Klimavariabilität im Mittelmeerraum : Trend und Variabilität von Zyklonen und Niederschlag in der Levante und ihre Relationen mit Telekonnektionsindizes

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2009

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9579

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Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit leisten einen Beitrag zur Bestandsaufnahme regionaler Niederschlagstrends in der Levante in der Vergangenheit, der Gegenwart und der Zukunft. Dabei werden die wichtigsten Aspekte maßgeblicher Telekonnektionen untersucht, welche die Niederschläge in der Levante beeinflussen können, um die Vorhersage der jahreszeitlichen Niederschläge zu verbessern. Des Weiteren werden Eigenschaften der Zyklonen im Mittelmeerraum analysiert, um deren Relation zum Niederschlag in der Levante, sowie zu Telekonnektionen zu bestimmen. Insgesamt konnten alle angestrebten Ziele erreicht werden. Die Niederschlagsdaten aus monatlichen Gitterfeldern mit 0.5° räumlicher Auflösung, die dem CRU TS 2.1-Datensatz (Climatic Research Unit, Mitchell und Jones 2005) entnommen wurden, wurden mittels Hauptkomponentenanalyse in fünf Regionen unterteilt. Diese Vorgehensweise zur Regionalisierung dient der Einteilung nach unterschiedlichen Regionen der Niederschlagsvariation. Gegenüber dem deutlich manifestierten globalen Trend der Klimaerwärmung (IPCC 2007) variieren die Beobachtungen über die Niederschlagsveränderungen räumlich und zeitlich klar. Im Rahmen der Arbeit konnte ein wichtiger Beitrag zur Bestandsaufnahme regionaler Klimatrends in der Levante geleistet werden. Die Ergebnisse der regionalen Trendanalyse mit Hilfe einer linearen Trendanalyse und dem Mann-Kendall Trend Test machten deutlich, dass die Trendwerte eine starke Abhängigkeit vom jeweils betrachteten Bezugszeitraum aufweisen. Zeitlich lag der Schwerpunkt der Betrachtung auf dem Intervall 1901-2002. Darüber hinaus wurden aber auch Untersuchungen für den Zeitraum 1951-2002 bzw. für 1971-2002 in Subintervallen durchgeführt. Im Zeitraum von 1901-2002 zeigt sich im größten Teil der Levante auf Jahresbasis eine signifikante Niederschlagsabnahme von 10 % bis 15 %. Im Zeitraum von 1951-2002 ist kein deutlicher Trend erkennbar, und man findet nur einen kleinen Bereich mit einem signifikant negativen Trend im Bereich der Grenze zwischen Syrien und dem Libanon sowie Nordsyrien (Raqqa). Die Jahressummen des Niederschlags haben in der Levante im Zeitraum von 1971-2002 um 5-15 % abgenommen, mit Schwerpunkt in der zentralen und östlichen Levante (Trockengebiet). Im Durchschnitt ist im Zeitraum von 1901-2002 im Herbst und Winter ein Rückgang des Niederschlages von 10 % zu verzeichnen, mit einem Maximum im Winter im Libanon und in Südwestsyrien (30 %), während im Frühling eine nicht signifikante Zunahme um 10 % eingetreten ist. Für die Levante zeigt die Zeitreihe der Gebietsmittel des jahrzeitlichen Niederschlags (1951-2002) allerdings nur einen leichten, statistisch nicht signifikanten Anstieg oder Rückgang, wobei im Winter und Frühling eine schwache Abnahme und im Herbst eine Zunahme zu verzeichnen waren. Im größten Teil der Levante lässt sich für den Zeitraum 1971-2002 ein positiver Trend der herbstlichen Niederschläge verzeichnen, mit Ausnahme des südwestlichen Syriens und nördlichen Jordaniens, während im Frühling ein Rückgang um 20 % eingetreten ist. Im Winter zeigt sich im nördlichen Syrien und nördlichen Jordanien ebenso eine Niederschlagszunahme mit geringerer Stärke gegenüber dem übrigen Untersuchungsgebiet mit einer Abnahme um 20 %. Für die Analyse des Extremniederschlags wurden SPI- (Standardized Precipitation Index) Klassen verwendet. Mehrheitlich treten signifikant negative Trends des 12-monatigen SPI innerhalb des Zeitraums 1901-2002 auf (Abnahme des SPI bis maximal 0.8) und sind besonders deutlich in der zentralen und westlichen Levante mit ausgeprägt negativen Trends der jährlichen Niederschlagssummen erkennbar. Der 12-monatige SPI ist zur Erfassung von hydrologisch bedeutsamen Dürreereignissen geeignet. Der Extremwert wird für zeitliche Instabilitäten der Klimatrends verwendet, insbesondere wenn relativ kurze (z. B. 1971-2002) Zeitabschnitte betrachtet werden. In der Levante ist für den Zeitraum von 1901-2002 eine signifikante Zunahme des Trends der Häufigkeit und Dauer der monatlichen Feuchtigkeitsklassen (SPI>1) und der Trockenheitsklassen (SPI< -1) am auffälligsten, insbesondere in der extrem trockenen Klasse. Um Klimaszenarien entwerfen zu können, wurden drei moderne Klimamodelle (HadCM3, CSRIO2 und PCM) mit den drei aus den Emissionsszenarien (B1, B2 und A2) resultierenden, atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationsentwicklungen benutzt. Die Szenarien sind als TYN SC 2.0 bekannt und öffentlich zugänglich. Die Auswertung des Niederschlags erfolgt im Vergleich für die Zeiträume 1961-1990 (Kontrolllauf) und 2071-2100. Für den größten Teil der Levante wird eine Abnahme des jährlichen Niederschlags erwartet; eine generelle Abnahme wird für den Winter- und Frühjahrsniederschlag in der südlichen, östlichen und zentralen Levante projiziert, was die hier schon bestehende Wasserproblematik verschärfen wird. Die Häufigkeit von Dürren wird unter diesen Bedingungen vor allem in der Zentral- und Ostlevante (Trockengebiete) zunehmen. Im Herbst ist ebenfalls mit einer Abnahme des Niederschlags, mit Ausnahme in der Südlevante am Roten Meer, zu rechnen, wobei sich der konvektive Niederschlag unter Klimaerwärmung verstärkt. Der Niederschlag in der Levante unterliegt einer starken interannuellen Variabilität, welche von großer Relevanz für die landwirtschaftliche Planung ist. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Vorhersagbarkeit interannueller Niederschläge (des 3-monatigen Standardized Precipitation Indexes (SPI-3)) während der Regenzeit (Herbst, Winter und Frühling) in der Levante. Zunächst wurden Korrelationsanalysen zwischen atmosphärischen und ozeanischen Telekonnektionsmustern und dem Niederschlag (SPI-3, SON, DJF, MAM) mit zeitlicher Verschiebung durchgeführt. Diese wurden sowohl für 3-monatige Mittelwerte als auch auf der Basis einzelner Monate betrachtet, um die beste Methodik für eine Vorhersage des jahrzeitlichen Niederschlags zu bestimmen. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Telekonnektionen auf der Basis einzelner Monate Niederschlagsvarianzen besser erklären. Anschließend wurde ein schrittweise multiples Regressionsmodell verwendet, welches die statistischen Prädiktoren sinnvoll selektiert. Dieses statistische Modell bildete den Ansatz für die Vorhersage der nächsten Jahreszeiten. Für eine ausführliche Verifikation aller Vorhersagen wurden die Angaben der SPI-Klassen zwischen Modell und Beobachtungsdaten verglichen. Die Anwendung der schrittweise multiplen Regression auf simulierte SPI-3 Daten (DJF) zeigt, dass die Nordatlantische Oszillation (NAO), der Sibirische Hochdruck (SH) und der Eastern Mediterranean Pattern (EMP) in den Herbstmonaten (SON) die wichtigsten relevanten Prädiktoren darstellen. Das Modell erklärt 52 %-65 % der interannuellen Gesamtvariabilität von SPI-3 (DJF). Niederschläge sind im Herbst von großer Bedeutung, weil dann die Jahreszeit beginnt, in der die Levante grundsätzlich von der Regen-Landwirtschaft abhängig ist. Mit dem Modell können zwischen 50 und 67 % der Niederschlagsvarianz in den Levanteregionen erklärt werden. Die Südlichen Oszillation (SO), die quasi-biennial oscillation (QBO) und die Meeresoberflächentemperatur in den Sommermonaten (JJA) im Mittelmeer, dem Roten Meer und dem Arabischen Golf stellen die wichtigsten relevanten Einflussgrößen dar. Im Frühling kann das Modell nur bis zu 30 % der Varianzen erklären, da konvektive Niederschläge vor allem im Frühling auftreten. Den größten Teil des Niederschlags in der Levante verursachen die Zyklonen, die innerhalb von 4 bis 8 Monaten (vom September bis Mai) direkt aus dem Westen (Mittelmeerraum) in die Levante kommen (Shahada 1996). Es interessieren vor allem die Rolle der Zyklonen, die meistens vom Mittelmeer, dem Roten Meer und der Sahara in die Levante ziehen, sowie der damit verbundene Niederschlag in der Levante und die Telekonnektionindizes. In dieser Arbeit wird die Zyklonenstatistik im Mittelmeerraum (1957-2001) mit 6-stündlichen 1000 hPa Geopotentialhöhe-Daten nach der Methodik von Blender (1997) und den Analysen des EZMW (Europäisches Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage) untersucht. Zyklonen, die in der Levante auftreten, ziehen bevorzugt von Zypern kommend in östlicher Richtung vorbei. In einer zweiten Häufigkeitskategorie treten Zyklonen auf, die von Genua, dem Adriatischen und Ägäischen Meer aus in südöstlicher Richtung in die Levante ziehen. Die Zyklonen, die aus dem Südwesten (Sudan, Rotes Meer) kommen, sind in der Levante die dritthäufigsten Wettersysteme im Herbst und Frühling, die aus dem Südosten (Südarabien und aus dem arabischen Golf) kommenden, die vierthäufigsten. Für die Levante findet man kaum noch Einfluss von atlantischen Zyklonen. Diese Zyklonen haben einen typischen Kerndruck zwischen 1005 und 1015 hPa. Im Herbst und Winter zeigt sich über Genua, Süditalien, dem Adriatischen und Ägäischen Meer ein breites Maximum der Zyklonenaktivität. Dagegen konzentriert sich das Auftreten von Tiefdruckgebieten im Frühling vornehmlich auf Zypern, die Sahara, das Rote Meer und die Levante, die überwiegend von schwach ausgeprägten Zyklonen erreicht wird. Bei der Berücksichtigung aller Zyklonen im Herbst, Winter und Frühling mit einer Lebensdauer von einem Tag (= 4 Terminen) erhält man ca. 21 % aller Mittelmeerzyklonen, aufsummiert bis zu zwei Tagen Lebensdauer ergeben sich 70 %. Zwischen 1958 und 2001 findet man einen ansteigenden Trend der Tiefdruckhäufigkeit im östlichen Mittelmeerraum und einen abnehmenden Trend im Zentral- und Westmittelmeerraum unter der Klimaerwärmung. Die starken Zyklonen zeigen im Winter überwiegend abnehmende Trends zwischen 61 und 97 %, insbesondere in östlichen Mittelmeerraum. Im Gegensatz dazu nimmt die Anzahl der schwachen Zyklonen im ganzen Mittelmeerraum ab. Die Zyklonen spielen vor allem beim Winterniederschlag in der Levante eine Rolle.Bei der Analyse der Korrelation zwischen Zyklonen und Niederschlag in der Levante konnte festgestellt werden, dass die Zyklogenese im Tyrrhenischen Meer, über Italien, dem Adriatischen Meer bis zum Ägäischen Meer einen signifikant positiven Zusammenhang (r kleinergleich 0.65) zeigt. Des Weiteren lässt sich eine signifikant positive Korrelation zwischen der Zyklonenhäufigkeit und Niederschlag über dem südlichen Ägäischen Levante-Meer (Zypern) für den Winter feststellen. Bei der Untersuchung von Zusammenhängen zwischen den großräumigen Strömungsmustern (NAO, Azorenhoch (AH), SHI, Ostatlantische Oszillation (EA) und Ost-Atlantik/West-Russland (EAWR)) einerseits und den lokalen Bedingungen der Zyklonenaktivität andererseits, treten vier Hauptmerkmale auf. Ein signifikanter positiver Zusammenhang zwischen der (NAO) bzw. dem Azorenhoch (AH) und Zyklonen über dem östlichen Mittelmeerraum zeigt sich für den Winter. Die NAO bzw. AH und die Zyklonenaktivität von Genua bis zum schwarzen Meer sind dagegen negativ korreliert, auch wenn sich nur bei Korrelationen im Winter Signifikanz darstellt. Bei einem negativen NAO-Index sind die Zugbahnen ostwärts orientiert und die Lebensdauer der Zyklonen ist länger als in einer positiven Phase, wobei viele Zyklonen bei positiver Phase stationär sind. Der SH zeigt ebenfalls eine negative Korrelation zur Zyklonenhäufigkeit in der Levante. Die Ostatlantische Oszillation (EA) haben keinen großen Einfluss auf Zyklonen im Mittelmeerraum.

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