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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79040
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7904/


Riemann, Dirk

Methoden zur Klimarekonstruktion aus historischen Quellen am Beispiel Mitteleuropas

Methods for climate reconstructions using historical sources on the example of Central Europe

Dokument1.pdf (7.406 KB) (md5sum: d921c3260393991684a8fbc4d8bf2669)

Kurzfassung in Deutsch

Mitteleuropa ist reich an schriftlichen Zeugnissen, welche für die letzten 500 Jahre in ausreichender Dichte und Qualität vorliegen, um für nahezu jeden Monat ein differenziertes Bild der thermischen und hygrischen Bedingungen zeichnen zu können. Diese Differenzierung erlaubt die Zuordnung der Aussagen zu sieben Intensitätsklassen, welche für die thermischen Angaben von -3 für extrem kalt bis hin zu +3 für extrem heiß reicht. Für den Zeitraum von 1000-1500 ist eine jahreszeitliche Auflösung mit mindestens dreistufiger [-1 0 1] Bewertung möglich. Diese indexbasierten Bewertungen für die letzten 1000 Jahre wurden durch Glaser (2008) zu einer durchgängigen Reihe zusammengestellt und bilden eine Grundlage der hier vorgestellten methodischen Arbeiten. Die Untersuchungen beziehen sich v.a. auf Hinweise zur Temperatur, die methodischen Überlegungen können jedoch auch auf andere indexbasierte Witterungsangaben erweitert werden.

Eine Ausgangsfrage dieser Arbeit war, ob diese Indizes mittel- und langfristige Klimaänderungen beschreiben können, würde man intuitiv doch einen Verlust des langfristigen Signals erwarten, da sich die Wahrnehmung der Chronisten an veränderte Klimabedingungen anpassen würden. Vor dem Hintergrund einer hohen interannuale Variabilität sowie der hohen Variabilität der Monatsmitteltemperaturen (STDs bis zu 3°C) kann jedoch davon ausgegangen werden, dass geringe Verschiebungen (im Bereich kleiner als 1°C) der Mitteltemperatur nicht immer wahrgenommen wurden. Vielmehr ist eine Veränderungen der Sichtweise nötig, Schwankungen der Mitteltemperatur als eine retrospektive Konstruktion zu sehen. Werden mittel- und langfristige Klimaänderungen als Folge von Verschiebungen der Frequenz gleichgerichteter Witterungsanomalien in längeren Zeitabschnitten wahrgenommen, so verlieren die Unsicherheiten, z.B. durch mögliche Adaption der Wahrnehmung bei der Bewertung an Bedeutung. Dies gilt insbesondere, da historische Quellen Hinweise zu allen Jahrzeiten liefern.

Eine wichtige Erkenntnis der Arbeit ist, dass es prinzipiell möglich ist, mit nur drei Bewertungsklassen in saisonaler Auflösung langfristige Schwankungen zu beschreiben. Entsprechend wurde eine Methode zur Kalibrierung indexbasierter Informationen entwickelt: Da Indizes meist unabhängig voneinander sind, ist die Kalibrierung in einem kurzen überlappenden Zeitraum unsinnig, würde dies doch voraussetzen, dass der für diesen Zeitraum zu diesem Datensatz gefundene Zusammenhang auf unabhängige Daten übertragen werden kann. Deshalb wird die durch die Indizes beschriebene Variabilität für längere Zeitabschnitte an die Variabilität längerer Zeitabschnitte einer Instrumentenperiode angepasst. Mit der hierfür entwickelten allgemeinen mathematischen Vorschrift zur Kalibrierung von Indizes in Temperaturen kann umgekehrt eine quantitative Abschätzung erfolgen, welchem Temperaturunterschied ein Indexschritt im Mittel entspricht. Durch MC-Simulation wurde außerdem die Unsicherheit durch den Prozess der Indexbildung abgeschätzt: Die Fehldeutung einzelner Jahreszeiten um einen Indexschritt berührt das langfristige Signal nicht. Das Ergebnis der kalibrierten Indexreihe ist eine Rekonstruktion der Temperaturentwicklung für Mitteleuropa für die letzten 1000 Jahre. Darin lassen sich die bekannten klimatischen Phasen wiederfinden und quantifizieren.

Die Möglichkeit zur quantitativen Abschätzung der Aussagekraft einzelner Indizes erlaubte die Entwicklung eines Modells zur Regionalisierung der räumlich verteilt vorliegenden Angaben. Durch diese räumliche Analyse kann die Rekonstruktionsgüte deutlich erhöht werden, da die rekonstruierten Felder klimatische Muster widerspiegeln und es auf diese Weise möglich ist, Informationen verschiedener Regionen so einzubeziehen, dass sie physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Das Modell ist in der Lage, die Größe des Gebietes, für welches die Felder rekonstruiert werden, an die Datenlage und die Repräsentanz der jeweiligen Informationen anzupassen und ist somit auf verschiedene geographische Räume und Klimaparameter anwendbar.

Die Möglichkeit der indexbasierten Rekonstruktion wurde in einer Multi-Proxy-Studie auf natürliche Proxies erweitert. Hierfür wurden dendrochronologische Daten sowie quellenbasierte Daten auf dreistufige saisonal aufgelöste Indizes reduziert und durch ein Majoritätsprinzip ein gemeinsames Signal bestimmt. Damit ist es möglich, ein durchgängiges Klimasignal für Mitteleuropa abzuleiten, welches auf einer breiten Datenbasis verschiedener Klimazeiger basiert. Die resultierende Reihe zeigt dabei ebenfalls die bekannten langfristigen klimatischen Phasen.

Aus den Erkenntnissen lässt sich eine möglicherweise notwendige Veränderung in der paläoklimatischen Forschung für die hier untersuchten Zeiträume formulieren: Die Abkehr von der Suche nach durchgängigen Zeitreihen hin zur Bestimmung glaubhafter Aussagen zu einzelnen Jahreszeiten. Der Rest vieler Signale ist unspezifisches Rauschen.


Kurzfassung in Englisch

The ubiquity and quality of text-based historical sources in Central Europe enables the description of monthly local weather conditions for the last 500 years. The sources in this period are sufficiently rich in content to permit a summary into seven temperature classes, ranging from 3 (extremely cold) to +3 (extremely warm). For the earlier period 1000-1500, the sources can be assigned one of the three index values [-1, 0, 1]. This collection of index values was integrated by Glaser (2008) into a continuous time series, which represents the fundamental data source of the present work. Although the investigations are principally devoted to temperature reconstruction, the methods developed herein are quite general, and can equally be used to reconstruct other weather parameters from corresponding index values.

One of the initial questions of this thesis was whether historical sources can provide an adequate medium- and long term description of climate change. One would intuitively expect a loss of long-term signal, assuming the perceptions of chroniclers would adapt to the prevailing temperatures of the time. Given both the high interannual and average monthly temperature variabilities (STDs of up to 3°C), we can assume that the shift in average temperature was not always noticed (being in the range of less than 1°C). In fact a change in outlook is necessary in order to view fluctuations in average temperature as a retrospective construction. If one perceives medium- and long term climate changes as a consequence of fluctuations in the frequency of unidirectional temperature anomalies over a longer time period, then uncertainties in the index values of particular months are qualified. Statistical uncertainty is further diminished by the fact that historical sources contain explicit references to all individual months in a given year. It is therefore concluded that the climate descriptions contained in the historical sources are sufficiently differentiated that one can characterise them with index values in a reasonably systematic manner.

An important finding of the present investigation is the realisation that one can describe middle and long-term climate fluctuations with only three seasonally resolved index classes. In this context, a suitable method for the calibration of index data was used: specifically, the index variability over longer-term periods was scaled to match measured variability for the same periods. A general mathematical rule was derived, which in turn also allows a quantitative estimate of the temperature anomalies related to one index step. The uncertainty arising from the transition to index classes can be estimated by means of MC-simulations. This estimation demonstrates that the long-term signal remains clearly recognisable, even in the presence of spurious index values for individual years or months. Due to the very high monthly and seasonal variabilities of the region of investigation, as well as the high interannual variability, erroneous index values resulting from adapted perceptions of the chroniclers will apply perhaps to individual years and months, but by no means to all data points over a long time period. The result of the calibrated index series is a reconstruction of the temperature for Central Europe for the last 1000 years, in which the major climate trends can be recognised and quantified.

The quantitative estimation of the information given by individual indices opens up the possibility of developing a statistical model to regionalize index-based climate information, reflecting the spatial distribution of the data sources. Moreover, the accuracy of the reconstructed signal for the entire area can be substantially increased, because the reconstructed fields are a more faithful reflection of realistic climatic patterns. In this way it is possible to realistically incorporate information from different regions and thereby more precisely determine the temperatures of selected regions.

The viability of index-based climate reconstruction is examined by means of a multi-proxy study, in which several sets of dendrochronological and historical source based data sets are each reduced to a time series consisting of three-valued, seasonally resolved indices. A common signal is then extracted from the time series by means of a majority principal. In this manner a continuous climate signal was derived for Central Europe, based on a broad data set comprising several different climate indicators in which the major climate trends can be recognised.

The results will have possible ramifications for paleoclimatological research for time periods of millennial length: research efforts can be shifted away from the accrual of continuous time series, to more targeted investigations aiming for distinctive descriptions of seasonal conditions in a chosen year, while much of the rest of the signal simply noise.


SWD-Schlagwörter: Historische Klimatologie , Mitteleuropa , Rekonstruktion
Freie Schlagwörter (deutsch): Klimarekonstruktion , Methoden
Freie Schlagwörter (englisch): historical climatology , central europe , reconstruction
Institut: Institut für Physische Geographie
Fakultät: Fakultät für Forst- und Umweltwissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Glaser, Rüdiger (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.12.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 21.01.2011
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