Dürre und Starkniederschlag Langzeitvariabilität und Trends in Sachsen

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1 Datenverfügbarkeit [%] Datenverfügbarkeit [%] Dürre und Starkniederschlag Langzeitvariabilität und Trends in Sachsen Stephanie Hänsel TU Bergakademie Freiberg, Interdisziplinäres Ökologisches Zentrum, Brennhausgasse 14, 999 Freiberg ( Tel.: ) Einleitung In den vergangenen Dekaden wurden global und regional Veränderungen in verschiedenen klimatischen Kenngrößen festgestellt. Neben einer generellen Erwärmung der Erdoberfläche sind auch Anstiege in den Niederschlagssummen bzw. Umverteilungen des Niederschlags innerhalb des Jahres beobachtet wurden. Dabei sind Veränderungen in der Häufigkeit, Intensität und Andauer extremer Wetter- und Klimaereignisse aufgrund deren negativer Auswirkungen auf menschliche und natürliche Systeme von besonderem Interesse. Regional können die Klimaveränderungen sehr unterschiedlich ausfallen, weshalb detaillierte regionale Analysen notwendig sind. Die Identifikation robuster Trends ist dabei aufgrund der großen natürlichen Variabilität des Niederschlags, der definitionsgemäßen Seltenheit extremer Ereignisse sowie der im Allgemeinen recht kurzen Datenreihen stark eingeschränkt. Hier wird für den Freistaat Sachsen ein räumlich hochaufgelöster Datensatz langer Niederschlagreihen hinsichtlich der beobachteten Variabilität und Trends im 2. Jahrhundert bis zum Jahr 212 ausgewertet. Daten und Methoden Die Monatsdaten (132 Stationen, Abb. 1) werden für den Zeitraum und die Tagesniederschläge (118 Stationen; umrandete Stationen in Abb. 1) für den Zeitraum betrachtet. Die digitale Datenverfügbarkeit variiert stark mit der Zeit (Abb. 2). Untersucht wurden die Niederschläge mittels des Niederschlagsanomalienindikators (VAN-ROOY 196, HÄNSEL 29). Zudem wurden verschiedene Starkniederschlagsund Trockenheitsindikatoren berechnet. Untersucht wurden die zeitliche Variabilität und die Trends (mittels linearer Regression) in den einzelnen Jahreszeiten sowie den Vegetationsperioden I (Apr. bis Jun.) und II (Jul. bis Sep.). Abb. 1: Lage der Stationen inklusive Höhenstufen-Einordnung (Tiefland: < m, Hügelland: 3 m, Bergland: 3 6 m, Kammlagen: > 6 m; von den umrandeten Stationen wurden Tagesdaten genutzt) 1 8 Monatsdaten 1 8 Tagesdaten ,4% 62,3% 99,% 7,9% ,2% 99,% 78,8% Abb. 2: Datenverfügbarkeit der Monats- und Tagesniederschlagsdaten mit Angaben zur mittleren Datenverfügbarkeit in den vier Zeitscheiben (P1 bis P4) 2

2 Zur Bewertung der zeitlichen Stabilität der Trends wurden Trends verschiedener Zeiträume miteinander verglichen. Gleitende -Jahrestrendanalysen illustrieren zusätzlich die zeitliche Stabilität bzw. Variabilität der Trends. Für einige Untersuchungen wurden zudem vier 3- bzw. 22- Jahreszeitscheiben (P1: , P2: , P3: , P4: ) herangezogen. Niederschlagscharakteristik der Region und mittlere Niederschlagsveränderungen Anhand des Niederschlagsanomalienindikators wurden die zehn nassesten sowie trockensten Jahre und Jahreszeiten innerhalb des Untersuchungszeitraumes bestimmt (Tabelle 1). Dabei fällt auf, dass drei der zehn nassesten Jahre im 21. Jahrhundert liegen und diese drei Jahre in der Vegetationsperiode II besonders nass waren. Dagegen finden sich unter den nassesten Sommern außergewöhnlich viele (fünf) Ereignisse zu Beginn des 2. Jahrhunderts. Um zu überprüfen, ob dies eine Folge der geringeren Datenverfügbarkeit zu Beginn des 2. Jahrhunderts in Kombination mit den besonders kleinräumigen Niederschlagsschwankungen während des Sommers ist, wurde die gesamte Analyse für ein reduziertes Datenkollektiv von 2 Stationen mit mindestens % Datenverfügbarkeit in der Zeitscheibe P1 ( ) wiederholt. Dabei zeigten sich zwar leichte Schwankungen in der Reihenfolge der extremsten Jahre, jedoch keine systematischen Verschiebungen. Hinsichtlich der trockensten Ereignisse sticht besonders das Frühjahr heraus mit drei von zehn Ereignissen im 21. Jahrhundert. Tabelle 1: Nasseste und trockenste Jahre(szeiten) im Untersuchungsgebiet nach dem Niederschlagsanomalienindikator (die Zellfüllung kennzeichnet die vier Untersuchungsperioden: P1 weiß, P2 hellgrau, P3 mittelgrau, P4 dunkelgrau) nasseste Jahre(szeiten) Jahr Fhj Som Her Win VP-I VP-II trockenste Jahre(szeiten) Jahr Fhj Som Her Win VP-I VP-II Die saisonale Niederschlagsvariabilität sowie die relativen linearen Trends für drei Untersuchungszeiträume (191, 1931 und 191 bis 212) werden in Abb. 3 anhand des regional gemittelten Niederschlagsanomalienindikators illustriert. Die Normalisierung des Niederschlags erfolgte auf den Zeitraum Positive -Werte entsprechen zu nassen und negative -Werte zu trockenen Bedingungen. Die Langzeitschwankungen im Niederschlagsverhalten beeinflussen dabei deutlich die linearen Trends. Die Phasen in denen besonders viele der nassesten bzw. trockensten Ereignisse registriert wurden (Tabelle 1) sind auch nach der Glättung der Zeitreihe über ein 11-jähriges gleitendes Mittel sichtbar. Während die Langzeittrends der Sommerniederschläge negativ sind und für Herbst und Winter ansteigende Niederschlagssummen beobachtet wurden, haben sich die Frühjahrsniederschläge kaum verändert (Abb. 3). Der für den Sommer beobachtete Niederschlagsrückgang ( ) schwächt sich in den jüngeren Analysezeiträumen (1931/1 212) ab. Dagegen intensivieren sich die Niederschlagszunahmen in Herbst und Winter in jüngster Zeit.

3 Relativer linearer Trend [%] Relativer linearer Trend [%] Frühjahr Herbst Winter Abb. 3: Jahreszeitliche Variabilität (11-jähriges gleitendes Mittel) und Trends (für , und ) des Niederschlags (anhand des ) zwischen 191 und Sommer Starkniederschlagstrends Die Veränderungen in der Häufigkeit von Starkniederschlägen werden hier am Beispiel der Überschreitungshäufigkeit des 9. Perzentiles beschrieben. Im Allgemeinen passen die Starkniederschlagstrends zu den mittleren Niederschlagsveränderungen die Häufigkeit starker Niederschläge nimmt im Herbst und Winter zu und im Frühjahr und Sommer tendenziell ab bzw. zeigt keinen klaren Trend (Abb. 4, links und Tabelle 2). Während die Herbst- und Wintertrends zeitlich recht stabil positiv sind, schwanken die Frühjahrs- und Sommertrends in Abhängigkeit vom Analysezeitraum deutlich zwischen positiven und negativen Werten Frühjahr Sommer Herbst Winter VP-I VP-II Abb. 4: Gleitende -Jahrestrends (regionales, ungewichtetes Mittel der relativen linearen Stationstrends) der Überschreitungshäufigkeit des 9. Perzentils für die vier Jahreszeiten (links) und die beiden Vegetationsperioden (VP; rechts) zwischen 1931 und 212

4 Vor allem im Sommer haben die häufigen Starkniederschlagsereignisse der letzten Jahre zu einer Verschiebung in Richtung positiver Trends geführt. Der Vergleich der beiden Vegetationsperioden zeigt eine deutliche Intensivierung der -Jahres-Trends in Richtung häufigerer (seltenerer) Starkniederschläge in der Vegetationsperiode II (I) seit ca ( ). Veränderungen in der Andauer von Nass- und Trockenphasen Basierend auf den trockenen Tagen ohne hydrologisch wirksamen Niederschlag (Schwellenwert 1 mm) wurden in den einzelnen Jahreszeiten betrachtet. Analog dazu wurden berechnet (Perioden mit mind. 1 mm Tagesniederschlagshöhe). Grundsätzlich sind die deutlich kürzer als die. Beide unterliegen wie die mittleren Niederschlagssummen deutlichen Schwankungen innerhalb des Untersuchungszeitraums. Zwischen 1931 und 212 am deutlichsten abgenommen hat die von im Herbst (Abb. ). Dagegen sind die im Frühjahr und Sommer tendenziell länger geworden. Dafür sind in diesen beiden Jahreszeiten zurückgehende maximale längen zu beobachten. Der Winter zeigt bei den bis 212 berechneten regionalen Trends kaum Veränderungen in der maximalen Länge von, jedoch ebenso wie der Herbst zunehmende maximale längen. 2 2 Frühjahr 2 2 Sommer Herbst 2 2 Winter Abb. : Variabilität (11-jähriges gleitendes Mittel) und Trends (relative lineare Trends für zwei Zeiträume) der maximalen Trocken- und länge (regionaler Mittelwert) in den vier Jahreszeiten zwischen 1931 und 212 Tabelle 2 verdeutlicht, dass die stärksten regional gemittelten Trendsignale mit einem hohen Anteil gleichgerichteter Trends verbunden sind. Die Größe und Richtung der Trends wird dabei in vielen Fällen nicht nur durch den Beginn der Zeitreihe (1931 oder 191), sondern auch durch das Einbeziehen der 12 Jahre im 21. Jahrhundert stark modifiziert werden. Während zum Beispiel die bis 2 gerechneten Sommertrends auf zunehmende maximale län-

5 mxtpd mxnpd N9p gen hinweisen, verschwindet dieses Signal bei Verlängerung der Zeitreihe bis 212. Auch die Nassphasen nehmen im Sommer unter Einbeziehung der letzten 12 Jahre deutlich stärker in ihrer maximalen Andauer ab, als wenn die Trends nur bis zum Jahr 2 gerechnet werden. Tabelle 2: Jahreszeitentrends (relative lineare Trends in %; MW: Mittelwert der verfügbaren Stationstrends; rot/blau: Trend in Richtung trockenerer/ nasserer Bedingungen) für den Starkniederschlagsindikator N9p sowie die von Nass- (mxnpd) und längen (mxtpd) sowie Prozentanteil der Stationen mit positiven (pos) und negativen (neg) Trends (grau hinterlegt sind die Zeiträume deren Trend an mind. 7% der Stationen in die gleiche Richtung geht) Frühjahr Sommer Herbst Winter MW pos neg MW pos neg MW pos neg MW pos neg Schlussfolgerungen Innerhalb des 2. Jahrhunderts und zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden in Sachsen starke Schwankungen im Niederschlag und seinen Extremen beobachtet. Aufgrund dieser großen zeitlichen und räumlichen (hier weniger gezeigt) Variabilität des Niederschlags in Kombination mit den enormen Schwankungen im Stationskollektiv (Verfügbarkeit langer lückenloser Reihen) ist die Identifikation robuster Änderungssignale kaum möglich. Trendextrapolationen in die Zukunft fehlt daher die Basis. Grundsätzlich passen die Entwicklungen bei den moderaten Niederschlagsextremen gut zu den allgemeinen Niederschlagsentwicklungen. Mit den ansteigenden Niederschlagssummen im Herbst und Winter waren zumeist auch häufigere Starkniederschläge und längere Nassphasen verbunden. Die Entwicklungen im Frühjahr und Sommer sind als deutlich weniger robust einzustufen, als diejenigen im Herbst und Winter. Die Tendenz zur Abnahme des Niederschlags und zunehmenden längen während des Sommers, die sich bis zum Jahr 2 zeigte hat sich im 21. Jahrhundert nicht fortgesetzt. Die nach Vegetationsperioden differenzierte Trendbetrachtung zeigt, dass insbesondere die erste Vegetationsperiode trockener geworden ist, während die zweite Vegetationsperiode in jüngster Zeit zu feuchteren Verhältnissen mit häufigeren Starkniederschlägen tendiert. Literatur HÄNSEL, S., 29: Saxon Precipitation Characteristics trends of extreme precipitation and drought. Dissertation, TU Bergakademie Freiberg, Cuvillier, Göttingen, 269 pp. VAN ROOY, M. P., 196: A rainfall anomaly index independent of time and space. Notos 14, 43-48, Weather Bureau of South Africa.