Wetterlagen und Großwetterlagen im 20. Jahrhundert. P. Bissolli

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1 32 DWD Klimastatusbericht 2001 Wetterlagen und Großwetterlagen im 20. Jahrhundert P. Bissolli Wetterlagen für die Beschreibung des Klimas In der Klimatologie wird sehr deutlich zwischen Wetter und Klima unterschieden. Während unter dem Begriff Wetter der physikalische Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt oder allenfalls über einen Verlauf von Stunden bis zu wenigen Tagen zu verstehen ist, wird Klima als die Synthese des Wetters über einen langen Zeitraum (i.a. Jahre, Jahrzehnte oder noch länger) angesehen (vergl. Klimadefinitionen im Artikel von G. Müller- Westermeier in diesem Band, S. 9). Gerade diese Definition des Klimabegriffs zeigt aber auch bereits, dass Wetterlagen zwar nicht einzeln für sich, wohl aber in ihrer Gesamtheit über einen längeren Zeitraum zur Beschreibung des Klimas und seiner Veränderungen beitragen können. Wenn sich die Häufigkeit bestimmter Wetterlagen über einen längeren Zeitraum hinweg verändert, dann kann man durchaus auch von einer Klimaveränderung sprechen, denn charakteristisch für eine Wetterlage ist ja die räumliche Verteilung der atmosphärischen Größen, die auch das Klima beschreiben, wie z.b. die Lufttemperatur, der Luftdruck oder der Wind. Im vorliegenden Beitrag soll untersucht werden, wie sich Wetterlagenhäufigkeiten im Verlauf des nun vergangenen 20. Jahrhunderts verändert haben und inwiefern diese Veränderungen als Klimaschwankungen interpretiert werden können. Großwetterlagenklassifikation nach Hess/Brezowsky Die zumindest in Mitteleuropa wahrscheinlich bekannteste Wetterlagenklassifikation ist diejenige nach Hess/Brezowsky. Sie beschreibt sogenannte Großwetterlagen, die von BAUR (1963) als die mittlere Luftdruckverteilung eines Großraumes, mindestens von der Größe Europas während eines mehrtägigen Zeitraumes definiert wurden. Die Länge eines solchen Zeitraumes wurde von Hess und Brezowsky (1977) auf drei Tage festgelegt. Die Klassifizierung besteht darin, dass für jeden Tag die jeweilige Wettersituation aufgrund der Position der vorherrschenden Druckgebiete und der Erstreckung der Frontalzonen über Europa einer bestimmten Wetterlagenklasse zugeordnet wird. Eine Datenreihe dieser auf Tagesbasis zugeordneten Klassen liegt seit 1881 vor und deckt damit das gesamte 20. Jahrhundert ab. Es handelt sich dabei um eine rein subjektive Klassifikation, d.h. sie wird manuell von einem erfahrenen Meteorologen des Deutschen Wetterdienstes auf der Basis der vorliegenden Luftdruckanalysen in Bodennähe und der Geopotentialanalysen in 500 hpa für jeden Tag durchgeführt. Bis 1938 standen übrigens nur Bodenwetterkarten zur Verfügung. Der Großwetterlagenkatalog wurde inzwischen mehrmals vollständig überarbeitet, zuletzt von Gerstengarbe, Werner und Rüge (1999) in seiner 5. Auflage, die im Internet abrufbar ist, um für einen möglichst großen Nutzerkreis den Zugang zu diesen Daten zu realisieren.

2 Klimastatusbericht 2001 DWD 33 Zusammenhänge zwischen Großwetterlagen und Temperatur/Niederschlag Es ist naheliegend, dass ein Zusammenhang zwischen der Häufigkeit von Großwetterlagen und der mittleren Lufttemperatur bzw. der mittleren Jahresniederschlagssumme besteht. Häufige Westwetterlagen im Winter, die von einem raschen Durchzug atlantischer Tiefausläufer begleitet sind, bewirken in der Regel, dass der betreffende Winter in Deutschland mild und niederschlagsreich wird. Ebenso führen langanhaltende Hochdrucklagen meist zu einem heißen Sommer. Andererseits sind die Zusammenhänge nicht immer ganz eindeutig. Ein früherer Beitrag des Verfassers (Bissolli, 1999) hatte z.b. gezeigt, dass zwar durchaus Parallelen zwischen der Häufigkeit von Westlagen und der Wintermitteltemperatur über Deutschland existieren, aber andererseits eine höhere Westlagenhäufigkeit nicht unbedingt automatisch zu einem Anstieg der Wintermitteltemperatur führen muß. Dies liegt unter anderem daran, dass es sehr unterschiedliche Westlagen gibt, z.b. zyklonale und antizyklonale mit verschiedenen Erstreckungen der Frontalzonen. Es lohnt sich also durchaus, hier etwas differenziertere Betrachtungen durchzuführen. Zunächst einmal wäre zu betrachten, wie sich die Lufttemperatur und der Niederschlag über einem Gebiet wie Deutschland im Lauf des 20. Jahrhundert längerfristig verändert haben. Bekanntlich schwanken beide Größen sehr stark von Tag zu Tag, von Monat zu Monat und auch noch von Jahr zu Jahr. Es soll daher der Einfachheit halber gleich zu Jahrzehnten übergegangen werden, da die Dezennienschwankungen wesentlich leichter zu überblicken sind als Jahresmittelwerte. Eine Trendanalyse wurde hier jedoch ausgeklammert, da sich ein weiterer Artikel in diesem Band (J. Rapp, s.s.175) speziell mit Trends befaßt. Abb. 1 Dezennienmittelwerte der mittleren bodennahen Lufttemperatur (2 Meter Messhöhe) und der Jahresniederschlagssumme, jeweils Deutschland-Mittelwerte für den Sommer (Juni-August) und den Winter (Dezember-Februar).

3 34 DWD Klimastatusbericht 2001 Abb. 1 zeigt Dezennienmittelwerte der Lufttemperatur und des Niederschlages für Sommer und Winter, und zwar als räumliche Mittelwerte über Deutschland. Die Betrachtung eines Deutschlandmittelwertes ist hier vorteilhafter als das Heranziehen einzelner Stationsreihen (es gibt ohnehin nur wenige, welche die gesamten 100 Jahre abdecken), da somit Regionaleffekte und auch einzelne Intensivereignisse (z.b. lokale Starkregenschauer) durch die räumliche Mittelung abgemildert werden. Das hier verwendete Deutschlandmittel basiert auf Daten von 1 km² großen Rastern, die mit Hilfe einer topographieabhängigen räumlichen Interpolation aus den Daten von jeweils allen in den einzelnen Jahren verfügbaren Stationen berechnet wurden (Einzelheiten dazu siehe z.b. Müller-Westermeier, 1995). Am übersichtlichsten ist der Verlauf der Sommertemperatur mit den niedrigsten Werten zu Beginn des Jahrhunderts, einem relativen Maximum in den vierziger Jahren, dann einer Abkühlungsphase zwischen 1950 und 1970, und schließlich einem recht drastischen Anstieg bis zum Ende des Jahrhunderts. Auch im Winter ist der höchste Wert im Dezennium des Jahrhunderts anzutreffen. Beim Niederschlag fällt für den Sommer vor allem das Maximum in den fünfziger Jahren auf, während in den letzten 30 Jahren des Jahrhunderts die Sommer relativ trocken waren. Dagegen waren im Winter die letzten beiden Jahrzehnte herausragend niederschlagsreich. In einem Spezialartikel in diesem Band (Dietzer et al.) wird auf das regionale Langzeitverhalten des Niederschlags eingegangen und zum Vergleich auch auf die Zonalität der Zirkulationsformen über Mitteleuropa. Abb. 2 Dezennienhäufigkeiten einzelner Großwetterlagen im Sommer und im Winter. Abkürzungen der Großwetterlagen siehe Tab. 1. Als nächstes wäre zu untersuchen, wie sich die einzelnen Großwetterlagen im Verlauf des 20. Jahrhunderts verändert haben. Dies ist in der Tat bei den einzelnen Großwetterlagen und Jahreszeiten sehr unterschiedlich geschehen. Einige Großwetterlagenhäufigkeiten variieren sehr stark von Jahrzehnt zu Jahrzehnt, andere nur wenig. Manche treten ohnehin nur sehr selten auf, so dass sie sich kaum nachhaltig auf die Dezennienmittelwerte von Temperatur und Niederschlag ausgewirkt haben könnten.

4 Klimastatusbericht 2001 DWD 35 In Abb. 2 sind daher nur die zeitlichen Verläufe derjenigen Großwetterlagen gezeigt, die sehr starke Dezennienschwankungen aufweisen. Großwetterlage Abkürzung Großwetterlage Abkürzung Westlage, antizyklonal WA Nordwestlage, antizyklonal NWA Westlage, zyklonal WZ Hoch Mitteleuropa HM Südliche Westlage WS Hochdruckbrücke Mitteleuropa BM Südwestlage, zyklonal SWZ Tab. 1 Großwetterlagen nach Hess/Brezowsky, die im 20. Jahrhundert einen relativ auffälligen Verlauf zeigen und deren Abkürzungen. Vergleicht man nun die Dezennienschwankungen der Großwetterlagen mit denjenigen von Temperatur und Niederschlag (Abb. 2 mit Abb. 1), so lassen sich durchaus Ähnlichkeiten feststellen, vor allem im Winter. Besonders deutlich tritt dies bei den zyklonalen Westlagen hervor: Sie haben das Maximum mit Temperatur und Niederschlag gemeinsam, ebenso das Minimum und auch die hohen Werte Von der meteorologischen Erwartung her gesehen ist dies durchaus verständlich, denn die westzyklonalen Lagen sind in der Tat diejenigen, bei denen am ehesten wetterwirksame atlantische Tiefausläufer über weite Teile von Deutschland hinwegziehen. Interessant ist aber auch, dass diese Gemeinsamkeiten bei anderen Westlagen (west-antizyklonale und südliche Westlagen) nicht alle auftreten. Dies ist jedoch ebenfalls plausibel, denn bei diesen Westlagen liegt die Frontalzone entweder weiter im Norden oder weiter im Süden, so dass sich die Tiefausläufer zum Teil nur abgeschwächt bzw. gar nicht auf Deutschland auswirken. Insbesondere das Maximum zeigt sich hier nicht, bei den südlichen Westlagen auch nicht das Minimum Allerdings sind auch bei den antizyklonalen Westlagen die Häufigkeiten zum Ende des Jahrhunderts am höchsten. Es liegt also der Verdacht nahe, dass zu den milden und feuchten Wintern zum Ende des Jahrhunderts im Gegensatz zu früher sowohl zyklonale als auch antizyklonale Westlagen gravierend beigetragen haben. Fast invers zu den zyklonalen Westlagen hatte sich die Lage Hoch über Mitteleuropa im Winter verhalten, eine Lage, bei der eher kalte und trockene Winter zu erwarten sind. Danach gab es in der ersten Hälfte des Jahrhunderts wesentlich mehr solcher Hochdrucklagen im Winter als in der zweiten. Doch auch Hochdrucklage ist nicht gleich Hochdrucklage: Die relativ ähnliche Wetterlagenklasse Hochdruckbrücke über Mitteleuropa zeigt dieses Verhalten nicht, dafür aber ein deutliches Maximum in den siebziger Jahren. Dies wiederum entspricht einem markanten Minimum des Deutschland-Niederschlages in diesem Dezennium. Auch hier kann es im Witterungsverhalten durchaus Unterschiede zwischen diesen beiden Lagen geben. So kann sich z.b. nördlich der Hochdruckbrücke noch eine Frontalzone auf Norddeutschland auswirken, es ist auch möglich, dass einzelne Tiefausläufer die Hochdruckbrücke zeitweise durchbrechen können, ohne dass sich die Großwetterlage selbst ändert. Für den Sommer sind die Gemeinsamkeiten der Großwetterlagenschwankungen mit Temperatur und Niederschlag deutlich geringer als im Winter. Doch auch hier haben offenbar die einzelnen Großwetterlagen sehr unterschiedlich zum Klima beigetragen. Die warm-trockenen Sommer in den vierziger Jahren könnten der hohen Anzahl von

5 36 DWD Klimastatusbericht 2001 Hochs über Mitteleuropa zuzuordnen sein, während der Temperaturanstieg zum Ende des Jahrhunderts mehr den Hochdruckbrücken zuzuschreiben wäre. Auch zwei andere Lagen, die insgesamt nicht sehr häufig sind, aber sich in ihrer Häufigkeit sehr geändert haben, könnten hier einen Beitrag geliefert haben. So sind antizyklonale Nordwestlagen, die zu einer kälteren Witterung passen würden, im Lauf des Jahrhunderts im Sommer deutlich seltener geworden. Dagegen haben zyklonale Südwestlagen, die in den ersten 30 Jahren des Jahrhunderts im Sommer überhaupt nicht vorkamen, zum Ende des Jahrhunderts hin deutlich an Häufigkeit zugenommen. Bisher wurden ausschließlich Ähnlichkeitsbetrachtungen durchgeführt. Um aber nun die meteorologischen Erwartungen, nach denen bestimmte Großwetterlagen markant zu kälteren oder wärmeren bzw. trockeneren oder feuchteren Sommern oder Wintern beigetragen haben sollten, auch statistisch zu belegen, müssen die Großwetterlagen noch direkt mit Temperatur- und Niederschlagsdaten in Beziehung gesetzt werden. Die Abb. 3 Spezifische Dezennienmittelwerte der mittleren Lufttemperatur und der Niederschlagssumme für einzelne Großwetterlagen, jeweils von Tageswerten der Station Karlsruhe.

6 Klimastatusbericht 2001 DWD 37 wahrscheinlich einfachste und anschaulichste Methode dazu ist die Berechnung von Temperatur- und Niederschlagsmittelwerten über alle Tage, an denen eine bestimmte Großwetterlage aufgetreten ist. Da die Deutschland-Mittelwertdaten nicht auf Tagesbasis vorliegen, müssen hier die wenigen Stationsdatenreihen hinzugezogen werden, die das Jahrhundert ganz abdecken. Bei der Betrachtung einzelner Stationen kommen natürlich lokale Effekte zum Tragen, doch die meteorologische Erfahrung lehrt, dass sich der unterschiedliche großräumige Witterungscharakter zwischen den einzelnen Großwetterlagen dennoch bemerkbar machen müßte. In Abb. 3 sind derartige Dezennienmittelwerte für einzelne Großwetterlagen von der Station Karlsruhe aufgetragen. Die Karlsruher Reihe ist weitgehend frei von Inhomogenitäten (d.h. von Schwankungen, die nicht durch das Klima bedingt sind, sondern z.b. durch Stationsverlegungen). Nach einer Untersuchung von Herzogund Müller-Westermeier (1998) ist die Karlsruher Reihe bezüglich des Niederschlages völlig homogen und bezüglich der Temperatur gab es nur eine einzige Inhomogenität im Jahr Die Verläufe zeigen z.b. für die Wintertemperatur recht deutlich, dass in allen Dekaden alle Westlagen zu milderen Tagen führen als die Hochdrucklagen. Teilweise sind die Differenzen recht drastisch: Während beispielsweise bei den west-zyklonalen Lagen die Mitteltemperatur zwischen rund 5 und 7 C lag, schwankte bei den Hochdrucklagen die Mitteltemperatur immer um den Gefrierpunkt. Doch es gab auch zeitliche Veränderungen innerhalb ein und derselben Großwetterlage: So zeigt sich besonders bei den west-zyklonalen, aber auch bei den west-antizyklonalen Lagen ein Temperaturanstieg zum Ende des Jahrhunderts. Das bedeutet, es haben sich im Lauf des Jahrhunderts nicht nur die Häufigkeiten der einzelnen Großwetterlagen verändert, sondern auch die Luftmassen, die bei diesen Westlagen nach Deutschland transportiert wurden, sind langfristig milder geworden. Ähnlich kann auch für den Niederschlag im Winter argumentiert werden. In der Tat ist bei Hochdrucklagen, aber auch bei west-antizyklonalen Lagen nur sehr wenig Niederschlag zu verzeichnen, im Gegensatz zu den zyklonalen und südlichen Westlagen. Andererseits wurde bei südlichen Westlagen gegen Mitte des Jahrhunderts mehr Niederschlag beobachtet als am Anfang und am Ende. Dies könnte dazu beigetragen haben, dass in den vierziger und fünfziger Jahren die Winter feuchter waren als davor, während für die ebenfalls noch relativ feuchten sechziger Jahre schon wieder andere Ursachen in Betracht kommen. Auch im Sommer treten im Witterungscharakter sowohl Unterschiede zwischen verschiedenen Großwetterlagen als auch innerhalb einer Großwetterlage auf. Besonders auffallend ist hier der recht markante Temperaturanstieg bei Hochdruckwetterlagen zum Ende des Jahrhunderts, aber auch bei den zyklonalen Südwestlagen und den antizyklonalen Nordwestlagen. Beim Sommerniederschlag wirken sich natürlich lokale Starkregenschauer besonders gravierend auf eine solche Statistik aus, vor allem bei relativ selten auftretenden Lagen wie z.b. den zyklonalen Südwestlagen. Diese Schwankungen dürfen daher für den großräumigen Maßstab nicht zu hoch bewertet werden.

7 38 DWD Klimastatusbericht 2001 Objektive Wetterlagenklassifikation Die Ergebnisse für die Hess/Brezowsky-Klassifikation sind natürlich noch mit dem Vorbehalt belastet, dass es sich hier um eine rein subjektive Klassifikation handelt, und auch, dass sie vielleicht für ein Gebiet wie Deutschland zu großräumig ist. Daher sollten die Ergebnisse zumindest noch mit einer weiteren unabhängigen Wetterlagenklassifikation abgesichert werden. Ein kurzer Abriss über die historische Entwicklung weiterer Klassifikationen wurde z.b. von Bissolli und Dittmann (2001) gegeben. Nicht jede Wetterlagenklassifikation eignet sich jedoch für jeden Zweck und nicht jede läßt sich dann auch anschaulich interpretieren. Der Deutsche Wetterdienst ermittelt neben den Hess/Brezowsky- Großwetterlagen seit 1979 auch Wetterlagenklassen nach einer objektiven Klassifikation, d.h. die Klassen werden nicht durch subjektive Betrachtung von Wetteranalysekarten, sondern aus numerischen Analysedaten der Wettervorhersagemodelle des DWD rechnerisch bestimmt. Diese objektive Klassifikation gilt aber nur für Deutschland, berücksichtigt jedoch auch weniger großräumige Effekte wie z.b. Luftmassenwechsel nach Frontdurchgängen. Eine Kurzbeschreibung sowie Auswertungen dazu werden im regelmäßigen Teil des vorliegenden Klimastatusberichtes vorgestellt. Mit dem inzwischen verfügbaren Zeitraum von 22 Jahren kann die objektive Klassifikation auch bereits für klimatologische Auswertungen herangezogen werden. Wie geeignet eine solche Klassifikation für die hier betrachteten Zwecke ist, läßt sich unter anderem daraus ersehen, inwieweit für verschiedene Wetterlagenklassen auch verschiedene Klimamerkmale auftreten. Für die objektive Wetterlagenklassifikation sei als Beispiel die Häufigkeitsverteilung der Minimumtemperatur Stuttgart/Flughafen für zwei bestimmte objektive Wetterlagenklassen dargestellt (Abb. 4), nämlich einer Nordostlage und einer Südwestlage. Deutlich ist zu sehen, dass die beiden Häufigkeitsverteilungen beträchtlich voneinander verschoben sind, d.h. bei Südwestlagen treten meist höhere Werte auf als bei Nordostlagen, aber auch hier können innerhalb ein und derselben Wetterlage ganz unterschiedliche Temperaturen auftreten, je nach Jahreszeit, aber auch als Klimaschwankungen. Ganz großräumig: die nordatlantische Oszillation (NAO) Es bleibt noch die Frage offen, durch welche großräumigen Mechanismen wiederum die Wetterlagen beeinflußt werden können. Ein erster Schritt wäre hier, auf Indizes zurückzugreifen, die noch großräumigere Vorgänge beschreiben als die Großwetterlagen. Dazu gehört z.b. die bekannte nordatlantische Zirkulation (NAO), die durch einen speziellen Index beschrieben wird (siehe dazu z.b. HURRELL 1995). Dieser Index gibt im Wesentlichen den Luftdruckunterschied zwischen dem Islandtief und dem Azorenhoch an. In Abb. 5 sind die Dezennienmittelwerte der NAO gezeigt. Zunächst ist hier festzustellen, dass auch die NAO in ihren Dezennienschwankungen für den Winter Gemeinsamkeiten mit Temperatur und Niederschlag hat, so z.b. das Temperaturminimum in den sechziger Jahren und die hohen Werte in den beiden letzten Dekaden. Auch dies entspricht den meteorologischen Erwartungen, denn ein hoher NAO-Index steht für eine hohe Druckdifferenz zwischen Islandtief und

8 Klimastatusbericht 2001 DWD 39 Azorenhoch und damit auch für eine starke Westströmung. Doch auch die NAO kann nicht alle Klimaschwankungen erklären, vor allem nicht für die früheren Jahrzehnte des Jahrhunderts. Es ist auch nicht so, dass ein hoher NAO-Index automatisch immer zu einer häufigeren Anzahl von West-Großwetterlagen führt, wie ein Vergleich mit Abb. 2 zeigt. Abb. 4 Häufigkeitsverteilung der Minimumtemperatur der Station Stuttgart-Flughafen im Zeitraum (alle Jahreszeiten) für die beiden Wetterlagen NOAZT (nordöstliche Anströmrichtung, antizyklonal in Bodennähe, zyklonal in der Höhe, trockene Luftmasse) und SWAZF (südwestliche Anströmrichtung, antizyklonal in Bodennähe, zyklonal in der Höhe, feuchte Luftmasse). NAO-Dezennienmittelwerte Abb. 5 Dezennienmittelwerte der NAO (Mittel über die Monate Dezember-März) nach JONES et al. (1997), aktualisiert nach

9 40 DWD Klimastatusbericht 2001 Komplexes Wetterlagenklima Diese recht einfachen statistischen Betrachtungen haben gezeigt, dass sich die Frage nach den Ursachen und Mechanismen von Klimaschwankungen des 20. Jahrhunderts nicht auf eine einfache Ursache-Wirkungsbeziehung reduzieren läßt. Wetterlagenklassifikationen haben sich aber als eine große Hilfe erwiesen, um bestimmte wetterlagenabhängige Vorgänge, die offenbar klimabestimmend sind, von anderen Mechanismen zu trennen und tragen damit wesentlich zum Verständnis der Klimaschwankungen bei. Literatur Baur, F. (1963): Großwetterkunde und langfristige Witterungsvorhersage. Frankfurt a.m.. Bissolli, P. (1999): Kommen Westwetterlagen häufiger vor als früher? Klimastatusbericht 1999, 26-30, Deutscher Wetterdienst, Offenbach a.m.. Bissolli, P., Dittmann, E. (2001): The objective weather type classification of the German Weather Service and its possibilities of application to environmental and meteorological investigations. Met. Zeitschr. 10, No. 4, Gerstengarbe, F.-W., Werner, P.C., Rüge, U. (1999): Katalog der Großwetterlagen Europas nach P. Hess und H. Brezowsky. 5. Auflg., Potsdam-Inst. f. Klimafolgenforschung, Potsdam. Im Internet: cli/gwl. Herzog, J., Müller-Westermeier, G. (1998): Homogenitätsprüfung und Homogenisierung klimatologischer Meßreihen im Deutschen Wetterdienst. Ber. d. Dtsch. Wetterdienstes 202, Offenbach a.m. Hess, P., Brezowsky, H. (1977): Katalog der Großwetterlagen Europas Auflg., Ber. d. Deutschen Wetterdienstes 113, Offenbach a.m. Hurrell, J.W. (1995): Decadal trends in the North Atlantic Oscillation and relationships to regional temperature and precipitation. Science 269, Jones, P.D., Jonsson, T., Wheeler, D. (1997): Extension to the North Atlantic Oscillation using early instrumental pressure observations from Gibraltar and South-West Iceland. Int. J. Climatol. 17, Müller-Westermeier, G. (1995): Numerisches Verfahren zur Erstellung klimatologischer Karten. Ber. d. Dtsch. Wetterdienstes 193, Offenbach a.m..