Temperaturentwicklung – Seite 7

Von Horst Malberg
Univ. Prof. (A.D.) für Meteorologie und Klimatologie

Die über den Klimawandel und seine primäre Ursache aussagekräftigsten Klima-/ Temperaturreihen finden sich in West- und Mitteleuropa. Dabei reichen die Beobachtungsdaten der Central England Temperatures (CET) bis ins 17. Jahrhundert, die der Mitteleuropareihe (Klimamittel aus Berlin, Basel, Prag, Wien) bis 1701 zurück. Bei der nachfolgenden Analyse ab 1671 wurden für die drei Dekaden 1671-1700 die Mitteleuropatemperaturen aus den CET-Daten abgeleitet (Reduktionsfaktor –0,5°C).

In den Beiträgen zur Berliner Wetterkarte (BWK) SO 29/09 bzw. SO 37/09 war der Zusammenhang zwischen Sonnenaktivität und Klimawandel in Mittel- bzw. Westeuropa getrennt untersucht worden. Im ersten Fall konnte dadurch die Auswirkung des integralen solaren Effekts auf einen primär kontinental geprägten, im zweiten auf einen ozeanischen Klimabereich erfasst werden. In Analogie zur Betrachtung des globalen Klimawandels, d.h. des Mittels aus primär ozeanischer Südhemisphäre und stark kontinental geprägter Nordhemisphäre, wird bei der vorliegenden Analyse eine Europa-Temperaturreihe als Mittel aus Central-England-Reihe und Mitteleuropareihe gebildet. Auf diese Weise wird eine repräsentative empirische Aussage über die integralen (direkten und indirekten) Auswirkungen solarer Aktivitätsänderungen auf den Klimawandel seit der Kleinen Eiszeit möglich.

Sonnenaktivität und Temperaturverhalten

In Abb. 1 ist die mittlere Sonnenfleckenzahl je Sonnenfleckenzyklus als Maß für die solare Aktivität wiedergegeben. Deutlich sind sowohl die kurzzeitlichen Fluktuationen als auch die klimarelevanten langzeitlichen Änderungen der Sonnenaktivität zu erkennen. Dem solaren Aktivitätsminimum im 17. Jahrhundert, dem Maunder-Minimum, folgte eine Zunahme der Sonnenaktivität im 18. Jahrhundert: der „ruhigen“ Sonne folgte eine zunehmend „aktive“ Sonne. Am Ende des 18. Jahrhunderts begann erneut eine Phase geringer Sonnenaktivität, das sog. Dalton-Minimum. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts setzte erneut eine anhaltende Phase zunehmender Sonnenaktivität ein. Diese hielt bis zum Ende des 20.Jahrhunderts an. Seither nimmt die Sonnenaktivität wieder deutlich ab. In Abb.2 sind für denselben 330-jährigen Zeitraum die dekadischen Mitteltemperaturen in Europa dargestellt. Auch diese weisen eine hohe Fluktuation auf. Die Ursache dafür sind die vielfältigen
kurzfristigen Einflüssen von Ozean (v.a. El Niño/La Niña), Biosphäre, Sonnenaktivität und Vulkanismus auf die Atmosphäre.

Der langfristige Klimaverlauf wird durch die Ausgleichskurve beschrieben. Dem Temperaturminimum der Kleinen Eiszeit im 17. Jahrhundert folgte ein Temperaturanstieg im 18. Jahrhundert. Am Ende des 18. Jahrhunderts setzte eine rapide Abkühlung ein. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts folgte erneut eine Erwärmung. Diese erreichte 1998 ihren Höhepunkt. Seither stagniert die Temperatur global bzw. weist einen Abkühlungstrend auf. Im Gegensatz zu der globalen Klimareihe seit 1850, die allein die letzte Erwärmung erfasst, also nur eine einzige Phase des Klimawandels der letzten Jahrhunderte, lässt die Europareihe eine Untersuchung des Klimawandels seit der Kleinen Eiszeit zu.

Empirische Klimaanalyse

Wie schon der optische Vergleich von Abb.1 und Abb.2 belegt, weisen die langzeitlichen Kurvenverläufe der solaren Aktivität und der Europa-Temperatur seit 1671 unverkennbar ein synchrones Verhalten auf. Als „Klima“ definiert die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) das Integral über alle Wetter-/Witterungsereignisse, erfasst durch die Mittelwerte, in einem mindestens 30-jährigen Zeitraum. Entsprechend dieser Definition spiegeln daher nicht kurzfristige Sprünge von Jahr zu Jahr oder Dekade zu Dekade, sondern allein die Langfristverläufe den (wahren) Klimawandel wider. In der gegenwärtigen Klimadebatte wird aber ständig gegen die WMO-Definition verstoßen. Wenn es in die Ideologie passt, werden einzelne Wetter-/Witterungsereignisse (Hurrikan „Sandy“, Überschwemmungen) oder einzelne Jahre/Jahreszeiten als Beleg für die anthropogene Erwärmungshypothese angeführt. Äußerungen dieser Art sind unseriös und zeugen von wenig meteorologischem Sachverstand. Entsprechend der WMO-Klimadefinition wurde die Datenanalyse für Klimaperioden von 3 Sonnenfleckenzyklen (im Mittel 33 Jahre) durchgeführt. Da der solare Klimaantrieb kontinuierlich auf unser Klimasystem wirkt, werden der Auswertung gleitende Klimaperioden von 3 Sonnenfleckenzyklen zugrunde gelegt.

weiter lesenKlimawandel seit der Kleinen Eiszeit: Die Wirkung der Sonne wurde unterschätzt

Im Oktober 2011 erschien im International Journal of Modern Physics eine Arbeit einer deutschen Forschergruppe um Horst-Joachim Lüdecke mit dem Titel „How natural is the recent centenial warming? An analysis of 2249 surface temperature records“. Darin behandeln die Autoren die Frage, wie hoch der natürliche Anteil gegenüber dem menschengemachten an der Klimaerwärmung der letzten 100 Jahren gewesen sein könnte. Im folgenden Beitrag, der im März 2013 auch auf der EIKE-Webseite erschienen ist, gibt Lüdecke einen Überblick über die Arbeit und macht zusätzliche Ergänzungen zum Thema. Eine kleine Warnung an alle Nichtmathematiker unter unseren Lesern: Hier geht es zahlentechnisch ganz schön zur Sache. Rückmeldungen zu diesem Beitrag bitte wie immer via unser Kontaktformular. Wir leiten die Kommentare dann an den Autor weiter.

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Von Horst-Joachim Lüdecke

Zusammenfassung: Konstantes Klima ist unmöglich. Wetter und Klima ändern sich zu jeder Zeit und überall. In Temperaturreihen, die sich über mehrere Jahrzehnte erstrecken, zeigen sich Klimaschwankungen. Die in diese Reihen eingebrachten Trendlinien deuten vordergründig auf äußere Ursachen hin, die freilich fast immer unbekannt sind. Die bis heute einzigen, zweifelsfrei gesicherten Ursachen sind extrem starke Vulkanausbrüche, deren globale Folgen mehrjährige Abkühlungstrends sind. Selbst vielen Fachleuten ist es immer noch unbekannt, dass sich Trends in Temperaturzeitreihen aber auch ganz ohne äußere Ursachen bilden können. Der Augenschein ist kein verlässlicher Zeuge, denn sogar sehr deutliche Trends sind keineswegs eine Gewähr für externe Ursachen. Die von selbst auftretenden Trends werden durch das „Gedächtnis“ (Persistenz) der Temperaturreihe erzeugt. Seit dem Jahre 2009 steht mit der modernen Persistenzanalyse ein Verfahren zur Verfügung, mit dem erstmalig verlässlich entschieden werden kann, ob ein Trend in einer Temperaturzeitreihe eine äußere Ursache hat oder ob man umgekehrt dies nicht annehmen muss. Neben weiteren Anwendungen wurde mit dieser neuen Methode die globale Temperaturentwicklung des 20. Jahrhunderts an Hand von ca. 2500 Langzeit-Temperaturreihen analysiert. Hierbei zeigte sich, dass für die Erwärmung des 20. Jahrhunderts ein externer Einfluss zwar nicht ausgeschlossen werden kann, er allerdings dramatisch schwächer ist als die vom IPCC eingeschätzte Wirkung des anthropogenen CO₂. Woher der nicht auszuschließende äußere Einfluss stammt, kann nicht mit der Methode entschieden werden. Es kommen auch andere Ursachen als das Treibhausgas CO₂ in Frage, zum Beispiel ein ungewöhnliches Verhalten der Sonne.

1. Was ist Persistenz in Temperaturzeitreihen?

Zeitreihen sind wichtige Werkzeuge, um Informationen über komplexe Prozesse zu gewinnen. Herzspezialisten nehmen Zeitreihen des Herzschlags oder des Blutdrucks auf, um Aufschlüsse über den gesundheitlichen Zustand eines Patienten zu erhalten. Finanz- und Versicherungsmathematiker analysieren Zeitreihen, um die finanziellen oder versicherungstechnischen Risken von Unternehmen zu bewerten. Klimatologen verwenden Temperaturzeitreihen (Tages-, Monats- oder Jahresmittelwerte), um langfristige Klimatrends aufzufinden. Im Folgenden geht es hier um Temperaturzeitreihen.

Der englische Wasserbau-Ingenieur Harold Edwin Hurst untersuchte in den 1950-er Jahren die Tief- und Höchststände des Nils und entdeckte dabei als erster, dass hydrologische Zeitreihen ein Gedächtnis besitzen. Die aktuell gemessenen Werte hängen von den vergangenen, zum Teil weit zurückliegenden Werten ab. Später wurde erkannt, dass auch viele weitere Zeitreihen der Natur wie z.B. Baumringe ein Gedächtnis aufweisen. Man nennt dieses Phänomen Persistenz oder Autokorrelation. Die Schwankungen der Zeitreihe um ihren Mittelwert erfolgen in persistenten Zeitreihen nicht mehr unabhängig, sondern sie werden von der Vergangenheit der Zeitreihe beeinflusst.

Betrachtet man Temperaturzeitreihen, so erscheint dieses Verhalten zunächst nicht einmal so ungewöhnlich. Eine Temperaturzeitreihe weist zumindest ein „Gedächtnis“ über die momentan herrschende Jahreszeit auf. Es kommt nie vor, dass auf einen warmen Sommertag plötzlich ein kalter Wintertag folgt, bzw. umgekehrt. Da jahreszeitlich bedingte Schwankungen im Allgemeinen weniger interessieren, werden die saisonalen Einflüsse vor der Persistenzanalyse aus einer Temperaturzeitreihe entfernt. Aber auch danach beobachtet man noch, dass ein Tagestemperaturmittelwert zumindest vom Vortag abhängt. So wird ein über dem längerfristigen Mittel liegender Temperaturwert am nächsten Tag mit über 50% Wahrscheinlichkeit ebenfalls über diesem Mittel liegen, Entsprechendes trifft für einen unter dem Mittel liegenden Temperaturwert zu. Eine Erklärung für dieses Phänomen liefern anhaltende Wetterlagen. Persistenz über mehrere Wochen kann man mit meteorologischen Blocksituationen, wie etwa einem lang anhaltendes Azorenhoch erklären. Für noch längere Zeiträume ist freilich über die Ursachen von Persistenz wenig bekannt. Es werden dekadale Oszillationen wie z.B. der El Nino, Einflüsse aus den sich ändernden Planetenkonstellationen und weiteres mehr diskutiert. Erstaunlicherweise findet man in Temperaturzeitreihen Persistenz bis über mehrere Jahrzehnte. Die Ursachen solch langreichweitiger Persistenz sind bis heute völlig unbekannt.

weiter lesenKlimatrends in Temperaturreihen: Wieviel Natur steckt in der Erwärmung der letzten 100 Jahre?