Warm-Schwankungen gezeichnet sind? Unsere Studie [2] zeigt eindeutig, dass das nicht so ist. Dazu gibt es überraschende Ergebnisse (Abbildung 5):
- In den letzten 250 Jahren wurden im Alpenraum die saisonalen und jährlichen Schwankungsbreiten heiß-kalt, trocken-feucht nicht stärker und damit nicht extremer.
- Auch die letzten 30 Jahre, die stark durch den Einfluss des Menschen geprägt sind, zeigen im Vergleich zu den Jahrzehnten davor keinen Trend zu mehr Variabilität.
- In Langzeitverläufen zeigen sich bei Temperatur, Niederschlag und Luftdruck zwei lange Wellen der Variabilität mit einer Wiederkehrzeit von etwa hundert Jahren. Die Tatsache, dass dieser Zeitverlauf in allen drei, unabhängig von einander gemessenen Klimaelementen auftritt, spricht dagegen, dass es sich um Artefakte auf Grund unterschiedlicher Messtechnologien handelt. Variabler („verrückter“) war das Klima in der Mitte der beiden vergangenen Jahrhunderte, weniger variabel („ruhiger“) zu Beginn und Ende der Jahrhunderte. Diese langen Wellen lassen sich vorerst nicht erklären. Eine mögliche Ursache sind Wechselwirkungen mit den Ozeanen, die im Klimasystem sozusagen ein Langzeitgedächtnis besitzen.
Abbildung 5. Veränderungen der Klimaschwankungen für die drei Klimaelemente: Luftdruck, Temperatur und Niederschlag in den drei Subregionen (NW, S, NE) des Alpenraums. Die Zeitverläufe stellen den 90 %-Bereich dar, innerhalb dessen die einzelnen Jahresmittel (bzw. -summen) in 30-jährigen Subintervallen gelegen sind. Die Subintervalle wurden „übergreifend“ (von Jahr zu Jahr fortschreitend) über die regionalen Zeitreihen berechnet.
Fazit und Ausblick
Die Analyse eventueller Trends von Extremwerten in der Vergangenheit erfordert lange und räumlich dichte Zeitreihen und eine sorgfältige Homogenisierung (siehe oben) dieser Datenreihen, um zu signifikanten Ergebnissen zu kommen, da ja die sehr seltenen, sehr starken Ausreißer das Ziel der Analyse sind. Trendanalysen auf der Basis der HISTALP Datenbank, die beide Voraussetzungen erfüllt, kommen zu folgenden Ergebnissen:
- Mit der generellen Klimaerwärmung (Abbildung 4) steigen auch Extremwerte, die sich auf Hitze beziehen, und im gleichem Maß ist ein Rückgang der Kälteindizes zu beobachten. Eine umfassende Trendanalyse der oben erwähnten, in täglicher Auflösung verfügbaren homogenisierten Zeitreihen zeigt innerhalb Österreichs eine eher einheitliche Tendenz zu wärmeren Minimum- und Maximumtemperaturen.
- Die Analyse dieser Zeitreihen hinsichtlich Niederschlagsindizes ergab deren größere räumliche Heterogenität. Eine Langzeitstudie in zwei benachbarten, durch den Alpenhauptkamm getrennten Tälern (Rauristal und Mölltal) der Region Hohe Tauern wies auf einen möglichen Ansatzpunkt für die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Zeitreihenanalysen von Klima-Extremwerten hin. Zumindest in dieser Region ist eine deutliche Ähnlichkeit der Trends von auf Tageswerten beruhenden niederschlagsbezogenen Extremwerten mit den Trends, bzw. den geglätteten Verläufen von Jahres-Gesamtniederschlägen zu sehen. Sollte dieses Ergebnisses auf andere Regionen übertragbar sein, könnte auch in Fällen unzureichender Extremwertindizes auf Tagesbasis eine Abschätzung auf der Basis homogenisierter Zeitreihen mit längerer Zeitauflösung getroffen werden.
- Die Schwankungen in den Klima-Parametern haben in den letzten 30 Jahren, in einer von Menschen geprägten „Greenhouse Gas“ Atmosphäre, nicht zugenommen, für die Temperatur sogar abgenommen (Abbildung 5). Zumindest für den Großraum Alpen ist es also nicht unbedingt zu erwarten, dass zum Beispiel in Gegenden mit generell fallendem Niederschlagstrend (wie etwa im Südosten des Alpenbogens) ein Anstieg der Starkregen zu erwarten ist oder, im umgekehrten Fall in Regionen mit Niederschlagszunahme (wie etwa im Nordwesten des Alpenbogens) die Trockenperioden häufiger werden.
Nachweise und Quellen:
[1] Special Report of the IPCC (2012): Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation (SREX); (abgerufen 1. September 2012)
[2] R. Böhm (2012): Changes of regional climate variability in central Europe during the past 250 years. ; The European Physical Journal Plus 127/54, doi:10.1140/epjp/i2012-12054-6
[3] R. Böhm et al., (2009): HISTALP (instrumentelle Qualitäts-Klimadaten für den Großraum Alpen zurück bis 1760).
Wiener Mitteilungen 216, 7 – 20 (PDF-download)
Anmerkungen der Redaktion
Der Autor
Reinhard Böhm wird hier vorgestellt.
Addendum (11.9.):
Dr. Böhm hat dankenswerter Weise eine Stellungnahme zu einigen der Postings abgegeben, die im Verlauf der Diskussion seinem Artikel folgten. Auf die folgende Abbildung wird darin Bezug genommen:
Entwicklung der Meereisfläche der Antarktis (rot) und der Arktis (blau) seit 1979 (NSIDC 2010b).
Das angesprochene "Alcoclim-Heft" können Sie hier herunterladen:
Auer et.al.: ÖBMG (vol.25) "Alcoclim 1767-2000"
