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Klimaindizes

Parameter für Klimaindizes:

  1. Lufttemperatur
  2. Niederschlag
  3. Luftdruck
  4. Meeresoberflächentemperatur

Einleitung

Ein Klimaindex ist hier zu verstehen als eine berechnete Größe, die dazu verwendet werden kann, den Zustand und die Veränderung des Klimasystems zu beschreiben. Das Klima an einem Ort beschreibt den mittleren Zustand der Atmosphäre über einen längeren Zeitraum von zum Beispiel Monaten oder Jahren. Änderungen am Klima gehen viel langsamer vor sich als beim Wetter, das sich täglich stark ändern kann.

Die ersten klassischen Klimaindizes der Atmosphäre wurden schon vor etwa hundert Jahren definiert, zum Beispiel die Nordatlantische Oszillation (NAO), das erste indentifizierte Telekonnektionsmuster. Der NAO-Index und das zugehörige typische atmosphärische Muster kann aus Messstationsdaten bestimmt werden oder mit EOF-Analysen berechnet werden.

Hier soll der Begriff Klimaindex aber noch weiter gefasst werden, so werden auch Indizes hinzu genommen, die sich zur Analyse der Variation eines Parameters bis hin zu Extremwerten, eignen.

Klimaelemente und Klimaindizes

Jeder Klimaindex bezieht sich auf bestimmte Parameter und beschreibt nur einzelne Aspekte des Klimas, daher gibt es eine Vielzahl von Klimaindizes, die in zahlreichen Veröffentlichungen definiert und untersucht wurden. Für jeden Klimaindex gibt es eine Definitionsgleichung in der die sogenannten Klimaelemente verwendet werden. Das sind messbare Parameter, die die Eigenschaften des Klimasystems hauptsächlich beeinflussen, zum Beispiel atmosphärische Parameter wie Luftdruck, Lufttemperatur, Niederschlag oder Sonneneinstrahlung, aber auch nicht-atmosphärische Parameter wie die Meeresoberflächentemperatur oder der Eisbedeckungsgrad.

Für jeden dieser Klimaparameter können die Mittel- und Extremwerte, lineare Trends und Standardabweichungen der langjährigen Zeitreihen berechnet werden. Da diese Werte bereits eine Aussage über die Entwicklung des Klimas ermöglichen, ist dies eine einfache Form eines Klimaindex. Für viele Klimaparameter wurden aber speziellere Klimaindizes definiert, von denen einige im Folgenden beschrieben werden.

Zur Berechnung der hier vorgestellten Klimaindizes für Lufttemperatur und Niederschlag werden lange Zeitreihen von Stationsdaten benötigt. Die Ergebnisse beziehen sich dann auf diese Station, sind aber auch auf das Umfeld übertragbar. Wie weit dieses Umfeld reicht, ist abhängig davon, wie homogen die Umgebung beschaffen ist. Einige Resultate, etwa die Minimumtemperatur oder einzelne Regenereignisse, sind bereits auf kleinem Raum stark variabel und lassen sich nicht einfach auf größere Gebiete übertragen.

Ganz anderes berechnen sich zum Beispiel die Klimaindizes, die den Luftdruck nutzen. Da hier insbesondere der Druckgradient von Interesse ist, reichen punktuelle Messungen einer Station zur Berechnung nicht aus. Statt dessen werden Daten von mindestens zwei optimal positionierten Stationen benötigt, besser aber eignen sich großflächige Datenfelder des Drucks aus denen dann Atmosphärische Muster und Zeitreihen des Indizes bestimmt werden. Ähnliches gilt für die Meeresoberflächentemperatur.

Klimanormalperiode

Die sogenannte Klimanormalperiode wird zur Berechnung einiger Klimaindizes herangezogen. Hierbei handelt es sich um einen Vergleichszeitraum, der nach der Empfehlung der WMO (World Meteorological Organization) 30 Jahre betragen sollte. Aktueller Standardzeitraum zur Berechnung der Klimanormalperiode ist der 30-jährigen Bezugszeitraum 1961 bis 1990. Für diesen Zeitraum werden dann Mittelwerte der Klimaparameter berechnet und zur Normierung in anderen Rechnungen verwendet. Für Vergleiche zwischen mehreren Klimaindizes ist es wichtig, dass sich alle Berechnungen auf die gleiche Klimanormalperiode beziehen.

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Klimaindizes der Lufttemperatur

Die Lufttemperatur ist eine atmosphärische Größe, die typischer Weise in 2 m Höhe über dem Boden gemessen wird. Sie wird seit Beginn der Wetteraufzeichnungen in regelmäßigen täglichen Messungen bestimmt, daher liegen an vielen Stationen lange Zeitreihen der Temperatur vor. Neben der aktuellen Temperatur zum Messzeitpunkt, werden auch die täglichen Minimum- und Maximumtemperaturen bestimmt, die ebenfalls für die Berechnungen der Indizes benötigt werden.

  1. Anzahl der Frost- und der Eistage
  2. Anzahl der Sommertage und der Tropennächte
  3. Extremwerte in einem bestimmten Zeitraum
  4. Überschreitung bestimmter Schwellenwerte (Perzentile)
  5. Täglicher Temperaturbereich
  6. Heizgradtage
  7. Dauer von Warm- und Kälteperioden
  8. Länge der Vegetationsperiode

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Klimaindizes des Niederschlags

Ähnlich wie die Lufttemperatur ist auch der Niederschlag eine Größe, die schon seit Beginn der Wetteraufzeichnungen gemessen wird. Allerdings wurde hier zunächst mit Regenmessern nur die Niederschlagsmenge bestimmt. Erst später ermöglichte die Weiterentwicklung der Messgeräte auch eine Aufzeichnung der Niederschlagsdauer. Informationen über die Art des Niederschlags (zum Beispiel Regen, Schnee, Hagel) wurden früher vom Beobachter gesammelt und werden erst in neuerer Zeit auch automatisch bestimmt. Die folgenden Klimaindizes beziehen sich alle auf die Niederschlagsmenge:

  1. Maximum 1- und 5-tägigen Niederschlags pro Jahr
  2. Einfacher Niederschlagsintensitätsindex
  3. Jährliche Anzahl von Tagen, die einen bestimmten Niederschlagswert überschreiten
  4. Maximale Länge einer Trockenperiode
  5. Maximale Länge einer Niederschlagsperiode
  6. Jährlicher Gesamtniederschlag überschreitet einen Schwellenwert (Perzentil)
  7. Jährlicher Gesamtniederschlag an Regentagen

Die Abweichung der Niederschlagssumme vom Mittelwert an einem bestimmten Ort in einem bestimmten Zeitraum hat großen Einfluss, da zu wenig Niederschlag Dürre bedeutet, während zu viel Niederschlag mit Überschwemmungen einhergehen kann. Der standardisierte Niederschlagsindex (Standard Precipitation Index, SPI) eignet sich gut zur Untersuchung dieser Abweichungen im Niederschlag:

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Klimaindizes des Luftdrucks

Die hier zusammengestellten Klimaindizes für den Luftdruck werden aus großräumigen Luftdruckfeldern bzw. dem Geopotenzial berechnet. Man bezeichnet sie auch als Telekonnektionsmuster des Luftdrucks. Der Begriff "Telekonnektion" wurde deshalb eingeführt, weil Luftdruckanomalien an verschiedenen Orten innerhalb des betrachteten Gebiets durch diese Methode mit einander in Verbindung gebracht werden können. Die genaue Art dieser Zusammenhänge werden mit den Indizes untersucht. Die wichtigsten sind:

  • Arktische Oszillation (Arctic Oscillation, AO)
  • Antarktische Oszillation (AntArctic Oscillation, AAO)
  • Nordatlantische Oszillation (NorthAtlantic Oscillation, NAO)
  • Pazifik-Nordamerika-Muster (Pacific-NorthAmerica Pattern, PNA)
  • Südliche Oszillation (Southern Oscillation, SO)

Auch das sogenannte "Blocking" wird vom Luftdruck gesteuert und hat einen erheblichen Einfluss auf das Wetter, der bei stabilen Lagen mehrere Wochen andauern kann. Die Berechnung eines Blocking-Index basiert auf dem Druckgradienten zwischen hohen und mittleren Breiten.

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Klimaindizes der Meeresoberflächentemperatur

  • El Niño / La Niña
  • Atlantik Multidekaden-Oszillation (Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)
  • Pazifische Dekaden Oszillation (Pacific Decadal Oscillation, PDO)
  • Trends der Meeresoberflächentemperatur

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