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

Abstract

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. The results of the present dissertation make a contribution to the evaluation of the regional precipitation trends in the Levant in the past, present and future. Here the most important aspects of significant teleconnections, which can influence precipitation in the Levant, are analyzed in order to improve the forecasting of seasonal precipitation. In addition, characteristics of cyclones in the Mediterranean region are analyzed, in order to determine their relationship to precipitation in the Levant as well as to teleconnections. Overall, all aspired goals could be reached. The precipitation data from monthly grid fields with 0.5° spatial resolution, which were taken from the CRU TS 2.1-data set (Climatic Research Unit, Mitchell and Jones 2005), were divided into five regions using principle component analysis. This approach to regionalization serves to classify regions according to different precipitation variations. Compared with the clearly demonstrated trend of global warming (IPCC 2007), the observations of the changes in precipitation distinctly vary spatially and temporally. Under the framework of this dissertation an important contribution to the evaluation of the regional climatic trends in the Levant could be made. The results of the regional trend analysis including a linear trend analysis and the Mann-Kendall trend test clearly illustrate that the trend values demonstrate a strong dependence on the reference period being considered. The main time period under consideration was 1901-2002. Furthermore, investigations of the time periods 1951-2002 and 1971-2002 were carried out in subintervals. In the time period 1901-2002, a significant reduction in precipitation of 10% to 15% on an annual basis appears in the most part of the Levant. During the time period of 1951-2002, no clear trend is identifiable and only a small area with a significant negative trend in the region on the border between Syria and Lebanon as well as in the north of Syria can be found (Raqqa). The yearly sums of precipitation in the Levant in the time period of 1971-2002 have decreased by 5-15%, with a focus in the central and east Levant (arid region). On average, a decline in precipitation in autumn and winter of 10% is observed during the time period of 1901-2002, with a maximum in winter in Lebanon and in south-west Syria (30%), whereas in spring a non-significant increase of 10% occurs. For the Levant a time series of the seasonal precipitation in the central zone (1951-2002) shows, however, only a weak, non-significant increase or decrease, in which a slight decrease in winter and spring and a slight increase in autumn are observed. In the most part of the Levant in the time period 1971-2002 a positive trend in the autumnal precipitation can be seen, with the exception of the south-west of Syria and the north of Jordan, whereas in spring a decrease of 20% appears. In winter in northern Syria and northern Jordan a weak increase in precipitation can be seen as well compared to the rest of the area under investigation with a decline of 20%. For the analysis of extreme precipitation, SPI- (Standardized Precipitation Index) Classes were used. The majority of the trends of the 12-month SPI during the time period 1901-2002 were significant and negative (decrease of the SPI up to 0.8 maximum) and are especially distinct in the central and western Levant with observably pronounced negative trends in the annual precipitation sums. The 12-month SPI is suitable for the ascertainment of hydrologically significant drought events. The extreme value is used for periodic instabilities of the climatic trends, particularly when relatively short (e.g., 1971-2002) time segments are examined. In the Levant for the time period of 1901-2002 a significant increase in the trend of frequency and length of the monthly humidity classes (SPI>1) and the aridity classes (SPI<-1) is the most noticeable, especially in the extreme arid class. In order to be able to design climate scenarios, three modern climate models (HadCM3, CSRIO2 and PCM) were used with the three atmospheric greenhouse gas concentration developments, resulting from the emissions scenarios (B1, B2 and A2). The scenarios are known as TYN SC 2.0 and are available to the public. The evaluation of precipitation is carried out in the comparison for the time periods 1961-1990 (control run) and 2071-2100. For the most of the Levant a decrease in annual precipitation can be expected; a general decline for the winter and spring precipitation in the southern, eastern and central Levant is projected, which exacerbates the already existing water crisis in these areas. Under these conditions the frequency of drought will increase primarily in the central and eastern Levant (arid regions). In autumn a decline in precipitation, with the exception of the southern Levant at the Red Sea, is also to be anticipated, whereas convective precipitation is amplified by global warming. Precipitation in the Levant possesses a strong interannual variability, which is of great relevance for agricultural planning. The present dissertation deals with the predictability of interannual precipitation (of the 3-month Standardized Precipitation Index (SPI-3)) during the rainy season (autumn, winter and spring) in the Levant. Firstly, correlation analyses between atomospheric and oceanic teleconnection patterns and the precipitation (SPI-3, SON, DJF, MAM) with time delay were conducted. These were examined for the 3-month averages as well as on the basis of single months in order to determine the best method for a prediction of seasonal precipitation. The results confirm that the teleconnections based on single months better describe variance in precipitation. Subsequently, a stepwise multiple regression model was used, which meaningfully selected the statistical predictors. This statistical model generated the foundation for the prediction of the next seasons. For a detailed verification of all forecasts the data from the SPI-classes were compared between the model and observed data. The use of the stepwise multiple regression on simulated SPI-3 data (DJF) shows that the North Atlantic Oscillation (NAO), the Siberian High (SH) and the Eastern Mediterranean Pattern (EMP) during the autumn months (SON) form the most important relevant predictors. The model explains 52-62% of the interannual total variation of SPI-3 (DJF). Precipitation in autumn is of utmost importance because that is when the season begins, in which the Levant is fundamentally dependent on rain-fed agricultural. With the model between 50 and 67% of the variance in precipitation in the regions of the Levant can be explained. The Southern Oscillation (SO), the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) and the sea surface temperature in the summer months (JJA) in the Mediterranean, the Red Sea and the Arabian Gulf form the most important relevant influencing variables. In spring the model can explain only up to 30% of the variance because convective precipitation appears primarily in spring. Most of the precipitation in the Levant is caused by cyclones, which come within 4 to 8 months (from September until May) directly from the west (Mediterranean region) into the Levant (Shahada 1996). The roll of the cyclones is interesting, which mostly move from the Mediterranean, the Red Sea and the Sahara into the Levant, as well as the associated precipitation in the Levant and the teleconnection indices. In this dissertation the cyclone statistics in the Mediterranean region (1958-2001) were examined with 6-hourly 1000 hPa geopotential height data according to the method of Blender (1997) and the analyses of the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Cyclones occurring in the Levant mostly move from Cyprus in an eastward direction. Cyclones coming from Genoa, the Adriatic and the Aegean Seas and moving in a southern direction into the Levant are in a second frequency category. Cyclones coming from the southwest (Sudan, Red Sea) are the third most frequent weather systems in the Levant in autumn and spring and those from the southeast (southern Arabia and from the Arabian Gulf) are the fourth most frequent. In the Levant an influence from cyclones originating in the Atlantic is hardly found. These cyclones have a typical central pressure between 1005 and 1015 hPa. In autumn and winter a wide maximum of cyclonic activity appears over Genoa, southern Italy, the Adriatic and the Aegean Seas. In contrast, the appearance of low pressure areas is concentraed in spring primarily over Cyprus, the Sahara, the Red Sea and the Levant, which is reached predominantly by weakly pronounced cyclones. Considering all cyclones in autumn, winter and spring, it can be seen that approximately 21% of all Mediterranean cyclones have a lifespan of one day (= 4 terms) and that 70% have a lifespan of up to two days. Between 1958 and 2001 one finds an increasing trend in the frequency of low pressure systems in the eastern Mediterranean region and a decreasing trend in the central and western Mediterranean region due to global warming. The strong cyclones in winter show predominantly decreasing trends between 61 and 97%, especially in the eastern Mediterranean region. In contrast, the number of weak cyclones in the whole Mediterranean region is decreasing. The cyclones play a roll primarily in winter precipitation in the Levant. Through the analysis of the correlation between cyclones and precipipation in the Levant it could be determined that the cyclone genesis over the Tyrrhenian Sea, Italy, and the Adriatic Sea up until the Aegean Sea has a significant positive relationship (r less or equal 0.65). Additionally, a significant positive correlation exists between cyclone frequency and precipitation over the southern Aegean Levant-Sea (Cyprus) for the winter. Through the examination of the connections between the large-scale teleconnection patterns (NAO, Azores High (AH), SHI, East Atlantic Oscillation (EA) and East Atlantic/West Russian (EAWR)) on the one side and the local conditions of cyclonic activity on the other side, four characteristic features appear. A significant positive relationship between the NAO and the Azores High (AH) and cyclones over the eastern Mediterranean region appear for the winter. The NAO and AH and the cyclonic activity from Genoa up until the Black Sea, in contrast, are negatively correlated, even when only the correlations in winter are significant. With a negative NAO-index the tracks are eastwardly oriented and the lifespan of the cyclones is longer than in a positive phase, in which many cyclones are stationary. The SH also shows a negative correlation with the cyclone frequency in the Levant. The East Atlantic Oscillation (EA) have no great influence on cyclones in the Mediterranean region.