Trends in precipitation over Germany and the Rhine basin related to changes in weather patterns

Niederschlag als eine der wichtigsten meteorologischen Grosen fur Landwirtschaft, Wasserversorgung und menschliches Wohlbefinden hat schon immer erhohte Aufmerksamkeit erfahren. Niederschlagsmangel kann verheerende Auswirkungen haben, wie z.B. Missernten und Wasserknappheit. Ubermasige Niederschlage andererseits bergen jedoch ebenfalls Gefahren in Form von Hochwasser oder Sturzfluten und wiederum Missernten. Daher wurde viel Arbeit in die Detektion von Niederschlagsanderungen und deren zugrundeliegende Prozesse gesteckt. Insbesondere angesichts von Klimawandel und unter Berucksichtigung des Zusammenhangs zwischen Temperatur und atmospharischer Wasserhaltekapazitat, ist groser Bedarf an Forschung zum Verstandnis der Auswirkungen von Klimawandel auf Niederschlagsanderungen gegeben. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, vergangene Veranderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Variablen zu verstehen. Fur verschiedene Zeitraume wurden Tendenzen gefunden und mit entsprechenden Veranderungen in der grosskaligen atmospharischen Zirkulation in Zusammenhang gebracht. Die Ergebnisse dieser Arbeit konnen als Grundlage fur die Attributierung von Hochwasserveranderungen zu Klimawandel genutzt werden. Die Annahmen fur die Masstabsverkleinerung („Downscaling“) der Daten von grosskaligen Zirkulationsmodellen auf die lokale Skala wurden hier getestet und verifziert. In einem ersten Schritt wurden Niederschlagsveranderungen in Deutschland analysiert. Dabei lag der Fokus nicht nur auf Niederschlagssummen, sondern auch auf Eigenschaften der statistischen Verteilung, Ubergangswahrscheinlichkeiten als Mas fur Trocken- und Niederschlagsperioden und Extremniederschlagsereignissen. Den raumlichen Fokus auf das Rheineinzugsgebiet, das groste Flusseinzugsgebiet Deutschlands und einer der Hauptwasserwege Europas, verlagernd, wurden nachgewiesene Veranderungen in Niederschlag und anderen meteorologischen Grosen in Bezug zu einer „optimierten“ Wetterlagenklassifikation analysiert. Die Wetterlagenklassifikation wurde unter der Masgabe entwickelt, die Varianz des lokalen Klimas bestmoglich zu erklaren. Die letzte hier behandelte Frage dreht sich darum, ob die beobachteten Veranderungen im lokalen Klima eher Haufigkeitsanderungen der Wetterlagen zuzuordnen sind oder einer Veranderung der Wetterlagen selbst. Eine gebrauchliche Annahme fur einen Downscaling-Ansatz mit Hilfe von Wetterlagen und einem stochastischen Wettergenerator ist, dass Klimawandel sich allein durch eine Veranderung der Haufigkeit von Wetterlagen ausdruckt, die Eigenschaften der Wetterlagen dabei jedoch konstant bleiben. Diese Annahme wurde uberpruft und die Fahigkeit der neuesten Generation von Zirkulationsmodellen, diese Wetterlagen zu reproduzieren, getestet. Niederschlagsveranderungen in Deutschland im Zeitraum 1951–2006 lassen sich zusammenfassen als negativ im Sommer und positiv in allen anderen Jahreszeiten. Verschiedene Niederschlagscharakteristika bestatigen die Tendenz in den Niederschlagssummen: wahrend mittlere und extreme Niederschlagstageswerte im Winter zugenommen haben, sind auch zusammenhangende Niederschlagsperioden langer geworden (ausgedruckt als eine gestiegene Wahrscheinlichkeit fur einen Tag mit Niederschlag gefolgt von einem weiteren nassen Tag). Im Sommer wurde das Gegenteil beobachtet: gesunkene Niederschlagssummen, untermauert von verringerten Mittel- und Extremwerten und langeren Trockenperioden. Abseits dieser allgemeinen Zusammenfassung fur das gesamte Gebiet Deutschlands, ist die raumliche Verteilung von Niederschlagsveranderungen deutlich heterogener. Vermehrter Niederschlag im Winter wurde hauptsachlich im Nordwesten und Sudosten Deutschlands beobachtet, wahrend im Fruhling die starksten Veranderungen im Westen und im Herbst im Suden aufgetreten sind. Das saisonale Bild wiederum lost sich fur die zugehorigen Monate auf, z.B. setzt sich der Anstieg im Herbstniederschlag aus deutlich vermehrtem Niederschlag im Sudwesten im Oktober und im Sudosten im November zusammen. Diese Ergebnisse betonen die starken raumlichen Zusammenhange der Niederschlagsanderungen. Der nachste Schritt hinsichtlich einer Zuordnung von Niederschlagsveranderungen zu Anderungen in grosskaligen Zirkulationsmustern, war die Ableitung einer Wetterlagenklassifikation, die die betrachteten lokalen Klimavariablen hinreichend stratifizieren kann. Fokussierend auf Temperatur, Globalstrahlung und Luftfeuchte zusatzlich zu Niederschlag, wurde eine Klassifikation basierend auf Luftdruck, Temperatur und spezifischer Luftfeuchtigkeit als am besten geeignet erachtet, die Varianz der lokalen Variablen zu erklaren. Eine vergleichsweise hohe Anzahl von 40 Wetterlagen wurde ausgewahlt, die es erlaubt, typische Druckmuster durch die zusatzlich verwendete Temperaturinformation einzelnen Jahreszeiten zuzuordnen. Wahrend die Fahigkeit, Varianz im Niederschlag zu erklaren, relativ gering ist, ist diese deutlich besser fur Globalstrahlung und naturlich Temperatur. Die meisten der aktuellen Zirkulationsmodelle des CMIP5-Ensembles sind in der Lage, die Wetterlagen hinsichtlich Haufigkeit, Saisonalitat und Persistenz hinreichend gut zu reproduzieren. Schlieslich wurden dieWetterlagen bezuglich Veranderungen in ihrer Haufigkeit, Saisonalitat und Persistenz, sowie der Wetterlagen-spezifischen Niederschlage und Temperatur, untersucht. Um Unsicherheiten durch die Wahl eines bestimmten Analysezeitraums auszuschliesen, wurden alle moglichen Zeitraume mit mindestens 31 Jahren im Zeitraum 1901–2010 untersucht. Dadurch konnte die Annahme eines konstanten Zusammenhangs zwischen Wetterlagen und lokalem Wetter grundlich uberpruft werden. Es wurde herausgefunden, dass diese Annahme nur zum Teil haltbar ist. Wahrend Veranderungen in der Temperatur hauptsachlich auf Veranderungen in der Wetterlagenhaufigkeit zuruckzufuhren sind, wurde fur Niederschlag ein erheblicher Teil von Veranderungen innerhalb einzelner Wetterlagen gefunden. Das Ausmas und sogar das Vorzeichen der Veranderungen hangt hochgradig vom untersuchten Zeitraum ab. Die Haufigkeit einiger Wetterlagen steht in direkter Beziehung zur langfristigen Variabilitat grosskaliger Zirkulationsmuster. Niederschlagsveranderungen variieren nicht nur raumlich, sondern auch zeitlich – Aussagen uber Tendenzen sind nur in Bezug zum jeweils untersuchten Zeitraum gultig. Wahrend ein Teil der Veranderungen auf Anderungen der grosskaligen Zirkulation zuruckzufuhren ist, gibt es auch deutliche Veranderungen innerhalb einzelner Wetterlagen. Die Ergebnisse betonen die Notwendigkeit fur einen sorgfaltigen Nachweis von Veranderungen moglichst verschiedene Zeitraume zu untersuchen und mahnen zur Vorsicht bei der Anwendung von Downscaling-Ansatzen mit Hilfe von Wetterlagen, da diese die Auswirkungen von Klimaveranderungen durch das Vernachlassigen von Wetterlagen-internen Veranderungen falsch einschatzen konnten.