Klima: Klima – Vergangenheit/Temperatur

Die Temperatur

Die Lufttemperatur wird an meteorologischen Beobachtungsstationen in Deutschland in 2 m Höhe über Grund gemessen. Dabei wird darauf geachtet, dass das Thermometer keiner direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, denn das würde die Messungen verfälschen. Daher wurden die Thermometer früher in einer klassischen Wetterhütte untergebracht, um ausreichend Abschirmung und Belüftung zu gewährleisten (Abb. 1, links). Die heutigen Sensoren werden inzwischen zumeist von kleinen, lamellierten Behältnissen abgeschirmt, die aufgrund ihrer geringen Größe zwangsbelüftet sind (Abb. 1, rechts).


Abb. 1: Temperaturmessung in 2 m über Grund; die klassische Englische Wetterhütte mit Thermometern und/oder Thermosensoren (links) und der heute dominierende, deutlich kleinere zwangsbelüftete Wetterschutz, der die Messfühler enthält

Zur Beurteilung klimatischer Veränderungen ist ein Blick auf das Klima vergangener Zeiträume nötig. In Hessen liegt die längste Messreihe der Lufttemperatur für die Stadt Frankfurt/Main vor. Abbildung 2 zeigt den Verlauf der auf den heutigen Standort am Frankfurter Flughafen interpolierten Reihe der Jahresmitteltemperaturen für einen mehr als 250-jährigen Zeitraum (1758–2015; graue Linie). Die farbigen Linien beschreiben die jeweils gültigen 30-jährigen Mittelwerte (sog. „Klimanormalperioden“). Um den Einfluss der innerstädtischen Aufheizung (den sog. Wärmeinseleffekt) auf die Temperatur zu beseitigen, erfolgte im Jahre 1949 eine Verlagerung der Messungen von der Innenstadt zum Flughafen. Die Daten früherer Zeiträume bis zur Stationseröffnung am Flughafen wurden dabei mittels räumlicher Interpolation auf den heutigen Standort umgerechnet.

Die über 250-jährige Zeitreihe beinhaltet deutliche Schwankungen von Jahr zu Jahr – mit zu allen Zeiten vergleichsweise warmen und kühlen Jahren. Die Definition von „warm“ und „kalt“ ändert sich jedoch mit dem erlebten Empfinden: Während das Jahr 2010 mit einem Mittelwert von 9,8 °C jüngeren Menschen als sehr kalt vorkommen musste, wäre dieses Jahr noch vor ein paar Jahrzehnten als völlig normal empfunden worden. Bis in die Zeit des 2. Weltkrieges hätte dieses Jahr sogar zu den jeweils wärmsten Jahren einer Dekade gezählt.

Bei Betrachtung der Frankfurter Zeitreihe fällt auf, dass die mittleren jährlichen Temperaturverhältnisse bis zum Ende des 19. Jahrhunderts weitgehend konstant blieben (blaue Mittelwertlinien in Abb. 2). Ab Beginn des 20. Jahrhunderts setzte eine zunächst moderate Erwärmung ein, die im Jahr 1988 abrupt in einem nachfolgend deutlich höheren Temperaturniveau mündete. Dieses wurde nur durch die Ausreißerjahre 1996 und 2010 deutlich unterschritten. 22 der 26 Jahre seit 1988 wiesen höhere Durchschnittstemperaturen als der bis dahin ermittelte Spitzenwert auf (10,6 °C im Jahr 1868). Das Jahr 2014 war mit 12,1 °C am wärmsten. Die für Frankfurt beschriebenen Veränderungen passen zu den in Europa und den meisten Teilen der Welt beobachteten Temperaturerhöhungen. Nach Analysen des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel (Intergovernmental Panel on Climate Change Assessment Report 5, IPCC AR5) ist die globale Temperaturzunahme mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 90 % auf menschliche Aktivitäten (Anstieg der atmosphärischen Treibhausgase) zurückzuführen.


Abb. 2: Langjährige Zeitreihe der Jahresmitteltemperatur an der Station Frankfurt/Main (Flughafenstation); die farbigen Linien geben die Mittelwerte der 30-jährigen Klimanormalperioden an (Ausnahme: 1991–2015 nur 25 Jahre); Mittelwerte unter 9 °C sind blau, zwischen 9 und 10 °C grün und über 10 °C rot dargestellt

In Hessen wird die Lufttemperatur derzeit an ca. 40 Wetterstationen des Deutschen Wetterdienstes gemessen. Die im Mittel niedrigsten Werte treten in den Hochlagen der Mittelgebirge auf (kälteste Werte: Station Wasserkuppe/Rhön), die höchsten finden sich in den Niederungen Südhessens, v. a. im Rheintal. Besonders kalte oder warme Jahre treten normalerweise an (fast) allen Stationen in Hessen zusammen auf. Der Temperaturverlauf ist – zumindest für die Jahresmittelwerte – räumlich signifikant ähnlich. Im interaktiven Webportal „Wetterextreme in Hessen“ des Fachzentrums Klimawandel Hessen sind die Temperaturveränderungen für Standorte mit langen Messreihen in Hessen visualisiert.

Aus den einzeln verfügbaren Stationswerten werden Flächenkarten der Temperaturverteilung erzeugt. Dazu werden die Temperaturverhältnisse in den zwischen den einzelnen Wetterstationen gelegenen Gebieten aus einer Interpolation unter Berücksichtigung der Geländehöhe berechnet: Da die Temperatur im Mittel mit der Höhe abnimmt, erzeugt die höhenabhängige Interpolation zwischen den Stationsdaten (vgl. Text Einleitung) bei der Erstellung der Flächenkarten eine räumliche Verteilung, in der die topographische Struktur Hessens deutlich erkennbar ist.

Das Klima ist, wie in der Einleitung erläutert, eine statistische Beschreibung des mittleren Zustandes und seiner Schwankungen an einem Ort und wird üblicherweise für Zeiträume von 30 Jahren (oder länger) definiert. In den in diesem Atlas vorgestellten Karten werden neben den klimatologischen 30-Jahres-Zeiträumen (Klimanormalperioden) teilweise auch einzelne Dekaden dargestellt, um einen visuellen Eindruck der Variabilität zwischen diesen Zeiträumen zu ermöglichen.

Für ganz Hessen ergibt sich die folgende Entwicklung der Jahresmitteltemperatur:

Jahresmitteltemperatur 1901–2010 (30-Jahresmittel)

Jahresmitteltemperatur 1901–2010 (Dekaden)

Im zeitlichen Verlauf zeigt sich für den Mittelwert über ganz Hessen – ähnlich wie bereits in Abbildung 2 für die Station Frankfurt dargestellt – ein Trend über den gesamten Zeitraum hin zu höheren Temperaturen. Es wird aber ebenfalls deutlich, dass der Temperaturanstieg nicht gleichmäßig verläuft, sondern in einzelnen Dekaden unterschiedlich stark ausfallen kann. Auch dies ist ein Beispiel für die oben beschriebene Klimavariabilität. Abbildung 3 zeigt die jährlichen Schwankungen als Abweichungen vom Mittel des 20. Jahrhunderts für das Bundesland Hessen. Hier hat sich die Temperatur von 8,0 °C im Zeitraum 1901–1930 auf 8,8 °C im Zeitraum 1981–2010 (und sogar 9,2 °C in 1991–2015) erhöht.


Abb. 3: Jahresmittelwert der Lufttemperatur für Hessen (Abweichung vom Mittelwert des 20. Jahrhunderts: 8,3 °C) und 11-jährig gleitender Durchschnitt (schwarze Linie); Farbklassen differenzieren überdurchschnittlich warme bzw. kalte Jahre (rote bzw. blaue Farbtöne); Abstufung der Farbklassen nach Häufigkeit während der Normperiode: Stufen bei 1 % (extrem warm/kalt), 5 % (sehr warm/kalt), und 20 % (warm/kalt)

Werden anstelle der Jahresmitteltemperatur die durchschnittlichen Temperaturen der einzelnen Jahreszeiten betrachtet (meteorologische Definitionen: Frühling = März, April, Mai; Sommer = Juni, Juli, August; Herbst = September, Oktober, November und Winter = Dezember, Januar, Februar), so ergeben sich die folgenden Temperaturverläufe:

Saisonale Mitteltemperatur Frühling 1901–2010

Saisonale Mitteltemperatur Sommer 1901–2010

Saisonale Mitteltemperatur Herbst 1901–2010

Saisonale Mitteltemperatur Winter 1901–2010

In allen Jahreszeiten ist der Zeitraum 1981–2010 der wärmste. In den Jahreszeiten Frühling, Sommer und Herbst ist (wie auch für die Jahresmitteltemperatur) die Periode 1901–1930 die kühlste, im Winter ist die kälteste Periode 1931–1960. Die Erwärmung schreitet nicht immer stetig voran: In allen Jahreszeiten gibt es auch Perioden, die etwas kühler ausfallen als die vorhergehende Periode. Insgesamt zeigt sich jedoch ein deutlicher Trend der Temperaturzunahme in allen Jahreszeiten, der im Sommer mit einer Differenz von 1,2 °C zwischen der Periode 1901–1930 und der Periode 1981–2010 am stärksten ausfällt.

Monatliche Mitteltemperatur 1981–2010


Abb. 4: Monatliche Mittelwerte der Lufttemperatur für Hessen im 20. Jahrhundert (graue Linie) mit Schwankungsbreite = Standardabweichung (schwarze Balken) und Vergleich zum Zeitraum 1991–2015 (rote Vierecke)

Die zuvor angesprochene Erwärmung bestätigt sich auch beim Vergleich der mittleren monatlichen Temperaturen des 20. Jahrhunderts mit denen der vergangenen 25 Jahre: die Mittelwerte aller Monate sind gegenüber früheren Zeiten angestiegen (Abb. 4). Dieser Anstieg wird besonders in den Sommermonaten Juli und August deutlich, wo die Schwankungsbreite, die Jahr-zu-Jahr-Variabilität, gegenüber den Wintermonaten deutlich schwächer ausgeprägt ist, weshalb dieses Signal als besonders bemerkenswert hervorgehoben werden muss.

Der mittlere Jahresgang der Temperatur kann auch in einer noch höheren zeitlichen Auflösung betrachtet werden. Beispielhaft ist dies anhand der Station Frankfurt/Main (Innenstadt) im Zeitraum 1870–2015 dargestellt (Abb. 5). Die schwarze Linie zeigt die über den Zeitraum gemittelten täglichen Temperaturwerte. Der sich ergebende Temperaturverlauf zeigt die Abhängigkeit der Lufttemperatur vom Sonnenstand. Erwähnenswert ist, dass die kältesten und wärmsten Tage gegenüber dem kürzesten (21. Dezember) und längsten Tag des Jahres (21. Juni) zeitlich um einige Wochen nach hinten verschoben auftreten. Diese zeitliche Verschiebung ist damit zu erklären, dass sich Boden, Wasser und Luft erst allmählich mit den langen Tagen aufwärmen und genauso allmählich mit den kurzen Tagen abkühlen. Die kältesten Tage werden im langjährigen Mittel daher ca. Mitte Januar, die wärmsten erst Ende Juli/Anfang August beobachtet. Die Schwankungsbreite (grauer Bereich) zeigt, dass die in den Einzeljahren tatsächlich gemessenen Werte im Winter stärker um den Mittelwert schwanken als in den übrigen Jahreszeiten (Maximum im Januar, Minimum im September).


Abb. 5: Monatliche Mittel- und Extremwerte der Lufttemperatur Frankfurt/Main (Innenstadtstationen) für 1870–2015 und 1991–2015; der graue Bereich illustriert die Schwankungsbreite (Standardabweichung) der täglichen Mitteltemperatur

Die grüne Linie zeigt den Mittelwert der Jahre 1991–2015. Anhand dieser Linie ist erkennbar, dass in den vergangenen Jahren fast alle Tage wärmer als das Mittel des Gesamtzeitraums waren. Die Erwärmung zeigt sich am deutlichsten Ende April. Diese Beobachtung stimmt mit dem deutschlandweit seit Anfang der 1990er Jahre beobachteten Phänomen einer starken Erwärmung – begleitet von einer deutlichen Zunahme der Sonnenscheindauer – in diesem Zeitraum überein.

Die gestrichelten roten und blauen Linien zeigen die mittleren Tageshöchst- und tiefsttemperaturen. Der Unterschied zwischen Tag und Nacht ist im Frühling und Sommer (vor allem Mai bis August) aufgrund des höheren Sonnenstandes und der hohen Anzahl an Sonnenstunden am stärksten, hingegen im Herbst und Winter (v. a. November bis Februar) aufgrund der geringen Sonnenscheindauer am geringsten ausgeprägt.

Die dicken roten und blauen Linien stellen die höchsten und tiefsten im Zeitraum 1870–2015 gemessenen Temperaturmaxima und -minima dar. Es fällt auf, dass insbesondere die winterlichen Minima eine große Schwankungsbreite zeigen, die mit nur in wenigen Wintern beobachteten massiven Kälteeinbrüchen in Verbindung stehen. So wurde die -20-Grad-Marke in vier Wintern z. T. mehrfach unterschritten (absolutes Minimum: 19. Januar 1940 mit -23,8 °C) und in manchen Jahren mehr als 100 Frosttage (Temperaturminima unter 0 °C) gezählt, während im Winter 2013/14 in der Frankfurter Innenstadt nur 14 Frosttage auftraten. Seit 1870 wurden Temperaturen unter -10 °C letztmalig Mitte März beobachtet, während Frosttage in manchen Jahren bis in den Mai hinein vorkamen. Auch die insgesamt wärmeren Verhältnisse schützen nicht vor Spätfrösten, so dass im Frankfurter Umland z. B. auch 2011 und 2014 Maifröste beobachtet wurden. Die ersten Tage mit Temperaturen über 20 °C können schon im März auftreten und der früheste Sommertag (Temperaturmaximum über 25 °C) wurde bisher Anfang April registriert. Von Juni bis August wurden bereits Tage über 35 °C beobachtet. Am 7. August 2015 wurde mit 39,6 °C ein neues Temperaturmaximum gemessen, das den gerade neu aufgestellten Rekordwert von 38,9 °C am 5. Juli 2015 deutlich brach (vorheriger Rekord: 38,4 °C am 9. August 2003). Die letzten Sommertage werden häufig im September aufgezeichnet, können jedoch bis Anfang Oktober vorkommen. Der erste Luftfrost tritt zumeist im Oktober oder November auf.

 

© 2013 Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie