Gibt es einen Stadteinfluss auf Temperaturtrends in Deutschland in den letzten 50 Jahren?10. August 2011Spätestens seit der Arbeit „Der Stadteinfluss auf den weltweiten Temperaturtrend Meteorologische Abhandlungen, Freie Universität Berlin Institut für Meteorologie und Geophysik von Horst Dronia Verlag Reimer, 1967“ weiß man, das der sog. Städtische Wärmeinseleffekt einen Einfluss auf Temperaturmessungen ausüben und einen Ewärmungstrend vortäuschen oder verstärken kann, der nicht durch eine Erwärmung des Klimas, sondern durch wachsende Städte oder durch bauliche Veränderungen in der Umgebung der Temperaturmeßstation verursacht werden kann.Der städtische Wärmeinseleffekt (engl. „“urban heat island UHI“) führt zu einer Erwärmung der Städte relativ zum Umland, weil sich zum einen Steine, Beton, Asphaltflächen usw. in den Städten stärker erwärmen als Wiesen, Wälder und Felder im Umland und weil zum anderen in den Städten weniger Energie zur Verdunstung von Wasser verbraucht wird als im Umland und deswegen die vorhandene Energie mehr zur Erwärmung der Luft als zur Verdunstung von Wasser an der Erdoberfläche verwendet wird. Städte sind also wärmer als das Umland. Ein Stadt bedingter Erwärmungstrend im Vergleich zum Umland sollte dann auftreten, wenn eine Stadt mit der Zeit größer wird, wächst, die Anzahl der Gebäude und versiegelten Flächen zunimmt usw. Dies wird in der Regel – aber nicht nur - dann der Fall sein, wenn die Einwohnerzahl wächst. In Deutschland ist die Einwohnerzahl in den vergangenen 50 Jahren relativ konstant geblieben, obwohl es regionale Verschiebungen gegeben hat, vor allem in Richtung Westen und Süden. Deswegen würde man bei uns heute keinen so großen UHI erwarten, wie z. B. in den wachstumsstarken Regionen der Welt, oder wie bei uns im 19. Jahrhundert, als die Einwohnerzahl der Städte in Europa ähnlich stark zunahm wie heute in den Entwicklungsländern. Im 19. Jahrhunderts gab es deswegen einen relativ stark ausgeprägten UIH in fast allen europäischen Großstädten (s. z. B. Weber, 1994). Im Rahmen der Klimadiskussion über die globale Erwärmung seit Ende der 1970er Jahre gab es eine längere Debatte darüber, wie groß der UHI am beobachteten Temperaturtrend der letzten Jahrzehnte ist. Diese Debatte scheint derzeit beendet, da man allgemein – aber nicht durchgehend - davon ausgeht, dass die globalen, regionalen und lokalen Temperaturtrends um den UHI bereinigt wurden. So zeigt eine Arbeit von Christy und Goodridge aus 1995 beispielsweise dass der Temperaturtrend in den kalifornischen Landkreisen mit der Größe zunimmt und auch hier gibt es es zahlreiche Hinweise darauf, dass Temperaturmessungen im Bereich amerikanischer Städte nicht unbedingt zuverlässig sind und teilweise keinen Treibhausgas bedingten Erwärmungstrend zeigen. Über die Umgebung von Messstationen in den Entwicklungsländern ist generell noch weniger bekannt; da dort die Städte besonders stark wachsen und die natürliche Biosphäre besonders rasch vernichtet und durch Bauten ersetzt wird, muss man durchaus davon ausgehen, dass der UHI dort nicht vernachlässigbar ist. Wir wissen ( hier ), dass der Erwärmungstrend der vergangenen Jahrzehnte in Deutschland und generell in Europa besonders stark war. Als Ursache hatten wir besonders geänderte atmosphärische Zirkulationsmuster, zunehmende Sonnenscheindauer (im Sommerhalbjahr) und als anthropogene Faktoren die rückläufige Sulfatverschmutzung der Atmosphäre identifiziert, und nur in geringerem Masse den Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen. Grundsätzlich sollte man sich aber auch die Frage stellen, inwieweit der UHI bei uns in den vergangenen Jahrzehnten eine Rolle gespielt hat. Um diesen Zusammenhang zu ergründen, betrachten wir nachfolgend den Trend der Jahresmitteltemperaturen an einer Reihe von Beobachtungsstationen in Deutschland, die zufällig ausgewählt wurden und sowohl Norddeutschland als auch Süddeutschland, Großstädte als auch Kleinstädte, ländliche Regionen, Küstenregionen, Berggipfel in den Mittelgebirgen und den Alpen repräsentieren sollen. Der betrachtete Zeitraum ist 1953 – 2004, der Zeitraum wurde nicht mit Blick darauf ausgewählt, um etwas zu „beweisen“ sondern deswegen, weil der DWD für 1953 begann, Jahreswerte zu veröffentlichen aber ab 2005 diese Jahreswerte nicht mehr in leicht zugänglicher Form veröffentlicht. Für die Frage, ob es in dieser Zeit einen UHI in Deutschland gab, ist die genaue Wahl des Zeitraums weniger relevant. Denn betrachtet werden nicht die absoluten Trends, sondern nur die Trenddifferenzen zwischen den einzelnen Stationen. Die folgende Tabelle zeigt diese Trends jeweils zusammengefasst für unterschiedliche geographische Regionen und Stationskategorien: - Nordseeinseln - Nordsee - Großstädte in Norddeutschland - GrStND - Kleinstädte in Norddeutschland - KlStND - Mittelgebirgsgipfel in Norddeutschland - MiGBND - Großstädte in Süddeutschland - GrStSD - Kleinstädte in Süddeutschland - KlStSD - Mittelgebirgsgipfel in Süddeutschland - MiGBSD - Alpine Stationen - Alpen - Baur’sche Stationen Mitteleuropa - Baur Tabelle 1: Temperaturtrends in Mitteleuropa 1953 - 2004 (in °C/Jahrzehnt)
Die Großstädte weisen dabei deutlich mehr als 100000 Einwohner auf, die Kleinstädte in der Regel deutlich weniger als 100000. Als alpine Stationen in Deutschland wurden nur der Wendelstein und die Zugspitze ausgewählt. Die Baur’schen Stationen in Mitteleuropa sind De Bilt, Potsdam, Basel und Wien. Die Baur’sche Reihe reicht bis 1761 zurück und wird als repräsentativ für das Temperaturgepräge ganz Mitteleuropas angesehen. Man erkennt aus der Tabelle, dass die Trends der einzelnen Stationskategorien nur recht gering voneinander abweichen und etwa bei 0,23 – 0,28 °C pro Jahrzehnt liegen. Die Trends sind generell in Süddeutschland etwas höher als in Norddeutschland und in den Großstädten etwas größer als in den Kleinstädten, sie liegen im Mittel etwa 0,02 °C höher, was aber statistisch nicht signifikant ist. In Einzelfällen tritt ein größerer UHI aber sehr wohl in Erscheinung, wie ein Vergleich mit den umliegenden Berg- bzw. Kleinstadtstationen zeigt, so z. B. in Frankfurt/Main und Karlsruhe. Demgegenüber ist ein Stadteinfluß in Hamburg und Essen kaum bzw. nicht nachweisbar (s. Abb. 1 – 5). Abb. 1 Temperaturtrends in Hamburg und Luchow .jpg)
Abb. 2 Temperaturtrends in Frankfurt/M und am Kleinen Feldberg/Taunus .jpg)
Abb. 3 Temperaturtrends in Karlsruhe und in Freudenstadt/Schwarzwald  (1).jpg)
Abb. 4 Temperaturtrends am Hohenpeissenberg, dem Wendelstein und der Zugspitze .jpg)
Abb. 5 Temperaturtrends in Essen und am Kahlen Asten .jpg)
Im Fall von Essen tritt andrerseits ein UHI nicht in Erscheinung, da sich Essen weniger stark erwärmt hat als der Kahle Asten im Sauerland (s. Abb. 5). Die Beobachtungsstation von Essen ist jedoch keine Innenstadtstation, sondern ist ca. 10 km südwestlich vom Stadtzentrum auf einer „grünen Wiese“ gelegen. Dies zeigt, dass bei der Analyse der Frage, ob ein UHI vorliegt, eine Einzelfallbetrachtung durchgeführt werden sollte. Eine detaillierte Wertung der Stationshistorie, Stationsverlagerung, Instrumentenwechsel etc. ist ebenfalls erforderlich, um zu einer aussagekräftigen Bewertung zu gelangen. Die alpinen Stationen weisen die geringsten Trends auf. Interessant ist allerdings, dass der Hohenpeißenberg (984 m ü. NN) einen relativ hohen Trend von 0,29°C pro Jahrzehnt aufweist, Wendelstein und Zugspitze in weniger als 100 km Entfernung mit 0,15 bzw. 0,17 erheblich niedriger liegen (s. Abb. 4). Dass bedeutet, die planetarische Grenzschicht hat sich deutlich stärker erwärmt als die untere Troposphäre oberhalb der planetarischen Grenzschicht, die bis in ca. 1500 m Höhe reicht. Die Zugspitze in 2960 m und der Wendelstein in 1900 m Höhe sind für die untere Troposphäre oberhalb der planetarischen Grenzschicht repräsentativ. Die Ursachen für die Trenddifferenzen zwischen den süddeutschen Flachland- und Mittelgebirgsstationen und den alpinen Stationen, die bei über 0,10°C pro Jahrzehnt liegen, sind unklar. Bei einer Treibhausgas bedingten Erwärmung würde man keine erheblichen Differenzen zwischen der Erwärmung am Boden und der Erwärmung der unteren Troposphäre in etwa 3 km Höhe erwarten, wenn überhaupt, sollte sich die untere Troposphäre oberhalb der planetarischen Grenzschicht stärker erwärmen als die bodennahe Atmosphäre innerhalb der planetarischen Grenzschicht und nicht umgekehrt. Eine mögliche Ursache könnte darin liegen, dass die Sulfatkonzentration über Mitteleuropa in den letzten 2 Jahrzehnten deutlich abgenommen hat. Sulfate haben eine abkühlende Wirkung vor allem auf die untere Troposphäre, besonders innerhalb der sog. planetarischen Grenzschicht, die bis in etwa 1,5 km Höhe reicht. Erwärmungseffekte durch eine abnehmende Sulfatkonzentration sollten sich dann besonders hier bemerkbar machen. Um dieser Frage nachzugehen, betrachten wir die Trenddifferenzen zwischen den Flachland und den alpinen Stationen im Zeitraum 1953 – 1987, d. h. für einen Zeitraum, in dem sich das Klima in Deutschland nicht erwärmt hat und die Sulfatkonzentration zwar wegen der in den 1970er Jahren eingeleiteten Luftreinhaltemaßnahmen bereits zurückgegangen ist, aber nicht in dem Masse wie seit Ende der 1980er Jahre. Die Ergebnisse sind in der letzten Spalte in Tabelle 1 gezeigt. Man sieht, dass es in Deutschland generell bis Ende der 1980er Jahre in einigen Regionen geringfügig kühler und in andern geringfügig wärmer geworden ist. Keiner der Trends ist signifikant. Die alpinen Stationen haben sich am meisten abgekühlt. Die Trenddifferenzen zwischen den beiden Alpenstationen und dem Rest Deutschlands sind zwischen 1953 und 1987 etwa vergleichbar zu den Trenddifferenzen zwischen 1953 und 2004 und liegen bei ca. 0,12°C pro Jahrzehnt. Demzufolge fällt es schwer, die Differenzen zwischen den Flachland und den Hochgebirgstrends durch einen Sulfateinfluss zu erklären, es sei denn, dieser ist komplexerer Natur. So ist die Sonnenscheindauer zwischen Anfang der 1950er und Ende der 1980er Jahre in Deutschland gesunken, was im Umkehrschluss bedeutet, dass die Wolkenbedeckung gestiegen ist und einen Sulfateinfluss maskiert oder überdeckt haben kann, je nachdem, in welcher Jahreszeit die Wolkenbedeckung zugenommen hat. Seit Ende der 1980er Jahre haben die Wolkenbedeckung wieder ab- und die Sonnenscheindauer zugenommen (s. hier). Im Vergleich zu den deutschen Stationen weist die Baur Reihe eine Erwärmungsrate von ca. 0,28 °C pro Jahrzehnt auf, höher als das Mittel der deutschen Stationen von ca. 0,25°C pro Jahrzehnt, aber vergleichbar mit dem Mittel der süddeutschen Stationen. Da in die Baur Reihe aber zwei norddeutsche Stationen – wenn man das niederländische De Bilt noch als repräsentativ für Nordwestdeutschland bezeichnen darf - mit einfließen, nämlich Potsdam und De Bilt, die norddeutschen Stationen generell geringere Erwärmungsraten von ca. 0,23 °C pro Jahrzehnt aufweisen, ist ein UHI Einfluss auf die Baur Reihe nicht ausgeschlossen und sollte überprüft werden. Bereits in 1953 - 1987 wies die Baur Reihe eine Erwärmung von knapp 0,1 Grad pro Jahrzehnt auf und erwärmte sich damit stärker als alle anderen deutschen Regionen. Auch hier wäre eine detaillierte Wertung der Stationshistorie hilfreich. Zusammenfassend gibt es aber keine überzeugenden Hinweise dafür, dass der UHI in Deutschland in den letzten 50 Jahren generell einen signifikanten und erheblichen Beitrag zur Erwärmung geleistet hat, obwohl er in einigen Städten deutlich zu erkennen ist. Die Erwärmungsraten der Großstädte liegen zwar allgemein über denen der Kleinstädte und denen der ballungsfernen Regionen, wie den Nordseeinseln und den Mittelgebirgsgipfeln, die Differenzen sind mit ca. 0,02°C pro Jahrzehnt generell aber nicht signifikant. Etwas größer ist die Trenddifferenz zwischen Nord- und Süddeutschland allgemein, die bei ca. 0,03°C pro Jahrzehnt liegt. Am größten und signifikantesten sind die Differenzen zwischen den süddeutschen Stationen und den Alpengipfeln. |
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