Trenduntersuchungen der Temperatur in 500 und 50 hpa für verschiedene Zeiträume ab H. Nitsche

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1 untersuchungen der Temperatur in 500 und 50 hpa für verschiedene Zeiträume ab 1961 H. Nitsche Zusammenfassung Im jährlich wiederkehrenden Teil des Klimastatusberichtes werden die jährlichen Abweichungen der Temperatur in 500 hpa und in 50 hpa vom 30-jährigen Mittelwert dargestellt. Um diese Darstellungen besser bewerten zu können, werden im Folgenden untersuchungen der Temperatur dieser beiden Druckflächen für mehrere deutsche Radiosondenstationen behandelt. Die Ergebnisse stimmen gut mit denen anderer Autoren überein. Jedoch müssen sie als vorläufig angesehen werden, weil trotz einer Nachbearbeitung und Ergänzung der archivierten Zeitreihen noch nicht alle Lücken gefüllt und nicht alle Mängel beseitigt werden konnten. Die Abkühlung in der Stratosphäre um ca 0.8 K in 10 Jahren zeigt sich deutlich und signifikant. Die Erwärmung in der Troposphäre ist ebenfalls nachweisbar, aber auf dieser individuellen Druckfläche mit +0.1 K bis +0.3 K in 10 Jahren (je nach Auswertezeitraum) schwächer ausgeprägt und nicht an allen Stationen und in allen Zeitabschnitten signifikant. Während die stratosphärische Temperaturabnahme nicht nur im Jahresmittel sondern auch in allen Jahreszeiten vorhanden ist, verhält sich in der Troposphäre der Herbst gerade gegenläufig zum Erwärmungstrend. Zur Ergänzung und Veranschaulichung der troposphärischen Erwärmung wurde auch die Veränderung der Höhe der Tropopause betrachtet. Mit der troposphärischen Erwärmung geht grundsätzlich eine Erhöhung der mittleren Tropopausenhöhe um einige Dekameter bis zu Hektometern in 10 Jahren einher. Im Herbst nimmt dagegen die Tropopausenhöhe entsprechend dem gegenläufigen Temperaturtrend ab. Jedoch sind die Werte der Tropopausenhöhen offenbar nicht allein von der Temperatur sondern auch von messtechnischen Effekten beeinflußt. Das Datenmaterial Für die Auswertungen wurden die Daten der routinemäßigen Radiosondenaufstiege von 00 und 12 Uhr UTC deutscher Radiosondenstationen herangezogen. Diese sind in Zeitreihen stationsweise im Klima-Archiv des Deutschen Wetterdienstes verfügbar. Eine wichtige Frage dabei ist zunächst diejenige nach der Homogenität des Datenmaterials. Zeitreihen meteorologischer Daten können aus den verschiedensten Gründen inhomogen sein: durch Stationsverlegung, durch instrumententechnische Änderungen, durch Änderungen der Auswertevorschrift oder durch unterschiedliche Quellen einzelner Abschnitte der Zeitreihen. Vor 1978 wurden nämlich die aerologischen Daten nicht mit dem Ziel einer Zeitreihenuntersuchung in das Klima- Archiv eingebracht, sondern es wurden zunächst für verschiedene anwendungsbezogene Fragestellungen Datensätze erfaßt. Diese waren infolgedessen nach Themen getrennt (Druckstufen, Höhenstufen, markante

2 Punkte,..) und wurden erst später zu Zeitreihen zusammengesetzt und teilweise durch Nacherfassungen ergänzt. Für diese Untersuchungen wurden die Zeitreihen der verwendeten Stationen nach den folgenden Prinzipien noch einmal neu zusammengestellt und überarbeitet: Im Zeitraum wurden die im Meteorologischen Rechenzentrum des DWD (DMRZ) gespeicherten gemeldeten Werte an Hauptdruckflächen (TEMP A und TEMP C) sowie die in der Meldung enthaltenen (ersten) Tropopausen verwendet. Ergänzend wurden vorhandene nacherfaßte Daten (vornehmlich in den Jahren 1972 und 1973) an markanten Punkten und nachberechnete Tropopausen hinzugenommen. Vor 1967 und ab 1976 wurden die im Zeitreihenarchiv vorhandenen Daten verwendet. Eine Homogenisierung des Datenmaterials konnte jedoch noch nicht durchgeführt werden. Ausgewertet wurden soweit vorhanden die Aufstiege von 00 und 12 Uhr UTC. Die verwendeten Monatsmittelwerte sind Mittelwerte aus beiden Terminen. Die Frage, ob eine Beschränkung auf den Aufstiegstermin 00 Uhr UTC (um einen Strahlungsfehler auszuschalten) zu anderen Ergebnissen führen würde, wurde anhand der Station Stuttgart untersucht. Die Ergebnisse waren jedoch gleich. Leider konnten trotz der Nachbearbeitung noch nicht alle Mängel in den verwendeten Zeitreihen beseitigt werden. So sind insbesondere bei einigen Stationen noch Datenlücken in den 60er Jahren vorhanden. Davon ist am stärksten München betroffen, wo selbst nach 1967 bis 1973 noch Daten fehlen. Wo die Datenlücken die berechnung offensichtlich verfälschten, wurde kein Wert angegeben. Stationsspezifische Angaben Die Station München wurde 1976 von München-Riem (10866) nach Oberschleißheim (10868) verlegt. Die Station Hannover (10338) wurde 1997 aufgelöst. Für die Folgejahre wurden die Werte der Station Bergen (10238) verwendet. An der Station Dresden (10486) wurde zeitweise anstelle von 00 Uhr ein Aufstieg um 06 Uhr durchgeführt. Ergebnisse von untersuchungen Für 7 deutsche Radiosondenstationen wurden untersuchungen der Zeitreihen von jährlichen und jahreszeitlichen Mittelwerten der Temperatur der 500 hpa Fläche und der 50 hpa Fläche sowie der Höhe der ersten Tropopause durchgeführt. Die zeitlichen Verläufe dieser Daten an allen Stationen sind in den Abbildungen 2-6 dargestellt. Für die analyse wurde der Mann/Kendall-Test auf Vorhandensein und Signifikanz eines s durchgeführt und der nach linearer Regression für drei Auswertezeiträume berechnet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 3 zusammengestellt und in Abb. 1 zusammengefaßt. Die linearen s sind im Mittel

3 über die vorhandenen Stationen als Zu-oder Abnahme in 10 Jahren angegeben. Zusätzlich ist die Spanne der ermittelten werte eingetragen. Die letzte Spalte enthält jeweils die Anzahl der Stationen mit einem signifikanten nach dem Mann/Kendall-Test. Die Schwelle der gezählten signifikanten Fälle ist mindestens 90 % bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 10 %, in den meisten Fällen wurde 95 % bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5% erreicht. Am signifikantesten ist die Temperaturabnahme in der Stratosphäre; hier werden vielfach 99 % bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von höchstens 5 % erreicht. Jahreszeit Auswertezeitrau m im Mittel über 4 bis 7 Stationen Spanne Anzahl der Stationen mit signifikantem Jahr bis von bis von bis von 7 Frühjahr bis von bis von bis von 7 Sommer bis von bis von bis von 7 Herbst bis von bis von bis von 7 Winter bis von bis von bis von 7 Tab. 1 der Lufttemperatur in 500 hpa im Jahresmittel und in den Jahreszeiten. Jahreszeit Auswertezeitrau m im Mittel über 4 bis 7 Stationen Spanne Anzahl der Stationen mit signifikantem Jahr bis von bis von bis von 7 Frühjahr bis von bis von bis von 7 Sommer bis von bis von bis von 7 Herbst bis von bis von bis von 7 Winter bis von bis von bis von 7 Tab. 2 der Lufttemperatur in 50 hpa im Jahresmittel und in den Jahreszeiten.

4 Jahreszeit Auswertezeitrau m (gpm/10 a) im Mittel über 4 bis 7 Stationen (gpm/10 a) Spanne Anzahl der Stationen mit signifikantem Jahr bis von bis von bis von 7 Frühjahr bis von bis von bis von 7 Sommer bis von bis von bis von 7 Herbst bis +7 1 von bis 43 2 von bis 61 0 von 7 Winter bis von bis von bis von 7 Tab. 3 Geopotentielle Höhe der ersten Tropopause im Jahresmittel und in den Jahreszeiten. Abb. 1 der Lufttemperatur in K pro Dekade für den Auswertezeitraum für die Jahreszeiten und das gesamte Jahr in drei Höhen (Boden (Gebietsmittelwerte aus Rasterdaten), 500hPa, 50 hpa). Für die geopotentielle Höhe der Tropopause erwartet man, daß mit der Erwärmung der Troposphäre eine Erhöhung der Tropopause einhergeht. Das ist auch grundsätzlich der Fall; insbesondere wird für den Herbst entsprechend dem Abkühlungstrend auch eine Erniedrigung der Tropopausenhöhe gefunden. Dass das

5 Bild trotzdem etwas unübersichtlicher ist als erwartet und insbesondere bei den Auswertezeiträumen und 1967 bis 1999 nicht immer der Erwartung entspricht, dürfte auch auf Fehlerquellen in der Höhenbestimmung zurückzuführen sein. Wo die Höhe aus dem gemessenen Druck und der Temperatur und Feuchte nach der barometrischen Höhenformel bestimmt wurde, setzt sich der Fehler aus diesen drei Meßgrößen zusammen. Wo jedoch die Höhe z.b. aus einer Radarmessung bestimmt wurde, sind Brechungsfehler zu berücksichtigen. Ergebnisse anderer Autoren Zum Vergleich liegen sowohl Untersuchungen einzelner Radiosondenstationen (Hohenpeißenberg, München) als auch Untersuchungen ausgewählter Radiosondenkollektive der Nordhemisphäre sowie Ergebnisse satellitengestützter Fernerkundungsverfahren (Mikrowellensondierer) vor. Die verwendeten Auswertezeiträume wurden schon mit Blick auf diese in der Literatur vorhandenen Untersuchungen gewählt, sodass die Ergebnisse trotz geringfügiger Abweichungen der Zeiträume miteinander verglichen werden können. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick: Autor Station/ Region Datenmaterial Fink München RS, 00 Uhr Steinbrecht Hohenpeißenber g Auswertezeit raum Höhe(n) - bereich Größe (Einheit) (in 10 Jahren) /300 hpa T (K) /30 hpa T (K) -0.5 RS (?) 5 km T (K) +0.7 Untere T (K) -0.5 Stratosph. Tropopause H (gpm) +150 Angell Nordhemisphäre RS T (K) hpa Nordhemisphäre RS T (K) hpa Nordhemisphäre MSU T (K) hpa Tab. 4 Ergebnisse anderer Autoren

6 Die Ergebnisse stimmen mit den hier vorgestellten Ergebnissen recht gut überein, insbesondere wenn man berücksichtigt, daß die hier angegebenen s Mittelwerte aus 4 bis 7 über Deutschland verteilten Radiosondenstationen sind, während es sich bei den beiden Veröffentlichungen von Fink bzw. Steinbrecht um die süddeutschen Stationen München und Hohenpeißenberg handelt. Es wurde darauf verzichtet, die Einzelergebnisse der Radiosondenstationen zu tabellieren bzw. räumlich zu interpretieren, weil nur maximal 7 Stationen untersucht wurden und auch das Datenmaterial noch nicht abschließend überarbeitet werden konnte. Letzteres ist auch die Ursache für die unterschiedlichen Ergebnisse in Aerologischer Schichtaufbau in der Atmosphäre und s" von Leiterer et a. in diesem Heft. Jedoch sind Unterschiede zwischen den Stationen zu erkennen, die sich in die z.b. von Rapp vorgestellten regionalen Verteilungen der s und ihrer Signifikanzen einfügen. Die beträge sowie die Signifikanzen nehmen nach Südsüdwest hin zu. Abb. 2 Zeitreihen von Zustandsgrößen der freien Atmosphäre für 7 Stationen, Jahr.

7 Literatur Angell, J.K. (2000): Difference in radiosonde temperature trend for the period of MSU data and the period twice as long Geophysical Research Letters, Vol 27, No 15, PP Fink,C. (1991): werte der Temperatur in der Stratosphäre und der Tropospäre für den Zeitraum 1961 bis 1988, nach Messungen der aerologischen Station München, Meteorologische Rundschau, Bd. 44, S Rapp, J. (2000): Konzeption, Problematik und Ergebnisse klimatologischer analysen für Europa und Deutschland Berichte des Deutschen Wetterdienstes Nr. 212, Selbstverlag Sneyers, R.(1992): On the use of statistical analysis for the objective determination of climate change Meteorologische Zeitschrift, N.F., 1992, S Steinbrecht, W.; Winkler, P (2000): Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Ozon und Temperatur in der Stratosphäre Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr. 210, Selbstverlag