| Forschung | Wie entfernt man fehlerhafte Trends aus meteorologischen Messreihen?
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 Wachstums der Städte befinden sich viele ursprünglich in Vororten gelegene Messstationen mittlerweile 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.
Viele Stationen werden verlegt, die Umgebungsbedingungen ändern sich
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 elektrische Widerstandsthermometer 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.
Änderungen in der Messtechnik
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-klimatischen 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.
Methodenvergleich in Blindstudie
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.
Klimawandel-Skeptiker widerlegt
In der Klimawandeldebatte wird von einigen Skeptikern behauptet, dass die Korrekturen nicht-klimatischer Effekte zu einer Überschätzung der globalen Erwärmung führen. 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.“
Homogenisierung erhöht Datenqualität
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
Météo-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 kann Klimatologen mit letzter Sicherheit empfohlen werden, die neuen Homogenisierungsmethoden tatsächlich anzuwenden, denn sie sind den alten Verfahren deutlich überlegen. Tamás 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.“
Wissenschaftlicher Ertrag steht für alle bereit
Der wissenschaftliche Artikel zu dieser Studie wurde kürzlich zur Veröffentlichung in der Peer-Review-Fachzeitschrift „Climate of the Past“ akzeptiert, einer angesehenen Open-Access- und Open-Review-Reihe der
European Geoscience Union. Solche Open-Access-Zeitschriften sind frei zugänglich für jedermann, ihre Veröffentlichungskosten werden von den 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.
Transparenz von der Messung bis zur Homogenisierung
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.“
Abb. 1: 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 Montsour-Hütte, 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 Stevenson-Hütten. In der einen befinden sich automatische, in der anderen konventionelle Messgeräte (Center for Climate Change
, Universitat Rovira i Virgili
, Tarragona, Spanien).
Abb. 2: 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 (Brunetti M., ISAC-CNR
, Bologna, Italien).
Abb. 3: Das Foto links stammt aus dem Jahr 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 (Mestre O., Météo-France
, Toulouse, Frankreich).
Für mehr Informationen
Der Artikel kann von dieser
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heruntergeladen werden. Die Durchführung dieser Studie wäre ohne die Unterstützung des EU-Programms
COST, das die Zusammenarbeit europäischer Forscherinnen und Forscher fördert, nicht möglich gewesen. An diesem Projekt waren Wissenschaftler aus 27
COST-Ländern sowie Andorra, Australien, Kanada und den USA beteiligt.
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. Das Acronym
HOME bezeichnet
Advances in homogenisation method of climate series: an integrated approach. Ansprechperson in Österreich ist
Ingeborg Auer an der ZAMG
.
Weitere Informationen: klimaforschung@zamg.ac.at (ia)
Links:
COST:
HOME Website
HOME Action
Website Bildmaterial
International Surface Temperature Initiative:
Benchmarking and assessment working group Website
Venema V.K.C., Mestre O., Aguilar E., Auer I., Guijarro J.A., Domonkos P., Vertacnik G., Szentimrey T., Stepanek P., Zahradnicek P., Viarre J., Müller-Westermeier G., Lakatos M., Williams C.N., Menne M., Lindau R., Rasol D., Rustemeier E., Kolokythas K., Marinova T., Andresen L., Acquaotta F., Fratianni S., Cheval S., Klancar M., Brunetti M., Gruber C., Prohom Duran M., Likso T., Esteban P., Brandsma T. (2011): Benchmarking monthly homogenization algorithms.
Climate of the Past 7, 2655–2718, doi:10.5194/cpd-7-2655-2011
Website
ZAMG: HISTALP
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