Heavy Rains in Germany

Temperaturen, und vor allem Jahresmittel-Temperaturen sind nicht wirklich entscheidend (schon gar nicht allein entscheidend) für natürliche oder menschgesteuerte Ökosysteme. Für den Menschen sind insbesondere Extrem-Ereignisse wie Dürren oder Überschwemmungen wichtig. Hier wollte ich einmal genauer nachschauen, ob man in den öffentlich zugänglichen Wetterdaten des deutsche Wetterdienstes (44 Stationen mit Tagesdaten finden sich hier) eine Änderung der Starkniederschläge zu finden ist. Die Überschwemmungen der Elbe 2002 oder der Donau 2006 haben gezeigt, dass solche Starkniederschläge gravierendere Konsequenzen haben können als eine “gemütliche” Erwärmung von 0.5°C. Klar, Hydrologen sind sich einig, dass zu den “katastrophalen” Auswirkungen einer Überschwemmung weit mehr gehört als eine Menge Regen oder Schnee. Flussbegradigungen und insbesondere die Besiedlung von einst als unbewohnbar geltenden Flussauen mögen in der Tat weit mehr zum “katastrophalen” Charakter dieser Überschwemmungen beitragen als nun gerade starke Niederschläge, aber sagen wir mal so: Ein Haufen Wasser hilft im Allgemeinen eine Überschwemmung hinzubekommen.
Was sagen die Klimamodelle zu den Starkniederschlägen in Europa für die Zukunft voraus? Ob nun bei im Mittel steigenden (Nord- und Zentraleuropa) oder eher zurückgehenden (Südeuropa, dort gibt es aber auch in einigen Regionen/Modellen den umgekehrten Effekt) Niederschlägen, sehen die Modelle einen Anstieg der Starkniederschläge für die Zukunft voraus:

“In northern Europe and in central Europe in winter, where
time mean precipitation is simulated to increase, high extremes
of precipitation are very likely to increase in magnitude and
frequency. In the Mediterranean area and in central Europe
in summer, where reduced mean precipitation is projected,
extreme short-term precipitation may either increase (due to
the increased water vapour content of a warmer atmosphere)
or decrease (due to a decreased number of precipitation days,
which if acting alone would also make heavy precipitation
less common)”

Wie sieht es denn bei den bisher bereits beobachteten Änderungen um Starkniederschlag aus. Wieder das IPCC:


“Substantial increases are found in heavy precipitation
events. It is likely that there have been increases in the number
of heavy precipitation events (e.g., 95th percentile) within many
land regions, even in those where there has been a reduction in
total precipitation amount, consistent with a warming climate
and observed significant increasing amounts of water vapour
in the atmosphere. Increases have also been reported for rarer
precipitation events (1 in 50 year return period), but only a few
regions have sufficient data to assess such trends reliably.”

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Grafik 1: Häufigkeit der 8 Stundenniederschläge in Hohenpeissenberg.

Ok, substantial increase heisst es beim IPCC, dann schaun wir mal in den 44 deutschen Stationen nach. Erstes Problem, Niederschlag ist statistisch eine fiese Grösse. Null Niederschlag ist das eine Ende der statistischen Verteilung, ein absolutes oberes Ende gibt es nicht (siehe Grafik 1). Niederschlag ist daher nicht gaussverteilt und man muss ein wenig tüfteln, um ein vernünftiges statistisches Modell zu bauen.

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Grafik 2: Summe der Niederschläge, die über der Starkniederschlagsmarke (definiert als 50st stärkster Niederschlag in der Zeit 61-90) liegen.

Ich wähle wie immer die Methode für climate dummies, die ich und jeder sofort nachbauen kann, wenn er denn möchte: Ich betrachte die Zeit von 61-90 als das Klimatologieintervall, für das ich für jede DWD Station das 50st stärkste Niederschlagsereignis bestimme (siehe Grafik 1). Als nächstes addiere ich in jedem Jahr alle Niederschläge auf, die über dem Grenzwert liegen. Danach mittele ich nochmal alle Stationen, um so einen Deutschland-Index zu basteln.

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Grafik 3: Mittel aller Starkniederschläge (Defininition s.Text) für 39 DWD Stationen (blau) und die 7 ältesten Stationen (rot).

Für Hohenpeissenberg, die Station die schon in Grafik 1 gezeigt wurde, sieht das dann so aus wie in Grafik 2. Kein überwältigender Trend, aber doch eine Anhäufung von Starkniederschlägen in den letzten 20 Jahren mit extremen Peaks zB in 90,93,99 und 2000. Der über alle DWD Stationen gemittelte Index zeigt einen etwas klareren Trend (Grafik 3).
Mir scheint neben dieser nicht wirklich überraschenden Bestätigung von Aussagen des IPCCs (so führt z.B. Tabelle 3.6 im AR4 global einen grösseren Anteil von Starkniederschlägen am Gesamtjahresniederschlag an:
Prec % contribution of very wet days (above the 95th percentile) to the annual
precipitation total. Trend % per Dekade:
(1951-2003) 0.21 ± 0.10 ; (1951-2003) 0.41 ± 0.38)

eines doch bemerkenswert. Praktisch keines der Niederschlagsereignisse vor 1940 schafft es überhaupt in die Statistik der Jahre 61-90 hereinzukommen. Wahrscheinlichste Ursache ist, dass signifikant kältere Luftmassen einfach nicht die nötigen Wasserdampfmassen halten können. Auch bei dieser kurzen Analyse gilt wie immer: Besseres und genaueres findet sich in der wissenschaftlichen Literatur:

Klein Tank, A.M.G., and G.P. Können, 2003: Trends in indices of daily
temperature and precipitation extremes in Europe, 1946-1999. J. Clim.,
16, 3665-3680.
Haylock, M.R., and C.M. Goodess, 2004: Interannual variability of extreme
European winter rainfall and links with mean large-scale circulation.
Int. J. Climatol., 24, 759-776.
Frei, C., et al., 2006: Future change of precipitation extremes in Europe:
Intercomparison of scenarios from regional climate models. J. Geophys.
Res., 111, D06105, doi:10.1029/2005JD005965

Kommentare

  1. #1 Wolfgang Flamme
    September 3, 2008

    ME ist am Hohenpeissenberg 1937 die Instrumentierung/Erfassung geändert worden, denn plötzlich tauchen bei den Ablesungen regelmäßig Zwischenwerte auf, die vorher nicht beobachtet wurden.

    Das fällt mit dem Zeitpunkt zusammen, als die Station vom Reichswetterdienst und neuen amtlichen Beobachtern geführt wurde. Gegen 1940 wurde zudem ein neues Meßfeld bezogen, ohne daß dabei vergleichende Messungen durchgeführt wurden; in den Kriegsjahren kam es zudem zum Bruch in den Zeitreihen.
    http://de.wikipedia.org/wiki/Meteorologisches_Observatorium_Hohenpei%C3%9Fenberg

    Diese zeitgleichen Änderungen dürften als Erklärung für den plötzlichen Anstieg wohl mehr als ausreichend sein.

  2. #2 Georg Hoffmann
    September 3, 2008

    @Wolfgang
    “Diese zeitgleichen Änderungen dürften als Erklärung für den plötzlichen Anstieg wohl mehr als ausreichend sein. ”
    Nur das es keine Erklaerung ist, sondern eine zeitliche Koinzidenz.
    Ich hatte schon Aehnliches vermutet und danach einen Experten fuer Messtechnik gefragt. Olivier Mestre hat in einem Paper zum frz Messnetz gezeigt, wie gross der Einfluss der Instrumentation ist. Anyhow, alles bleibt ungefaehr gleich, wenn man alles erst ab 1940 betrachtet. Mal schaun ob man eine sinnvolle Homogeisierung hinbekommt.

  3. #3 Wolfgang Flamme
    September 12, 2008

    Na also, dann hat sich ja bestätigt, daß um/bis 1940 Trends und Sprünge durchaus Veränderungen der Instrumentierung zugeschrieben werden können. Bleibt noch zu klären, was sich ab 1940 tat.

    Erstmal eine Frage: Grafiktitel und Ordinatenbeschriftung in Grafik 3 sind nur ein Artefakt, gültig ist der Beschreibungstext, richtig? Na, dann werde ich Deiner Anregung folgen und das mal nachvollziehen.

    Damit wir uns nicht falsch verstehen; ich halte das für eine annehmbare Arbeitshypothese: Mit zunehmendern Temperaturen könnten wir häufiger Gewitter erleben und allein dadurch schon könnte sich die Wahrscheinlichkeit für Extremniederschläge erhöhen. Aber das zu bestätigen und zu quantifizieren ist sicher nicht ganz trivial. Trivial hatte das schon der Latif am Hohenpeißenberg versucht, aber den Trend, den er da festgestellt hat, der geht auf die Werte von vor 1940 zurück.

  4. #4 Wolfgang Flamme
    September 12, 2008

    So, ich habe mir jetzt mal eine Stunde Zeit genommen und kann gleich vorausschicken, daß ich Dein Ergebnis für Deutschland einfach nicht teilen kann.

    Dein Argumentationsstrang war ja (konsensfähig) wie folgt:
    a) es wird wärmer
    b) die absolute Luftfeuchte nimmt mit steigender Temperatur zu, damit steigt auch die potentielle tägliche Regenspende
    c) und die manifestiert sich nun in den Daten

    Ich habe die dieser Argumentation innewohnende, doppelte Logik nun abgekürzt auf die Fragestellung “Regnet es hier in Deutschland besonders intensiv, wenn es überdurchschnittlich warm ist?”

    Diese Frage entspricht von der Grundkonzeption der Arbeit, die unlängst erschienen ist und wo der Zusammenhang zw. tendenziell wärmeren El-Nino-Bedingungen und Niederschlagsintensität untersucht wurde; Du weißt bestimmt, welches ich meine.

    Nur daß mir der DWD in seinen Daten noch dazu sagt, wie warm es am Tag und Ort des (Extrem-)Niederschlages wirklich gerade war – ich muß also nicht die Temperatur des Südatlantik als Proxy für die Temperaturverhältnisse in Deutschland heranziehen, sondern kann genauer verfahren.

    Entsprechend habe ich folgendes gemacht:

    a) Mir alle dieser DWD-Stationen der Reihe nach vorgenommen (bis auf eine einzige, deren Zeitreihe für eine klimatische Analyse zu kurz ist), also 43 Stationen. Deren Daten habe ich hier nämlich schon einlesefertig vorliegen.

    b) Dann über die gesamte Zeitreihe dieser Station für jeden laufenden Tag eines Jahres den Temperaturmittelwert dieses Datums bestimmt.

    c) Alle Niederschlagsereignisse der Reihe herausgefiltert, die das 95% / 99%-Perzentil der Reihe überschritten. Ich habe diese Extrem-Kriterien (statt der Top50-Werte) gewählt, weil sie sich dynamisch der insgesamt verfügbaren Datenmenge anpassen – wenn da tatsächlich was signifikantes zu finden ist, sollte das Ergebnis stabil sein, egal welche dieser Methoden man verwendet.

    d) Für jedes Extremereignis aus dieser Sammlung habe ich tagesgenau die Temperaturanomalie berechnet.

    e) Zuletzt habe ich nach signifikanten Korrelationen ’24h-Extremniederschlag über Temperaturanomalie des jeweiligen Tages’ gesucht.
    Da Wetterlagen ja eine gewisse Persistenz aufweisen, ist die Temperaturanomalie dieses Tages wohl ein brauchbarer Schätzer für ‘tendenziell wärmer/kälter’. Wenn es da signifikante Zusammenhänge gibt, müßte man sie entdecken können.

    Ergebnis war, daß (p-Werte mal beiseite) insgesamt eine Tendenz _abnehmender_ Extremniederschlagsspende mit steigender Anomalie zu beobachten ist. Wirklich signifikante Änderungen konnte ich nur wenige feststellen. Von diesen verläuft der überwiegende Teil ebenfalls fallend mit steigender Temperatur.

    Nun, ich will mich angesichts der schwachen Datenlage nicht soweit aus dem Fenster lehnen zu behaupten, die Niederschläge hier hätten sich im Zuge positiver Temperaturanomalien verringert. Aber nach der Datenlage erscheint mir dies wahrscheinlicher als das Gegenteil.

    Der Hohenpeissenberg ist da übrigens nicht die Ausnahme, obwohl ich auch die sonderbaren Daten vor 1940 mitverwurstet habe. Auch da (und auch bei der Zugspitze) sieht’s so aus, als habe es eher intensiver geregnet, wenn es tendenziell kühler war.
    Eigentlich gibt’s nur eine einzige Station von den 43 (Würzburg), die einen signifikanten und positiven Zusammenhang zwischen Extremniederschlagsintensität und Temperaturanomalie erkennen läßt, die 42 anderen sind entweder indifferent (überwiegend fallende Tendenz) oder verzeichnen signifikant gerade das Gegenteil.

    PS:
    Wenn Du Datenfile oder Code (R-Project) wünschst, dann hoste ich sie Dir. Mir wär’s aber ehrlich gesagt erstmal lieber, Du würdest diese Resultate unabhängig nachvollziehen. Es ist immerhin denkbar, daß mir irgendwo doch ein Fehler unterlaufen ist – Shit happens.