Klimastatusbericht 2001 DWD 185 Klimatypänderungen in Deutschland im 20. Jahrhundert P.C. Werner, F.-W. Gerstengarbe, H. Österle Zusammenfassung Vorgestellt wird eine objektive Klimaeinteilung Deutschlands basierend auf einer erweiterten nicht-hierarchischen Clusteranalyse. Unter Verwendung von Temperaturund Niederschlagsparametern werden sowohl das mittlere Klima des letzten Jahrhunderts als auch dessen zeitliche und räumliche Veränderungen dargestellt. Einleitung Um Klimaänderungen in einer Region nachzuweisen, bietet es sich an, dies auf der Basis einer Klimaklassifikation vorzunehmen. Dazu ist die Klassifikation selbst zu definieren, das Untersuchungsgebiet entsprechend dieser Klassifikation einzuteilen und die zeitliche Änderung in der räumlichen Struktur der Klimatypen zu bestimmen. Zwei Vorgehensweisen sind möglich: Zum einen kann man Schwellenwerte ausgewählter meteorologischer Größen festlegen, die einen bestimmten Klimatyp charakterisieren und dann anhand der Beobachtungsdaten Gebiete, die diesen Typ ausweisen, abgrenzen. Als typisches Beispiel sei hier die Klimaeinteilung nach Köppen (1936) genannt. Zum andern kann man mittels eines multivariaten statistischen Verfahrens Gebiete gleicher Struktur zusammenfassen und im statistischen Sinn voneinander trennen, muß danach allerdings noch die meteorologischen Charakteristika dieser Muster (Klimatypen) bestimmen. Da die Köppen sche Einteilung für eine detaillierte Untersuchung der Klimaänderungen in Deutschland zu grob ist und außerdem die Vorgabe von Schwellenwerten subjektiven Charakter trägt, wurde für die folgenden Untersuchungen der zweite Ansatz gewählt. Methodik und Daten Für die Klimaeinteilung Deutschlands wurde eine weiterentwickelte nicht-hierarchische Clusteranalyse verwendet (Gerstengarbe et al., 1999), die es ermöglicht, Cluster statistisch gesichert voneinander zu trennen und gleichzeitig die Anzahl der Cluster zu optimieren. Folgende Rechenschritte waren notwendig: 1. Bestimmung der klimarelevanten Parameter für die Clusteranalyse 2. Durchführung der Clusteranalyse für den Gesamtzeitraum 3. Berechnung der optimalen Länge für die Teilzeiträume
186 DWD Klimastatusbericht 2001 4. Anwendung der Fenstertechnik (gleitendes Verschieben der Teilzeiträume) 5. Klimatypeinteilung für die Teilzeiträume auf der Basis der Einteilung des Gesamtzeitraumes unter Verwendung eine Distanzmaßes 6. Darstellung des Änderungsverhaltens der Klimatypen von Teilzeitschritt zu Teilzeitschritt 7. Bestimmung der für den Klimatypwechsel verantwortlichen Anteile der verwendeten meteorologischen Größen Die Untersuchung wurde auf der Basis von Jahres- und Monatswerten der meteorologischen Größen Lufttemperatur und Niederschlag durchgeführt. Es standen Daten des Deutschen Wetterdienstes von ca. 100 Stationen für die Temperatur und ca. 800 für den Niederschlag über den Zeitraum 1901-1998 zur Verfügung, die auf ein Gitter von 0.25 x 0.25 interpoliert wurden (ausschließlich der Alpen). Auf dieser Basis wurden folgende Parameter für die Clusterung bestimmt (1. Rechenschritt): Lufttemperatur Niederschlag - Jahresmittel, Sommermittel, Wintermittel, Jahresamplitude - Jahressumme, Sommersumme, Wintersumme und die Clusterung (2. Rechenschritt) auf der Basis dieser 7 Parameter für den Gesamtzeitraum durchgeführt. Die optimale Länge für die Teilzeiträume wurde mit 15 Jahren ermittelt (3. Rechenschritt) und die Verschiebungsschrittlänge mit einem Jahr festgelegt (4. Rechenschritt). Im 5. Rechenschritt wurde die euklidische Distanz als Bezugsmaß verwendet. Im 6. Rechenschritt wurde die Klimaänderung bewertet. Dies geschah zum einen durch eine Quantifizierung der Trenngüte (s. Beschreibung des Cluster-Verfahrens) zwischen den einzelnen Klimatypen, zwischen denen ein Wechsel stattgefunden hat. Zum anderen wurden die Flächenanteile für jeden Klimatyp und Teilzeitraum bestimmt und in ihrer zeitlichen Entwicklung dargestellt. Zum Abschluß (7. Rechenschritt) wurde anhand der Distanzmaße der einzelnen Parameter bestimmt, wie groß deren Einfluß jeweils auf den Klimatypwechsel war.
Klimastatusbericht 2001 DWD 187 Tab. 1 Charakterisierung der Klimatypen nach den Bezugsparametern Ergebnisse.
188 DWD Klimastatusbericht 2001 Die optimale Clusterung ergab für den Gesamtzeitraum 13 Klimatypen, die entsprechend der Tabelle 1 charakterisiert wurden. Die räumliche Verteilung dieser Klimatypen ist in Abb.1 dargestellt. Man erkennt, dass sich die starke orographische Gliederung des deutschen Mittelgebirgsraumes in der Verteilung der Klimatypen widerspiegelt. Dagegen weist das norddeutsche Binnentiefland größere Gebiete einheitlicher Klimastruktur auf. Aus Gründen der Übersicht ist es hier nicht möglich, die Klimatypverteilung, die beim Einsatz der Fenstertechnik für jeden Zeitschritt entsteht, darzustellen. Deshalb sind in den Abbildungen 2 und 3 jeweils nur der Zeitraum 1901/15 bzw. 1984/98 dargestellt (Die gesamte Entwicklung kann von der beigefügten CD abgerufen werden). Beim Vergleich beider Zeiträume erkennt man deutliche Unterschiede in der räumlichen Verteilung der einzelnen Klimatypen. Abbildung 4 zeigt die Gebiete mit Klimatypwechseln, wobei deren Intensität durch eine entsprechende Farbgebung definiert ist. Man erkennt, dass insgesamt bis zu 4 Klimatypwechsel im Gesamtzeitraum aufgetreten sind, wobei der Südwesten Deutschlands die stärksten Änderungen aufweist. An drei ausgewählten Orten in Deutschland (s. g in den Abbildungen 1-5) wird der Wechsel der Klimatypen demonstriert: 1. Punkt 1 (52.50 N/7.25 E) Übergang von Klimatyp 9 zu Klimatyp 13 In dieser Region ist für beide meteorologische Größen (Temperatur und Niederschlag) ein starker positiver Trend zu beobachten. Bei der Temperatur unterscheiden sich der Mittelwert der ersten 15 Jahre um 1 Grad von dem des Zeitraums 1984/98, beim Niederschlag beträgt der Anstieg ca. 120 mm in der Jahressumme. Dominiert wird dieser Klimatypwechsel durch die Temperaturänderung, da bei allen Temperaturparametern die relative Änderung größer als bei den Niederschlagsparametern ist. (s. Abb. 5). 2. Punkt 2 (48.00 N/8.50 E) In diesem Gebiet ist ein Wechsel von Klimatyp 3 zu Klimatyp 2 zu beobachten. Dabei unterscheiden sich die Jahresmitteltemperatur der beiden Vergleichszeiträume um ca. 1 C. Trotz dieses starken Anstiegs, der für diesen Parameter einen Wechsel von kalt nach kühl hervorrufen würde, ist im wesentlichen der Niederschlagsanstieg um ca. 400 mm! im Jahresmittel für den Wechsel vom Klimatyp 3 zum Klimatyp 2 verantwortlich (s. Abb. 5). 3. Punkt 3 (51.25 N/13.25 E) Im Gebiet um diesen Punkt ist ein Anstieg der Temperatur (+0.9 K) zu beobachten, gekoppelt mit einem gleichzeitigen Rückgang des Niederschlags ( -100 mm). Da die Änderungen der Temperatur- und Niederschlagsparameter, relativ gesehen, in der gleichen Größenordnung liegen, ist nur eine schwache Dominanz des Niederschlags zu verzeichnen (s. Abb. 5).
Klimastatusbericht 2001 DWD 189 Allgemein kann man feststellen, dass zwischen 1901/15 und 1984/98 auf ca. 25% der Gesamtfläche von Deutschland ein Klimatypwechsel stattgefunden hat (Abb. 4), allerdings mit unterschiedlicher Intensität und geographischer Verteilung. In den meisten Fällen sind diese Wechsel temperaturdominiert, was konform geht mit der allgemein in diesem Jahrhundert beobachteten Erwärmung. Der Niederschlagseinfluß bezüglich der Klimatypwechsel ist im Südwesten Deutschlands am deutlichsten ausgeprägt. Dieser Einfluß beruht im wesentlichen auf der Verstärkung der Westwindzirkulation in den Wintermonaten im Untersuchungszeitraum (Werner et al., 2000). Zum Abschluß sollen noch an zwei Klimatypen die flächenmäßigen Änderungen veranschaulicht werden: Die zeitliche Änderung der Fläche des Typs 9 ist in Abbildung 6a dargestellt. Im Zeitraum zwischen 1901/15 und 1948/62 nimmt dieser Klimatyp im Mittel etwa 60.000 km² ein. Zwischen 1949/63 und 1962/76 steigt dieser Wert auf ca.100.000 km² an, um dann bis Anfang der 70er Jahre auf einen Mittelwert um 25000 km² abzusinken. Seit diesem Zeitpunkt gibt es keine markanten Änderungen mehr. Im wesentlichen verliert dieser Klimatyp dabei im Westen Fläche an den Typ 13 (aufgrund des Temperaturanstiegs) und im Osten an den Typ 7 (Niederschlagsrückgang). Ein fast inversen Verlauf weist die Entwicklung des Klimatyps 10 auf (Abb. 6b): 1. Periode - stabiler Flächenanteil um 50.000 km²; 2. Periode - Rückgang der Fläche auf etwa 30.000 km²; 3. Periode - Flächenzunahme auf ca. 75.000 km². Die letzte Flächenzunahme wird verursacht durch einen Übergang des Klimatyps 7 in den Typ 10 hervorgerufen besonders durch einen Anstieg der Sommertemperaturen, d.h. einer Verstärkung der Jahresamplitude.
190 DWD Klimastatusbericht 2001 Abb. 1 Klimaeinteilung Deutschland 1901/98. Abb. 2 Klimaeinteilung Deutschland 1901/15.
Klimastatusbericht 2001 DWD 191 Abb. 3 Klimaeinteilung Deutschland 1984/98. Abb. 4 Klimaänderung Deutschland zwischen 1901/15 und 1984/98.
192 DWD Klimastatusbericht 2001 Abb. 5 Klimaänderung Deutschland zwischen 1901/15 und 1984/98. Clusteranalyse Die Clusteranalyse gehört zur Gruppe der multivariaten statistischen Verfahren, mit denen durch mehrere Parameter beschriebene Zustände quantifiziert werden. Ziel der Clusteranalyse ist es, Muster gleicher Parameterstruktur zu erkennen und statistisch signifikant voneinander zu trennen. Man unterscheidet hierarchische und nicht-hierarchische Verfahren. Bei den hierarchischen Verfahren wird sukzessive die Clusteranzahl von 1 nach n erhöht bzw. umgekehrt von n nach 1 verringert. Man erhält auf diese Art und Weise ein sogenanntes Dendrogramm, aus dem die Ebene der optimal getrennten Cluster herauszusuchen ist. Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Clusteranzahl nicht von vornherein bekannt sein muß. Von Nachteil ist, dass zum einen Clusterfehlbesetzungen beim Übergang von einer Ebene des Dendrogramms in die nächste nicht korrigiert werden können, zum anderen die Signifikanz der Clustertrennung nicht angegeben werden kann. Bei den nicht-hierarchischen Verfahren werden bei vorgegebener Clusteranzahl die Parameterkombinationen solange zwischen den Clustern ausgetauscht, bis eine Trennung erreicht ist. Ursprünglich wurde diese Trennung, die allerdings statistisch nicht gesichert war, durch Minimierung einer Zielfunktion erreicht. In der erweiterten nicht-hierarchischen Clusteranalyse (Gerstengarbe et al., 1999) werden die Cluster statistisch signifikant voneinander getrennt. Bei diesem iterativen Verfahren wird die vorzugegebende Clusteranzahl so modifiziert, dass man letztlich die Anzahl erhält, bei der die Muster optimal voneinander getrennt sind.
Klimastatusbericht 2001 DWD 193 Abb. 6a Flächenanteil des Klimatyps 9 für Deutschland, 1901-1998, 15jährige Intervalle, Dreiecke: Ausreisser (90%). Abb. 6b Flächenanteil des Klimatyps 10 für Deutschland, 1901-1998, 15jährige Intervalle, Dreiecke: Ausreisser (90%).
194 DWD Klimastatusbericht 2001 Schlussfolgerungen Mit Hilfe der vorgeschlagenen Methode war es möglich, ein detailiertes Bild der Klimastruktur Deutschlands aufzubauen und hinsichtlich ihrer zeitlichen und räumlichen Veränderungen zu beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass es im letzten Jahrhundert signifikante Klimatypänderungen gab, die im wesentlichen durch den beobachteten Temperaturanstieg bzw. durch die damit verbundenen Zirkulationsänderun-gen (= Änderung des Niederschlagsverhaltens) hervorgerufen wurden. Literatur Gerstengarbe, F.-W., Werner, P.C., Fraedrich, K., (1999) : Applying non-hierarchical cluster analysis algorithms to climate classification: Some problems and their solution. Theor. Appl. Climatol., 64, 3-4, 143-150 Köppen, W., (1936) : Das geographische System der Klimate.In: W. Köppen, R. Geiger, Handbuch der Klimatologie, Bd. 1, Teil C, Berlin Werner, P.C., Gerstengarbe, F.-W., Fraedrich, K., Oesterle, H., (2000) : Recent climate change in the North Atlantic/European sector. Int. J. Climatol., 20, 463-471