Klimastatusbericht 2001 DWD 41 Aerologische Auswertungen Darstellungen und Interpretationen der Daten ausgewählter deutscher Radiosondenstationen der letzten 50 Jahre H. Nitsche Zusammenfassung Nachdem im Klimastatusbericht 2000 Trendbetrachtungen der Temperatur anhand der Radiosondendaten von 8 deutschen Stationen ab 1961 für die beiden Standarddruckflächen 500 und 50 hpa behandelt wurden, sollen im Klimastatusbericht 2001 unter dem Aspekt des Rückblicks auf das 20. Jahrhundert die längsten derzeit verfügbaren Reihen deutscher aerologischer Stationen und alle Zustandsgrößen der freien Atmosphäre betrachtet werden. Wie im Historischen Abriss im Klimastatusbericht 2000 dargestellt, beginnen die Radiosondenaufstiege im heutigen Sinne erst nach dem 2. Weltkrieg. Daher sind keine 100-jährigen Zeitreihen wie im Falle der Bodenbeobachtungen verfügbar, sondern günstigenfalls etwa 50-jährige Reihen, wobei Stationsverlegungen zusätzlich zur Entwicklung der Messtechnik und zu Änderungen in den Meldeprogrammen in Kauf genommen werden müssen. Im folgenden werden die Stationen München (1947 bis 1977 München-Riem, danach Oberschleißheim) und Hannover (1953 bis 1997, danach verlängert mit Bergen- Hohne) als die zwei längsten Reihen behandelt. Das Datenmaterial Das zugrundeliegende Datenmaterial besteht aus überarbeiteten und ergänzten Zeitreihen der routinemäßigen Radiosondenauf-stiege von 00 Uhr und 12 Uhr UTC, verlängert um die vor 1961 seit Beginn der Aufstiege vorliegenden Daten. Dabei wurde unberücksichtigt gelassen, dass bis 1957 anstelle der jetzt üblichen Aufstiegstermine 00 und 12 Uhr UTC die Termine 03 und 15 Uhr UTC verwendet wurden. Zusätzlich zu den im Vorjahr angegebenen Überarbeitungen wurde teilweise eine Nachauswertung der Tropopausen vorgenommen. Die Reihe von Hannover/Bergen beginnt 1953, diejenige von München beginnt 1947, ist aber erst etwa ab 1949 einigermaßen lückenfrei. Änderungen in den Mess- und Auswertemethoden wirken sich teilweise als Inhomogenitäten aus, während Einflüsse der Stationsverlegungen und der Verschiebung der Aufstiegszeiten in den hier gezeigten Auswertungen nicht als solche in Erscheinung treten. Mittlere vertikale Profile Die Abb. 1 zeigt vertikale Profile der Mittelwerte und der Streuungen der atmosphärischen Zustandsgrößen (Lufttemperatur, Geopotentielle Höhe, relative Luftfeuchte und Dampfdruck, skalare Windgeschwindigkeit und resultierende vektorielle Windgeschwindigkeit sowie Windrichtung) als Funktionen des Luftdrucks für die Jahreszeiten und das Jahr und die Stationen München und Hannover im 30-jährigen Zeitraum 1971-2000. Diese Profile zeigen einige charakteristische Eigenschaften.
42 DWD Klimastatusbericht 2001 FR SO HE WI Jahr Abb. 1 Vertikale Profile von Zustandsgrößen in der freien Atmosphäre für die Jahreszeiten und das Jahr: Mittlere Mittelwerte (blau; rot: mittlerer Dampfdruck) und Streuungen (grün) der Mittelwerte für 1971-2000. Stationen München und Hannover/Bergen
Klimastatusbericht 2001 DWD 43 Die Lufttemperatur Die Lufttemperatur nimmt im Jahresmittel bis zur Tropopause in etwa 200 hpa (entsprechend ca. 11,8 km) mit geringfügig zunehmendem Gradienten mit der Höhe ab und ändert sich dann bis etwa 30 hpa (ca. 23,9 km) kaum. In größeren Höhen nimmt die Lufttemperatur wieder zu. Im Jahresverlauf variieren die vertikalen Temperaturgradienten sowie vor allem die Mächtigkeit der Schicht ohne nennenswerte Temperaturänderung in der unteren Stratosphäre. Diese Schicht ist charakteristisch für die mittleren Breiten; hier spiegelt sich das Übereinanderliegen der polaren und der subtropischen Tropopause, sodass man häufig zwei Tropopausen übereinander analysieren kann. In der Tabelle 1 werden die mittleren jährlichen Temperaturprofile beider Stationen mit der Normatmosphäre (DIN/ISO 2533) und die mittleren Profile im Sommer und im Winter mit den entsprechenden Profilen für Sommer (Juni-Juli) bzw. Winter (Dezember-Januar) der Referenzatmosphären (DIN/ISO 5878) für 45 Grad Nord und für 60 Grad Nord verglichen. München und Hannover liegen im mittleren Jahresmittel bis etwa 150 hpa recht nahe an der Normatmosphäre, in größeren Höhen messen beide Stationen etwas niedrigere Temperaturen. Im Vergleich mit den Referenzatmosphären ist im Sommer die Übereinstimmung beider Stationen bis etwa 50 hpa mit dem Profil für 45 Grad Nord recht gut; in größeren Höhen sind beide Stationen etwas kühler als beide Referenzatmosphären. Im Winter ist der Unterschied der Referenzatmosphären für 45 Grad und 60 Grad Nord in der Stratosphäre nur gering und sowohl Hannover als auch München messen ab etwa 100 hpa nach oben eher niedrigere Temperaturen als beide Referenzatmosphären. In der Troposhäre verhalten sich beide Stationen eher wie die Referenzatmosphäre für 45 Grad Nord. Die Gegenüberstellung der mittleren Temperaturgradienten in Tabelle 2 mit den entsprechenden Werten der Referenzatmosphären zeigt, daß die Stationen München und Hannover sich gut in die Charakteristika der mittleren Breiten einfügen und dass die Unterschiede zwischen beiden Stationen aus ihrer unterschiedlichen geographischen Breite erklärt werden können.
44 DWD Klimastatusbericht 2001 Tab. 1 Vergleich mittlerer vertikaler Profile der Lufttemperatur für Hannover und München 1971-2000 mit der Normatmosphäre und zwei Referenzatmosphären nach DIN/ISO 5878.
Klimastatusbericht 2001 DWD 45 Tab. 2 Vergleich mittlerer Temperaturgradienten für München und Hannover mit der Normatmosphäre DIN/ISO 2533 und zwei Referenzatmosphären nach DIN/ISO 5878.
46 DWD Klimastatusbericht 2001 Tab. 3 Vergleich mittlerer vertikaler Profile der Luftfeuchte für Hannover und München 1971-2000 mit der Normatmosphäre DIN/ISO 2533 und zwei Referenzatmosphären nach DIN/ISO 5878.
Klimastatusbericht 2001 DWD 47 Tab. 4 Vergleich mittlerer vertikaler Profile des Windes für Hannover und München 1971-2000 mit Referenzatmosphären nach DIN/ISO 5878.
48 DWD Klimastatusbericht 2001 Das Geopotential Da das Geopotential über die hydrostatische Grundgleichung mit dem Druck in engem Zusammenhang steht, sind in dieser Darstellung nur die Kurven der jährlichen Streuungen als Aussage über die Zuverlässigkeit interessant. Die Streuungen nehmen in der Stratosphäre ab 30 hpa deutlich zu, bleiben jedoch unter 1% vom Mittelwert. Die Luftfeuchte Die relative Luftfeuchte nimmt in der unteren Troposphäre mit zunehmender Höhe rasch ab, bleibt dann relativ konstant und sinkt in der unteren Stratosphäre bis auf wenige Prozent. Der mittlere Dampfdruck sinkt von knapp 4 hpa im Winter und 8 bzw. 9 hpa im Sommer in 850 hpa bis auf wenige Zehntel hpa in 400 hpa exponentiell ab. Die Gegenüberstellung mit den Referenzatmosphären zeigt gute Übereinstimmung in diesem Höhenbereich. Oberhalb von 400 hpa sind die Differenzen zwischen den Stationswerten und den Referenzatmosphären etwas größer; in diesem Höhenbereich ist jedoch auch die Unsicherheit bei der Meßtechnik größer. Auch die oberhalb von 400 hpa deutlich anwachsenden Streuungen zeigen, wie schwierig die Feuchtemessung in der freien Atmosphäre ist. In früheren Jahren wurde die Feuchte nur bis höchstens 200 hpa ausgewertet. Erst mit Einführung der Radiosonde G bzw. kurz darauf der Radiosonden vom Typ Vaisala wird sie routinemäßig bis 100 hpa ausgewertet. Die neuen Radiosonden, die mit einer kapazitiven Meßmethode arbeiten, messen eine noch weitaus stärkere vertikale Feuchteabnahme als die früheren Radiosonden mit dem Haarhygrometer. Bei der Reihe Hannover/Bergen ist die Änderung nicht so deutlich; die Station Bergen (seit 1997) ist nicht mit der Radiosonde vom Typ Vaisala ausgerüstet. Windgeschwindigkeit Die skalare sowie die vektorielle Windgeschwindigkeit (=Resultierende des mittleren jahreszeitlichen bzw. jährlichen Windvektors) sind zusammen in einem Bild dargestellt. Im Mittel befindet sich ein relatives Windmaximum im Jetniveau etwa bei 250 hpa (ca. 13,6 km), das in der skalaren Windgeschwindigkeit besonders deutlich herauskommt. Die Kurve der immer niedrigeren vektoriellen Windgeschwindigkeit folgt diesem Verlauf grundsätzlich, wobei im Sommer die größte Übereinstimmung vorhanden ist. Im Sommer ist auch das Jetmaximum das absolute Maximum im vertikalen Profil; die vertikale Abnahme oberhalb ist besonders ausgeprägt und die erneute Zunahme oberhalb von etwa 70 hpa nur gering. Das Gegenteil ist im Winter der Fall, wo viel höhere Windgeschwindigkeiten in den Schichten oberhalb von etwa 20 hpa auftreten als im mittleren Jetniveau um 250 hpa. Die Übereinstimmung mit der Referenzatmosphäre für 50 Nord und 20 Ost ist grundsätzlich gut. Die etwas höheren Werte der vektoriellen Windgeschwindigkeit bedeuten eine etwas höhere beobachtete Beständigkeit an den Stationen als für die Referenzatmosphäre. Die mittlere Windrichtung ist besonders in der unteren Troposphäre deutlich (30 bis 40 Grad) rechtsgedreht.
Klimastatusbericht 2001 DWD 49 Die Windrichtung Im Profil der Richtung des mittleren Windvektors ist die jahreszeitliche Änderung mit der Ausbildung der sommerlichen Ostwindzirkulation in der Stratosphäre schön zu erkennen. Diese Umstellung findet im April oder Mai statt, sodass sie auch im mittleren Frühjahrsprofil schon erkennbar wird. Abweichungen der Jahresmittelwerte vom 30-jährigen Referenzzeitraum 1961-1990 In der Abbildung 2 sind als Balkendiagramme die Abweichungen der mittleren jährlichen Mittelwerte der Lufttemperatur, des Geopotentials, des Dampfdrucks und der skalaren Windgeschwindigkeit für die 10-Jahresabschnitte 1951-1960, 1961-1970, 1971-1980, 1981-1990 und 1991-2000 vom Referenzwert der Periode 1961-1990 für 12 Standarddruckflächen (850 hpa bis 50 hpa) für beide Stationen (rot: Hannover/Bergen; blau: München) dargestellt. Im Zeitabschnitt 1951-1960 sind die Werte der Druckflächen 70 hpa und 50 hpa noch aufgrund häufiger Messwertausfälle unzuverlässig. Dies gilt schwächer auch noch für die Druckfläche 50 hpa im Zeitraum 1961-1970. Im übrigen ist aber der Trend einer allmählichen Erwärmung der Tropospäre und der korrespondierende Trend der Abkühlung in der Stratosphäre schön zu sehen. Mit der Erwärmung der Troposphäre korrespondiert eine Zunahme der geopotentiellen Höhen. Die Änderung des Dampfdruckes ist nicht als Klimaänderung zu interpretieren, sondern ist ein Effekt der veränderten Messtechnik, die mit Einführung der kapazitiven Feuchtemessung im letzten 10-Jahresabschnitt wirksam ist und bei der Station München wesentlich stärker in Erscheinung tritt als bei Hannover/Bergen, da die Station Bergen noch mit älterer Meßtechnik ausgerüstet ist. Am Meteorologischen Observatorium Lindenberg wird intensiv an Kalibrier-und Korrekturverfahren für die Feuchtemessung gearbeitet. Das dort entwickelte Korrekturverfahren (siehe Klimastatusbericht 2000) wurde aber noch nicht auf die hier zugrundegelegten Daten angewendet. Interessant ist die Reihe der Abweichungen der Windgeschwindigkeit. Hier zeigt sich eine Zunahme, mit einem Maximum der Zunahme bei etwa 250 hpa, d.h. im Bereich des Jetmaximums. Auch wenn der Effekt in dieser Abbildung durch Schwächen des Datenmaterials in der 50er und 60er Jahren überbetont ist, kann man doch noch einen schwach signifikanten Trend zu einer Zunahme um 0,7 m/s in 10 Jahren für München ab 1967 finden. Für die Teilzeitreihe 1967 bis 2000 sind keine Inhomogenitäten des Datenmaterials für die Windgeschwindigkeiten in 250 hpa anzunehmen.
50 DWD Klimastatusbericht 2001 Abb. 2 Abweichungen der mittleren jährlichen Mittelwerte der Lufttemperatur, des Geopotentials, des Dampfdrucks und der skalaren Windgeschwindigkeit für die 10-Jahresabschnitte 1951-1960, 1961-1970, 1971-1980, 1981-1990 und 1991-2000 vom Mittelwert der Referenzperiode 1961-1990 für 12 Standarddruckflächen (850 hpa bis 50 hpa) für beide Stationen (rot: Hannover/ Bergen; blau: München) Literatur DIN/ISO 2533 (1979): Normatmosphäre DIN/ISO 5878-1982: Reference atmospheres for aerospace use DIN/ISO 5878-1982: Reference atmospheres for aerospace use Addendum1: Wind Supplement DIN/ISO 5878-1982: Reference atmospheres for aerospace use Addendum2: Air Humidity in the Northern Hemisphere Leiterer, U., Dier, H., Nagel, D., Naebert, T., Althausen, D., Franke, K. (2000): Method for Correction of RS-80-A-Humicap Humidity profiles Deutscher Wetterdienst