Wie gut können fehlerhafte Klimatrends aus meteorologischen Messreihen entfernt werden?
Beschreibung der Studie
Zur genauen Bestimmung der Klimaentwicklung im vergangenen Jahrhundert sind die Originalaufzeichungen der Klimastationen unverzichtbar, aber nicht ohne weiteres nutzbar. Neben echten Klimasignalen können sie auch künstliche Änderungen enthalten, wie sie z.B. durch den Wärmeinseleffekt von Städten hervorgerufen werden. Durch die Bebauung speichern Städte die Wärme insbesondere nachts besser als ihre Umgebung. Aufgrund des Wachstum der Städte befinden sich viele ursprünglich in Vororten gelegene Meßstationen mitterweile in städtischer Umgebung. Folglich werden steigende Temperaturen gemessen ohne dass sich das allgemeine Klima geändert hätte. Andererseits wurden viele Meßstationen im Laufe der Jahre zu den außerhalb gelegenen und somit kühleren Flughäfen verlegt. Weitere Inhomogenitäten resultieren aus Veränderungen der Meßmethoden. Zum Schutz vor Nässe und Sonne sind meteorologische Instrumente üblicherweise in Wetterhütten aufgebaut. Im 19. Jahrhundert benutzte man dagegen häufig nur einen Metallschutz und maß die Temperatur an der sonnengeschützten Nordseite von Häusern, deren Wärmestrahlung die Messung sicher verfälschten. Später erkannte man dieses Problem und führte sogenannte Stevenson-Hütten ein, die nun abseits von Gebäuden in Gärten aufgestellt wurden. In ihrer typischen Doppellamellen-Bauweise sind sie bis heute gebräuchlich. Um Kosten zu sparen, kommen heute allerdings mehr und mehr automatische Meßinstrumente zum Einsatz. Der Strahlungsschutz der Thermometer wird nun durch mehrere weiße Kunststoffummantelungen gewährleistet. Zur automatischen Registrierung mußten allerdings herkömmliche Flüssigkeitsthermometer durch eletrische Widerstansthermometer ersetzt werden, die etwas niedrigere Messungen liefern. Ein weiteres Beispiel für Änderungen der Meßmethodik nennt Ingeborg Auer von der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik in Wien: „Die ersten modernen Regenmeßgeräte wurden Ende des 19. Jahrhunderts meist auf Hausdächern installiert und zeigten deshalb einen 10% geringeren Niederschlag im Vergleich zu heute.“ Die Meßgeräte wurden damals auf Dächer gestellt, damit der Regen nicht durch Bäume oder Häuser abgeschirmt werden konnte. Später stellte sich allerdings heraus, daß durch die hier herrschende erhöhte Windverwirbelung ein beträchlicher Teil des Niederschlags nicht ins Meßgerät fallen konnte. Dies führte inbesondere bei Schneefall zu einer deutlichen Unterschätzung. Folglich werden die Niederschlagsmeßgeräte heute am Boden aufgestellt.
Die allmähliche Veränderung der Stationsumgebung, die Verlegung von Stationen und Änderungen der Meßtechnik verfälschen also die langjährigen Klimameßreihen. Will man die tatsächliche Entwicklung des Klimas einschätzen, müssen diese nicht-klimatische Effekte von den echten Klimasignalen getrennt werden. Hierzu werden die sehr kleinen Differenzen der Meßreihen benachbarter Stationen ausgewertet. Künstliche Änderungen an einer Station führen zu deutlich erkennbaren abrupten Sprüngen in den Differenzen, die in den absoluten Meßreihen wegen der hohen natürlichen Klimavariabilität nicht erkennbar wären. Die Methode greift natürlicht nicht, wenn die Meßtechnik im ganzen Land gleichzeitig verändert wurde. Solche umfassenden Änderungen sind aber weniger problematisch, da sie im allgemeinen gut dokumentiert sind.
Obwohl alle Korrekturverfahren auf dem gleichen Prinzip basieren, haben sich im Laufe der Zeit unterschiedliche Methoden etabliert. Die COST Action HOME hat nun die erste vergleichende Blindstudie dieser Verfahren durchgeführt. Hierzu stellte ein Teilnehmer realistische künstliche Klimadaten her, inklusive einiger zusätzlicher Sprünge und Trends. Die übrigen Teilnehmer sollten diese Inhomogenitäten mithilfe ihrer jeweiligen Verfahren finden und ihre Ergebnisse zurücksenden. Da der Datenproduzent, und natürlich nur er, die eingefügten nicht-klimatischen Sprünge kannte, konnte er eine objekte Bewertung aller Methoden durchführen. Die Unkenntnis der übrigen Teilnehmer, wo und welche Inhomogenitäten eingefügt wurden, ist hierbei entscheidend. Eine solche Blindstudie von Homogenisierungsverfahren ist bisher einzigartig.
In der Klimadebatte wird nun von einigen Skeptikern behauptet, daß die Korrekturen nicht-klimatischer Effekte zu einer Überschätzung der globalen Erwärmung führt. Die Ergebnisse dieser Studie widerlegen diese Behauptung. Homogenisierungsverfahren verbessern die Qualität von Temperaturmeßreihen und ermöglichen somit eine genauere Einschätzung des Trends. Enric Aquilar vom Center on Climate Change im spanischen Tarragona folgert: „Unsere Experimente bestätigen in der Tat, daß die Verfahren die Datenqualität erhöhen. Wir sind dadurch besser in der Lage, die Entwicklung des Klimas im letzten Jahrhundert einzuschätzen.“
Zur Berechnung der Differenzmeßreihen wurde als Referenz bisher häufig der Mittelwert aller umliegenden Stationen verwendet. Durch die Mittelung wird der Einfluß der zufällig verteilten nicht-klimatischen Effekte deutlich reduziert. Jeder Sprung der Differenzmeßreihe wurde also als eine Inhomogenität der betrachteten Station und nicht der Referenz interpretiert. Das ist zwar eine gute, aber nie vollstädig erfüllte Annahme. Oliver Mestre vom französischen Wetterdienst Meteo France erläutert: „In den letzten Jahren haben Klimatologen und Statistiker neue Methoden entwickelt, die keine homogenen Referenzdaten mehr benötigen. Herkömmliche Homogenisierungsmethoden funktionierten schon recht gut, aber die komplexen modernen Verfahren arbeiten weit besser.“ Diese Schlußfolgerung konnte nur auf Basis der verwendeten Benchmark-Daten gezogen werden, die sowohl das Klimasignal als auch die typischen Inhomogenitäten realistisch widerspiegeln. Erst durch diese Studie können wir mit letzter Sicherheit sagen, daß Klimatologen die neuen Homogenisierungsmethoden auch tatsächlich anwenden sollten, denn sie sind den alten Verfahren deutlich überlegen. Tamas Szentimrey vom Ungarischen Wetterdienst in Budapest erklärt: „Unsere Empfehlungen basieren nicht allein auf den numerischen Ergebnissen, sondern vielmehr auf dem tiefen Verständnis der Algorithmen. Die mathematische Basis ist der Schlüssel.“
Der wissenschaftliche Artikel zu dieser Studie wurde kürzlich zur Veröffentlichung in der peer-review Fachzeitschrift „Climate of the Past“ akzeptiert, einer angesehenen open-access/open-review Reihe der European Geoscience Union. Solche open-access Zeitschriften sind frei zugänglich für jedermann, ihre Veröffentlichungskosten werden von der Autoren getragen. Open-access Veröffentlichungen erleichtern es Forschern weltweit, auch in Entwicklungsländern, an der aktuellen Wissenschaft teilzunehmen. Vom direkten Zugang zu den Originalveröffentlichungen profitiert aber auch die Allgemeinheit, weil hierdurch die öffentliche Diskussion aktueller wissenschaftlicher Themen in Zeitungen und Blogs gestärkt wird. Der Hauptautor des Artikels, Victor Venema vom Meteorologischen Institut der Universität Bonn, betont: „Open-access Veröffentlichungen eröffnen interessante neue Möglichkeiten. Insbesondere bei diesem Thema war es uns wichtig, daß jeder unsere Ergebnisse lesen kann.“ Daneben ist Climate of the Past auch eine open-review Zeitschrift. Diese neue Art der Begutachtung wissenschaftlicher Artikel ist öffentlich. Jedermann hat die Möglichkeit, eingereichte Manuskripte zu kritisieren, aber auch diese Kommentare sind öffentlich zugänglich, ebenso wie die der offiziellen Gutachter.
Die Zusammenstellung und Betreuung eines umfassenden globalen Temperaturdatensatzes hat sich die International Surface Temperature Initiative (ISTI) zum Ziel gesetzt. Transparenz ist hierbei eines der Hauptanliegen. Möglichst jede einzelne Temperaturmessung sollte auf ihren Ursprung zurückverfolgt werden können. Der Datensatz soll beginnend bei den Fotos der Originalaufzeichnungen, über die verschlüsselten Meldungen bis zu den entsprechenden Temperaturen im allgemein lesbaren Format den klassischen Informationsfluß nachzeichnen. Auch die Ergebnisse nach der dann üblicherweise durchgeführten Qualitätskontrolle der Daten werden enthalten sein, ebenso wie der letzte Schritt: die Homogenisierung der Daten. Um die Qualität der Software zu überprüfen, die diese Schritte durchführt, wird ein ganz ähnlicher Datensatz, wie er für die COST Action HOME erzeugt wurde, zum Einsatz kommen. Kate Willet von britischen Wetterdienst ist zuversichtlich: „Die Erfahrungen von HOME werden unserer Initiative helfen, einen optimalen Datensatz zur Validierung von Homogenisierungsverfahren zu erstellen.“
Die Durchführung unserer Studie wäre ohne die Unterstützung des EU-Programms COST, das die Zusammenarbeit europäischer Forscher fördert, nicht möglich gewesen. An diesem Projekt waren Wissenschaftler aus 27 COST Ländern, sowie Andorra, Australien, Kanada und der USA beteiligt.
Zusatzinformation
Das Acronym HOME bezeichnet: Advances in homogenisation method of climate series: an integrated approach.
COST bezeichnet: European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research, Es handelt sich um eine Fördermöglichkeit der EU, die Kooperation zwischen Wissenschaftlern in Europa zu stärken.
Für mehr Informationen
Der Artikel kann heruntergeladen werden von: http://www.clim-past-discuss.net/7/2655/2011/cpd-7-2655-2011-discussion.html (Später Aktualisieren)
Die Homepage der COST Action HOME.
Die Homepage von COST zu HOME.
Die benchmarking-and-assessment Arbeitsgruppe der international surface temperatures initiative:.
Kontaktpersonen für Deutschland:
Victor Venema (First author, Meteorological Institute University of Bonn)
Gerhard Müller-Westermeier (German Weather Service, DWD, Offenbach)
Dr Victor Venema
Meteorological institut
University of Bonn
Auf dem Huegel 20
53121 Bonn
Tel. 0228 73 5185
Fax. 0228 73 5188
Victor.Venema@uni-bonn.de
Gerhard Müller-Westermeier
Deutscher Wetterdienst
Klima und Umwelt
Kaiserleistr. 44
63067 Offenbach
Tel. 069 8062 2940
Fax. 069-8062-2993
gerhard.mueller-westermeier@dwd.de
Bildmaterial
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Um die Auswirkungen unterschiedlicher Messtechniken zu untersuchen, werden gleichzeitige Messungen mit historischen und modernen Instrumenten und Verfahren durchgeführt. Das Bild zeigt einen solchen Versuchsaufbau mit drei Wetterhütten im spanischen Murcia. Bei der rechten handelt es sich um einen Nachbau der Montsourihütte, die ursprünglich im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert in Spanien und vielen anderen europäischen Ländern zum Einsatz kam. Links davon stehen zwei heute übliche Stevensonhütten. In der einen befinden sich automatische, in der anderen konventionelle Meßgeräte. Urheber: Project SCREEN, Center for Climate Change, Universitat Rovira i Virgili, Spain.
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| Ein sogenanntes Meteorologisches Fenster , wie es 1879 vom damaligen italienischen Zentralamt für Meteorologie und Klima eingeführt wurde. Ende des 19.Jahrhunderts befanden sich die meisten Messstationen in städtischer Umgebung. Die Messgeräte wurden an der Außenseite eines Nordfensters im obersten Stockwerk eines “Meteorologischen Turms” angebracht. Durch den Turm sollte sichergestellt werden, dass oberhalb der umgebenden Bebauung gemessen wurde. Foto: Michele Brunetti, ISAC-CNR, Bologna, Italien. | |
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| Das Photo LINKS (right) stammt aus dem Jahre 1911 und zeigt eine meteorologische Messstation in einem damals üblichen offenen Wetterschutz auf dem Schulhof einer Grundschule in La Rochelle, einer französischen Hafenstadt an der Biscaya. Die heutige Station (rechtes Foto) ist in den Küstenort Le Bout Blanc verlegt, in die direkte Nähe des hinter den Büschen sichtbaren Meeres. Die Messgeräte befinden sich nun in einer Wetterhütte nach Stevenson Bauart. Foto: Olivier Mestre, Meteo France, Toulouse, Frankreich. | |
victor.venema@uni-bonn.de
URL: http://www2.meteo.uni-bonn.de/mitarbeiter/venema/themes/homogenisation/HOME/index.de.html
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