Analysis and evaluation of cold season characteristics and their future development: A case study for the region of Hamburg

Abstract

In dieser Arbeit wird die Kältesaison für eine urbane Region charakterisiert, Eisepisoden definiert und deren zukünftige Entwicklung im Zusammenhang mit atmosphärischen Mustern untersucht. Kälteereignisse können insbesondere für Städte verheerende Folgen haben. Zu den Folgen zählen beispielsweise Stromausfälle, Verkehrsbehinderungen, Schließung öffentlicher Einrichtungen, Schäden an Straßen, Schienen, Gebäuden und Versorgungsleitungen sowie Ernteausfälle. Um deren zukünftige Entwicklung und die damit verbundenen Risiken einschätzen zu können, werden hier Zukunftsprojektionen von regionalen Klimamodellen (RCM) analysiert.

Da es bislang keine einheitliche Definition von Kälteereignissen gibt und in der Literatur häufig unterschiedliche Begriffe verwendet werden, wird in dieser Arbeit eine Definition für anhaltende Kälteereignisse mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt vorgeschlagen. Dafür wird der Begriff Eisepisode eingeführt, die Definition dafür lautet: Eine Eisepisode ist ein Ereignis von mehr als fünf aufeinander folgenden Eistagen. Ein Eistag ist ein sogenannter Schwellwert-basierter Klimaindex, bei dem die maximale Temperatur eines Tages unter dem Gefrierpunkt verbleibt. Der Schwellwert ist also 0°C. Um die Zuverlässigkeit der Schwellwert-basierten Klimaindizes zu beurteilen, musste zunächst ermittelt werden, inwieweit ihre Ergebnisse durch die Datenunsicherheit (z.B. Temperaturdaten) beeinflusst werden. Es konnte gezeigt werden, dass integrierende Indizes, die auf aufeinanderfolgenden Tagen und nicht auf der Zählung einzelner Tage beruhen, bei kleinen Änderungen des Schwellenwerts nur geringe Änderungen der resultierenden Anzahl von Tagen aufweisen. Die Kältesumme einer gesamten Kältesaison zeigt keine nennenswerten Änderungen und ist daher am wenigsten anfällig für Datenunsicherheit. Die hier definierten Eisepisoden sind weniger anfällig für Datenunsicherheit als die Gesamtanzahl der Eistagen.

Damit belastbare Aussagen über die Zukunft dieser Eisepisoden für die Zielregion gemacht werden können, wurde geprüft wie realistisch die Ergebnisse der RCMs für einen Evaluationszeitraum in der Vergangenheit sind. Außerdem wurden die während dieser Eisepisoden vorherrschenden atmosphärischen Zirkulationsmuster in Reanalysedaten identifiziert. Zusätzlich wurde überprüft, ob die RCMs die (thermo-)dynamischen Prozesse, die zu Eisepisoden in der Zielregion führen, generell richtig darstellen. Dafür wurde untersucht, inwieweit die RCMs die in der Reanalyse identifizierten atmosphärischen Zirkulationsmuster reproduzieren und ob diese dann auch mit Eisepisoden einhergehen. Dafür wurde eine Pattern-Matching Methode entwickelt und angewendet. Die Ergebnisse dieser Methode bestätigen, dass die hier analysierten RCMs generell in der Lage sind, die vorherrschen den Zirkulationsmuster zu reproduzieren und dass diese Muster mit Eisepisoden in der Zielregion einhergehen.

Die zukünftige Entwicklung der Eisepisoden wurde unter der Annahme des Emissionsszenarios RCP8.5 gemacht. Dieses geht von hohen CO2 Emissionen und damit von einem starken Anstieg der global gemittelten Temperatur aus. Dieses Szenario gibt somit eine Obergrenze für die mögliche Reduktion bzw. eine Untergrenze für das Auftreten von Eisepisoden in der Zukunft an. Es konnte gezeigt werden, dass Eisepisoden in Hamburg auch am Ende dieses Jahrhunderts noch auftreten können. Trotz anhaltender globaler Erwärmung werden diese Ereignisse mit mittleren Temperaturen von -4.6 °C einhergehen, wobei die Minimalwerte bis auf -13.2 °C absinken können. Ebenso konnte gezeigt werden, dass die in der Reanalyse identifizierten atmosphärischen Zirkulationsmuster in zwei Drittel aller Fälle mit einer Eisepisode in Zusammenhang gebracht werden können. Dieses Verhältnis bleibt nahezu konstant von der jüngsten Vergangenheit (1971–2000) über die nahe Zukunft (2030–2060) bis in die ferne Zukunft (2065–2095). Allerdings nimmt die absolute Anzahl der Eisepisoden in der fernen Zukunft im Vergleich zur jüngsten Vergangenheit um 80 % ab.

Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass Eisepisoden trotz des starken globalen Temperaturanstiegs auch in Zukunft in den mittleren Breiten auftreten können und daher bei langfristigen Planungen (z.B. Planung von Anpassungsmaßnahmen für Städte und Infrastruktur) nicht vernachlässigt werden sollten