Verfälschen Inhomogenitäten den globalen beobachteten Temperaturtrend?

• Antragsteller: Dr. Ralf Lindau
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441689576

Die Berechnung des globalen Trends der Lufttemperatur aus Klimastationsmessungen wird durch Inhomogenitäten gestört, die z.B. durch Umzüge der Stationen oder Änderungen der Beobachtungsmethoden ausgelöst werden. Es ist unumstritten, dass diese Brüche in den Zeitreihen das Potential haben, den Trend einzelner Klimastationen stark zu verfälschen. Der mittlere Trend über viele Stationen wird aber nur dann verfälscht, wenn die eingestreuten Sprünge einen Bias haben, also systematisch von Null verschieden sind. Ansonsten verschwindet ihr Effekt mit zunehmender Mittelung. Der Bias der Inhomogenitäten hat also überragende Bedeutung für den globalen Trend, ist aber bisher mit den gängigen Homogenisierungsverfahren nur schwer zu bestimmen. Einen solchen globalen Trendbias nachzuweisen oder zu verwerfen und gegebenenfalls seine Größe und Genauigkeit abzuschätzen, ist Ziel dieses Projekts.Im vorangegangenen Projekt haben wir Prototypen gängiger Homogenisierungsalgorithmen erstellt und ihre Fähigkeit, einen Trendbias zu detektieren, überprüft. Die Prototypen bestanden aus modularen Bausteinen, die alle wichtigen üblicherweise benutzten Verfahrenstechniken abdecken. Dies sind unterschiedliche Detektierungs- und Korrekturmethoden sowie unterschiedliche Verfahren zur Bildung von Differenzzeitreihen. Die Überlegenheit moderner Algorithmustypen, wie sie bereits in früheren Validierungsstudien gezeigt wurden, konnte bestätigt werden. Im Fokus standen bisher aber meist die Trefferwahrscheinlichkeit, einen Bruch zu entdecken oder die Verbesserung individueller Zeitreihen, nicht jedoch der allgemeine Trendbias, sodass wir unsere vorläufigen Arbeiten genau darauf konzentriert haben. Die Ergebnisse waren durchwachsen. Einer der beiden gängigen Algorithmustypen scheint grundsätzliche Probleme zu haben, einen potentiellen Trendbias überhaupt zu entdecken, der andere liefert zufriedenstellende Ergebnisse, allerdings nur bei einer hohen Stationsdichte wie sie z.B. in den USA vorliegt. Da die Stationsdichte in weiten Teilen der Welt aber deutlich geringer ist, scheinen die gängigen Verfahren kaum in der Lage zu sein, einen durch Inhomogenitäten ausgelösten Trendbias zu korrigieren. Um den globalen Temperaturtrend zu berechnen, muss die Homogenisierung aber zumindest in großen Teilen der Welt funktionieren.Das beantragte Projekt gliedert sich in vier Arbeitspakete. In WP 1 untersuchen wir anhand zweier Prototypen die bisherigen Indizien, warum herkömmliche Homogenisierungsverfahren kaum in der Lage sind, einen möglichen Trendbias zu identifizieren. In WP 2 berechnen wir das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für unterschiedliche Weltregionen, das der Schlüsselparameter für die erreichbare Qualität der Ergebnisse ist. In WP 3 testen wir, ob die realen Pendants der Prototypen ähnliche Schwierigkeiten haben, den Trendbias zu bestimmen. In WP 4 stellen wir fünf alternative Lösungsansätze vor und bewerten ihre Fähigkeiten, die geschilderten Probleme zu überwinden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Privatdozentin Petra Friedrichs; Professor Dr. Andreas N. Hense; Professor Dr. Clemens Simmer