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Niederschlags- und Temperaturabschätzungen für den Mittelmeerraum unter anthropogen verstärktem Treibhauseffekt (bereits abgeschlossen)


Projektstart: 01.03.2001
Projektende: 31.05.2004
Projektträger: Bay. Staatsmin. f. Wissenschaft, Forschung u. Kunst
Projektverantwortung vor Ort: Dr. Elke Hertig Prof. Dr. Jucundus Jacobeit

Zusammenfassung

Unter Einbezug von modellsimulierten großskaligen Geopotential-, Feuchte- und Meeresoberflächentemperaturfeldern für Szenarien eines anthropogen verstärkten Treibhauseffekts wird der Niederschlag bzw. die Temperatur im Mittelmeerraum für das 21. Jahrhundert mit der Methode des statistischen Downscalings abgeschätzt.
Die als Gitterfelder mit 0.5° räumlicher Auflösung vorliegenden Niederschlags- und Temperaturdaten des CRU- (Climatic Research Unit in Norwich, NEW et al. 1999, 2000) Datensatzes werden jeweils mittels s-modaler Hauptkomponentenanalyse in Regionen unterteilt. Die resultierenden Zeitreihen der regionalen Variationszentren offenbaren dabei unterschiedliche Niederschlags- und Temperaturverhältnisse in den verschiedenen mediterranen Teilregionen im Untersuchungszeitraum 1948-1998.
Als großskalige Einflussgrößen dienen Reanalysedaten des NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research, KALNAY et al. 1996, KISTLER et al. 2001) der geopotentiellen Höhen der 1000hPa- und 500hPa- Niveaus im Untersuchungsausschnitt 20°N-70°N, 70°W-70°O und der spezifischen Feuchte im 1000hPa- Niveau im Ausschnitt 25°N-65°N, 30°W-45°O, beide in 2,5°x2,5° räumlicher Auflösung. Als ozeanische Einflussgrößen werden die Meeresoberflächentemperaturdaten des Nordatlantiks von SMITH et al. (1996) mit der Begrenzung 20°N bis 60°N und die Meeresoberflächentemperaturen des Mittelmeers aus dem GISST- Datensatz (Global Sea Ice and Sea Surface Temperatures, RAYNER et al. 1996) verwendet. Zur Dimensionsreduktion und zur Beseitigung linearer Abhängigkeiten gehen die verschiedenen Prädiktorfelder ebenfalls, jeweils getrennt, in s-modale Hauptkomponentenanalysen ein.
Anschließend wird der Verlauf des Niederschlags bzw. der Temperatur der regionalen Variationszentren in den Monaten Oktober bis Mai 1948-1998 mit der großräumigen atmosphärischen und ozeanischen Variabilität im gleichen Zeitraum verknüpft. Dies geschieht in mehreren Kalibrierungsabschnitten unter Verwendung von Kanonischen Korrelationsanalysen und multiplen Regressionsanalysen. Die erstellten statistischen Zusammenhänge werden dann in von der Kalibrierung unabhängigen Verifikationszeiträumen überprüft. Die Überprüfung geschieht dabei durch eine Korrelation der statistisch modellierten Niederschläge/ Temperaturen mit den beobachtungsgestützten CRU- Niederschlags- bzw. Temperaturwerten. Die erzielten Modellgüten in den Verifikationsperioden werden herangezogen, um die besten statistischen Modelle für die Zukunftsabschätzungen auszuwählen. Dabei zeigt sich, dass für den mediterranen Niederschlag die besten Modellgüten im Allgemeinen mit der Prädiktorenkombination 1000hPa-/500hPa- Geopotential und spezifische Feuchte erzielt werden können. Die Temperatur im Mittelmeerraum lässt hingegen den stärksten Zusammenhang mit Werten der 1000hPa-/500hPa- geopotentiellen Höhen erkennen. Insgesamt sind die Geopotentialanomalien als die bestimmenden Faktoren für die Ausgestaltung der mediterranen Klimaverhältnisse anzusehen, wohingegen die Meeresoberflächentemperaturen nur vereinzelt einen erkennbaren eigenständigen Einfluss auf die Schwankungen von Niederschlag bzw. Temperatur im Mittelmeerraum zeigen.
Durch Einsetzen von modellsimulierten Werten der Prädiktoren in die Regressions- bzw. Kanonischen Korrelationsgleichungen wird schließlich die Reaktion der regionalen Klimavariablen Niederschlag bzw. Temperatur auf Veränderungen der großskaligen Zirkulations-, Feuchte- und Meeresoberflächentemperaturanomalien unter Bedingungen eines anthropogen verstärkten Treibhauseffektes abgeschätzt. Je nach verwendeter Methode und einbezogener Prädiktorenkombination zeigen sich teils erhebliche Unterschiede in den Abschätzungsergebnissen. So wird zum Beispiel bei den bedingten Abschätzungen für das 21. Jahrhundert der zukünftige Niederschlagsverlauf zum Teil erheblich abgewandelt, wenn modellsimulierte Feuchtewerte zusätzlich zu den Geopotentialinformationen einbezogen werden. Dies weist darauf hin, dass die Hinzunahme nicht-druckspezifischer Einflussgrößen zwar meist nur zu einer geringen Erhöhung der statistischen Modellgüte im Beobachtungszeitraum führt, bei der Beschreibung des Klimawandels jedoch von maßgeblicher Bedeutung werden kann. In Bezug auf die eingesetzten statistischen Methoden zeigt sich, dass bei Einbezug mehrerer verschiedener Prädiktorenarten in die Abschätzungen sich vor allem die Kanonische Korrelation als geeignetes Verfahren erweist.
Für die bedingten Abschätzungen des regionalen Klimas im Mittelmeerraum im 21. Jahrhundert werden Prädiktoren-Modellergebnisse zweier verschiedener IPCC- (Intergovernmental Panel on Climate Change) Emissionsszenarien herangezogen. Zum einen werden modellsimulierte Werte nach IS92a- Szenario ("business as usual" Szenario, IPCC Scenarios 1992, HOUGHTON et al. 1992) herangezogen, zum anderen solche nach jüngstem SRESB2-Szenario (SRES= Special Report on Emissions Scenarios, NAKICENOVIC und SWART 2000, B2-Szenario: mittlere Ebene der ökonomischen Entwicklung, kontinuierliche globale Bevölkerungszunahme). Aus beiden verwendeten Szenarienrechnungen gehen im Allgemeinen gleichförmige Tendenzen bei der Entwicklung der Niederschlagssummen im Mittelmeerraum unter anthropogener Verstärkung des Treibhauseffektes im 21. Jahr-hundert hervor. Die Zeitreihenverläufe im Einzelnen sind jedoch sehr unterschiedlich ausgestaltet.
Unter Verwendung von Prädiktorenwerten des Hamburger Klimamodells ECHAM4 nach SRESB2- Szenario (großskalige Einflussgrößen: 1000hPa-/500hPa- geo-potentielle Höhen und 1000hPa- spezifische Feuchte) ergibt sich für den westlichen und nördlichen Mittelmeerraum bei einer anthropogenen Verstärkung des Treibhauseffektes eine Verkürzung mit gleichzeitiger Intensitätszunahme der "feuchten" Jahreszeit. Dies äußert sich darin, dass im Winter in diesen Regionen Niederschlagszunahmen im Zeitraum 2071-2100 im Vergleich zu 1990-2019 abgeschätzt werden, während im Herbst und Frühjahr Niederschlagsrückgänge überwiegen. In den östlichen und südlichen Teilen des Mittelmeerraumes zeigen sich hingegen für die Monate Oktober bis Mai fast ausschließlich negative Niederschlagstendenzen unter Bedingungen eines anthropogen verstärkten Treibhauseffektes.
Zirkulationsdynamisch können die in den Übergangsjahreszeiten abgeschätzten Niederschlagsabnahmen meist mit einem verstärkt antizyklonalen Charakter im Untersuchungsraum in Zusammenhang gebracht werden. Im Hochwinter, vor allem in den Monaten Dezember und Januar zeigt sich hingegen ein Bedeutungsgewinn zyklonaler Muster. Vor allem ein Tiefdruckgebiet im Bereich des Golfs von Genua ist hier zu nennen. In diesem Zusammenhang können sich zudem erhöhte atmosphärische Feuchtegehalte zusätzlich positiv auf die Niederschlagssummen auswirken.
Für die Temperatur wird unter Verwendung von Modellwerten der großskaligen Einflussgrößen 1000hPa-/500hPa- geopotentielle Höhen unter SRESB2- Szenariobedingungen ein Temperaturanstieg im gesamten Mittelmeerraum für alle untersuchten Monate (Oktober bis Mai) im Zeitraum 2071 bis 2100 im Vergleich zum Abschnitt 1990-2019 abgeschätzt. Die Erhöhung ist im Herbst und zu Beginn des Frühjahrs insgesamt am stärksten ausgeprägt. Während in den Übergangsjahreszeiten ein räumlich relativ homogener Temperaturanstieg auftritt, liegt im Winter der räumliche Schwerpunkt der Erwärmung in den nordöstlichen Mediterrangebieten. Die verhältnismäßig starke Erwärmung der nordöstlichen Regionen im Winter kann dabei auf ein vermehrtes Auftreten von Strömungen aus südwestlichen Richtungen zurückgeführt werden. Unter Bedingungen eines anthropogen verstärkten Treibhauseffektes muss also mit einer beträchtlichen Änderung der Niederschlags- und Temperaturverhältnisse im Mittelmeerraum bis gegen Ende des 21. Jahrhunderts gerechnet werden.


Abstract
Mediterranean precipitation and temperature are assessed for the 21st century under enhanced greenhouse warming conditions by means of statistical downscaling from simulated large- scale predictor fields of 1000hPa-/500hPa- geopotential heights, 1000hPa- specific humidity and sea surface temperatures of the North Atlantic and the Mediterranean.
Based on highly resolved gridded data covering the Mediterranean area homogeneously (CRU05 dataset, Climatic Research Unit in Norwich , NEW et al. 1999, 2000), precipitation and temperature regions are derived by s-mode principal component analyses (PCA). Resulting time series of the regional centres of variation reveal different precipitation and temperature conditions in the various Mediterranean regions for the period 1948-1998.
As large- scale predictors 1000hPa-/500hPa- geopotential heights for the area 20°N-70°N and 70°W-70°E, as well as 1000hPa- specific humidity grids for the area 25°N-65°N, 30°W-45°E are selected from the NCEP/NCAR- reanalysis project (National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research, KALNAY et al. 1996, KISTLER et al. 2001). Sea surface temperatures of the North Atlantic for the region 20°N-60°N from SMITH et al (1996) and of the Mediterranean from the GISST- dataset (Global Sea- Ice and Sea Surface Temperatures, RAYNER et al. 1996) operate as oceanic predictors. S-mode PCA is also applied to the different predictor fields to remove linear dependencies between variables and to reduce the dimensions of the data.
In a next step precipitation/temperature time series of the regional centres of variation for October to May 1948-1998 are linked to the large-scale atmospheric and oceanic circulation in the same period. Canonical correlation analysis and multiple regression analysis are used to establish predictor- predictand- relationships in different calibration periods. Independant periods of time are used to verify the quality of the statistical models. The verification procedure comprises a correlation of statistically derived temperature/precipitation data with the observation-based temperature/precipitation values from the CRU- dataset. The different quality of the models in the verification periods is used to select the best-performing models for the assessment of future precipitation and temperature. Thereby it is revealed that for Mediterranean precipitation the best performance is achieved with the predictor combination 1000hPa-/500hPa- geopotential heights and specific humidity, whereas Mediterranean temperature shows the strongest connection to the 1000hPa-/ 500hPa- geopotential heights. Altogether geopotential height anomalies have to be regarded as determining factors for the climatic conditions in the Mediterranean area. In contrast to that, sea surface temperatures only sporadically exhibit a noticeable self-contained influence on Mediterranean precipitation/temperature variability.
The established statistical relationships are subsequently used to predict the response of future precipitation and temperature in the Mediterranean region from climate model changes of the large- scale circulation, humidity, and sea surface temperature anomalies. Considerable differences appear, depending on statistical methods and types of predictors used. Thus the additional inclusion of model-simulated specific humidity values into the predictor fields can result in a substantially modified progression of future precipitation amounts. This points to the fact that the inclusion of non-pressure predictors may cause only small changes in model quality during the observation period, but can gain significance in describing future climate change. Concerning the statistical methods used in this study, canonical correlation analysis can be regarded as an adequate technique when using different types of predictors.
Model results based on two different IPCC- (Intergovernmental Panel on Climate Change) emission scenarios are used for the conditional assessment of Mediterranean climate changes in the 21st century. On the one hand model-simulated values according to the IS92a- scenario (IPCC Scenarios 1992, HOUGHTON et al. 1992) are used, on the other hand latest SRESB2- scenario values (SRES: Special Report on Emissions Scenarios, NAKICENOVIC and SWART 2000). Both scenario computations yield uniform tendencies of future precipitation amounts in the Mediterranean under increased greenhouse warming conditions. However, the course of the time series varies considerably in detail.
Using ECHAM4- model data according to the SRESB2- scenario (large-scale predictors: 1000hPa-/500hPa- geopotential heights and 1000hPa- specific humidity), a shortening and at the same time an intensity increase of the wet season arises for the western and northern Mediterranean regions. Thus the models predict precipitation increases in winter for the period 2071-2100 compared to 1990-2019, whereas precipitation decreases dominate in fall and spring. The eastern and southern parts of the Mediterranean exhibit mainly negative precipitation tendencies from October to May under enhanced greenhouse warming conditions.
Circulation dynamics point to enhanced anticyclonic conditions over the study area as a reason for precipitation decreases in the transitional seasons. In contrast to that, cyclonic patterns show an increase of significance in winter, particularly in December and January. In this context a low-pressure system around the Gulf of Genoa has to be mentioned. Enhanced atmospheric humidity can be regarded as an additional factor for higher rainfall amounts.
Mediterranean temperature shows an increase for the whole Mediterranean area in all analysed months from October to May for the period 2071-2100 compared to 1990-2019 under SRESB2- scenario conditions. Overall the temperature rise is most pronounced during fall and at the beginning of spring. In the transitional seasons increases exhibit a relatively uniform spatial distribution, whereas in winter the temperature rise centers in the northeastern Mediterranean area. The comparatively strong warming of the northeastern regions in winter can be attributed to an increased occurrence of westerly to southwesterly flow.
Consequently a substantial change of precipitation and temperature conditions in the 21st century has to be anticipated for the Mediterranean area under enhanced greenhouse warming conditions.


Hertig E. 2004. Niederschlags- und Temperaturabschätzungen für den Mittelmeerraum unter anthropogen verstärktem Treibhauseffekt. PhD thesis published online at http://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/opus/volltexte/2004/874/