Die Arbeit befasst sich mit den durch Telekonnektionen etablierten Zusammenhängen zwischen der globalen troposphärischen Zirkulation der Atmosphäre und der sommerlichen Niederschlagsvariabilität im südhemisphärischen Afrika auf interannueller Zeitskala. Ziel der Arbeit ist die Erfassung maßgeblicher Telekonnektionen sowie deren Überprüfung hinsichtlich kausal nachvollziehbarer zirkulationsdynamischer Erklärungsmodelle, die - über formalstatistische Signifikanzkriterien hinausgehend - eine Beurteilung der Fernkopplungen in Hinblick auf ihre Bedeutung für den Niederschlag im südhemisphärischen Afrika gestattet. Die hierzu durchgeführten Arbeitsschritte umfassen im Wesentlichen: i.) hauptkomponentenbasierte Regionalisierung des Niederschlags im südhemisphärischen Afrika, ii.) Entwurf einer sog. multisaisonalen Analysemethode zur Ermittlung der intrasaisonalen Persistenz der Kopplungen, iii.) intensive Nutzung und Weiterentwicklung bivariater Techniken der Telekonnektionsanalyse, iv.) Anwendung und Ergebnisvergleich verschiedener multivariater Methoden (SFPCA, CCA, SVD), v.) Neuentwicklung einer dreistufigen Methodenkombination zur Extraktion sog. Hauptkopplungsmodi, vi.) zirkulationsdynamische Analyse der Hauptkopplungsmodi hinsichtlich plausibler Kopplungsmechanismen. Für acht Hauptkopplungsmodi konnten Erklärungsmodelle für den Transport von Anomaliesignalen zwischen den jeweils involvierten Telekonnektionszentren des globalen Druckfeldes und den korrelierten Niederschlagsschwankungen in den Regionen des südlichen Afrikas aufgezeigt werden, die sich sowohl hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Zentren als auch prozessual in vier Hauptgruppen zusammenfassen lassen: 1.) ENSO-Telekonnektionen: Das pazifische ENSO-System stellt sich als dominierender Modus hinsichtlich der Telekonnektionen des südhemisphärischen Niederschlags in Afrika dar. Während eine positive Abhängigkeit des frühsommerlichen Niederschlags in Ostafrika durch Variationen der tropischen Walkerzirkulation des Indischen Ozeans etabliert wird, werden die insgesamt stärksten Kopplungen im südwestlichen Kontinetalbereich im Spätsommer festgestellt. Als Kopplungsmechanismus wird hier eine höhenkonvergente Strömungskonfiguration über dem Südostatlantik und Südafrika erkannt, die über Anomalieimpulse der Walkerzirkulation des Atlantiks mit den pazifischen ENSO-Anomalien verknüpft ist. 2.) Wellendynamik der südhemisphärischen Westwinddrift: Zwei Hauptkopplungsmodi beschreiben die Einbindung der Höhentrogaktivität über dem südlichen Afrika in Telekonnektionsmuster der Südhemisphäre. Beide beeinflussen die Niederschlagsvariabilität im Süden Afrikas durch die Modifikation von Höhentroglagen über der Südostküste Südafrikas, die in ihrem westlichen Rückseitenbereich konvektionshemmend wirken und einen Impuls zu anomal trockenen Verhältnissen in den betroffenen Niederschlagsregionen ausüben. 3.) Auftrittshäufigkeit und Intensität tropischer Zyklonen im südwestlichen Indischen Ozean: Die auf saisonaler Zeitskala mit tropischen Zyklonen assoziierten großskaligen Zirkulationsanomalien überwiegen bzw. kompensieren Effekte der Niederschlagserhöhung durch Starkregenereignisse im südöstlichen Afrika. Sowohl eine Verlagerung des Hauptkonvektionsgebietes als auch die Auswirkungen auf die Luftmassenadvektion über dem Subkontinent verursachen tendenziell trockenere Verhältnisse in Regionen des südöstlichen und zentralen südhemisphärischen Afrikas bei verstärkter Zyklonalaktivität im Spätsommer. 4.) Telekonnektionen mit der Zirkulation der subtropischen und mittleren Breiten der Nordhemisphäre: Vier Hauptkopplungsmodi repräsentieren Zusammenhänge v.a. der frühsommerlichen Niederschlagsvariabilität in Ostafrika. Die Schlüsselrolle bei der prozessualen Verzahnung der außertropischen Zirkulation mit innertropischen Konvektionsanomalien nimmt die Höhenströmung im Bereich des Subtropenjetstreams über Südwestasien ein, welche mit der Variabilität der Meridionalströmung im hochtroposphärischen Strömungsast der Hadleyzelle über Nordostafrika verknüft ist. Diese wiederum ist mittels Horizontaldivergenzanomalien an die Konvektionstätigkeit über dem äquatornahen Ostafrika gekoppelt. ; Neben Telekonnektionen des südafrikanischen Niederschlags bezüglich der atmosphärischen Zirkulation wurden Zusammenhänge mit der Variabilität der Meeresoberflächentemperaturen untersucht. Bis auf das ENSO-System und den sog. Dipolmodus im Indischen Ozean, konnten keine weiteren bedeutenden, auf der interannuellen Zeitskala wirksamen ozeanischen Einflüsse auf die Atmosphäre festgestellt werden, die zur weiteren Erklärung von Niederschlagstelekonnektionen beitragen. Die Ergebnisse der Arbeit lassen den Einsatz der Methoden bei der Analyse zeitversetzter Telekonnektionen im Rahmen prognostischer Modellierung der telekonnektiv beeinflussten Niederschlagsvariabilität im südhemisphärischen Afrika als aussichtsreich erscheinen. / The study deals with relationships between the global tropospheric circulation and the summer rainfall in southern hemispheric Africa caused by teleconnections on interannual timescales. Objectives are the identification of important teleconnections as well as their examination concerning physically plausible explanations in order to confirm their relevance for rainfall variability in southern hemispheric Africa beyond pure formal statistics. The implemented procedures include essentially: i.) regionalisation of southern African rainfall based on principal component analysis, ii.) design of a so-called multi-seasonal analysis scheme in order to examine the intraseasonal persistence of teleconnections, iii.) extensive use and further development of bivariate methods for teleconnection analysis, iv.) application and comparison of various multivariate methods (SFPCA, CCA, SVD), v.) development of a novel three-stage combination of methods for extracting so-called comprehensive teleconnection modes, vi.) analysis of circulation dynamics of these modes in order to reveal decisive mechanisms responsible for these teleconnections. Eight comprehensive teleconnection modes allow to explain the transport of anomaly signals between remote teleconnection centers in the global pressure field and the related rainfall time series in southern Africa. Concerning dynamic processes as well as geographical locations of the involved remote centers they may be condensed to four principal types: 1.) ENSO teleconnections: the Pacific ENSO system is the leading mode of southern African rainfall teleconnections. While there is a positive correlation of early summer rainfall in eastern Africa caused by variations of the tropical Walker circulation over the Indian Ocean, the overall strongest (negative) linkage is found in the southeast of the subcontinent during the late summer season. The mechanism for this teleconnection is made up by high level convergence above the southeast Atlantic and South Africa being linked to the Pacific ENSO system by anomaly signals in the Atlantic Walker circulation cell. 2.) Wave dynamics of the southern hemisphere westerlies: two modes describe the integration of upper trough activity over southern Africa into teleconnection patterns of the southern hemisphere. Both of them show impacts on rainfall variability by means of modifications in the upper trough configuration, supressing convection on the western rear. 3.) Frequency and intensity of tropical cyclones and depressions in the southwestern Indian Ocean: the large-scale circulation anomalies associated with tropical cyclones on the seasonal time scale outbalance the short-term effects of intense rainfall in southeastern Africa. The dislocation of major convection centers, but also modified air mass advection due to enhanced cyclone activity induce tendentiously drier conditions in southeastern and central parts of southern hemispheric Africa. 4.) Teleconnections to the circulation of northern hemispheric mid- and high latitudes: four modes represent teleconnections of early summer rainfall variability in eastern Africa. The key role of the dynamic interlocking between extratropical circulation and tropical convection anomalies consists in high tropospheric flow anomalies in the vicinity of the subtropical jetstream above southwest Asia which is connected to the upper level branch of the Hadley cell in northeast Africa. This cell in turn is linked to convective activity over eastern Africa by upper level divergence anomalies. ; Furthermore, relations of southern African rainfall to the variability of sea surface temperatures have been examined. Apart from the dominant ENSO system and the so-called Indian Ocean Dipole mode, no further oceanic influences onto the atmosphere could be identified that contribute to the understanding of rainfall teleconnections on the interannual time scale. The results of this study are promising concerning applications of the methods with respect to time-lag teleconnections within the scope of seasonal forecast modelling of rainfall variability in southern hemispheric Africa.

Der rezente und zukünftige Anstieg der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration bedeutet für das terrestrische Klimasystem einen grundlegenden Wandel, der für die globale Gesellschaft schwer zu bewältigende Aufgaben und Herausforderungen bereit hält. Eine effektive, rühzeitige Anpassung an diesen Klimawandel profitiert dabei enorm von möglichst genauen Abschätzungen künftiger Klimaänderungen. Das geeignete Werkzeug hierfür sind Gekoppelte Atmosphäre Ozean Modelle (AOGCMs). Für solche Fragestellungen müssen allerdings weitreichende Annahmen über die zukünftigen klimarelevanten Randbedingungen getroffen werden. Individuelle Fehler dieser Klimamodelle, die aus der nicht perfekten Abbildung der realen Verhältnisse und Prozesse resultieren, erhöhen die Unsicherheit langfristiger Klimaprojektionen. So unterscheiden sich die Aussagen verschiedener AOGCMs im Hinblick auf den zukünftigen Klimawandel insbesondere bei regionaler Betrachtung, deutlich. Als Absicherung gegen Modellfehler werden üblicherweise die Ergebnisse mehrerer AOGCMs, eines Ensembles an Modellen, kombiniert. Um die Abschätzung des Klimawandels zu präzisieren, wird in der vorliegenden Arbeit der Versuch unternommen, eine Bewertung der Modellperformance der 24 AOGCMs, die an der dritten Phase des Vergleichsprojekts für gekoppelte Modelle (CMIP3) teilgenommen haben, zu erstellen. Auf dieser Basis wird dann eine nummerische Gewichtung für die Kombination des Ensembles erstellt. Zunächst werden die von den AOGCMs simulierten Klimatologien für einige grundlegende Klimaelemente mit den betreffenden klimatologien verschiedener Beobachtungsdatensätze quantitativ abgeglichen. Ein wichtiger methodischer Aspekt hierbei ist, dass auch die Unsicherheit der Beobachtungen, konkret Unterschiede zwischen verschiedenen Datensätzen, berücksichtigt werden. So zeigt sich, dass die Aussagen, die aus solchen Ansätzen resultieren, von zu vielen Unsicherheiten in den Referenzdaten beeinträchtigt werden, um generelle Aussagen zur Qualität von AOGCMs zu treffen. Die Nutzung der Köppen-Geiger Klassifikation offenbart jedoch, dass die prinzipielle Verteilung der bekannten Klimatypen im kompletten CMIP3 in vergleichbar guter Qualität reproduziert wird. Als Bewertungskriterium wird daher hier die Fähigkeit der AOGCMs die großskalige natürliche Klimavariabilität, konkret die hochkomplexe gekoppelte El Niño-Southern Oscillation (ENSO), realistisch abzubilden herangezogen. Es kann anhand verschiedener Aspekte des ENSO-Phänomens gezeigt werden, dass nicht alle AOGCMs hierzu mit gleicher Realitätsnähe in der Lage sind. Dies steht im Gegensatz zu den dominierenden Klimamoden der Außertropen, die modellübergreifend überzeugend repräsentiert werden. Die wichtigsten Moden werden, in globaler Betrachtung, in verschiedenen Beobachtungsdaten über einen neuen Ansatz identifiziert. So können für einige bekannte Zirkulationsmuster neue Indexdefinitionen gewonnen werden, die sich sowohl als äquivalent zu den Standardverfahren erweisen und im Vergleich zu diesen zudem eine deutliche Reduzierung des Rechenaufwandes bedeuten. Andere bekannte Moden werden dagegen als weniger bedeutsame, regionale Zirkulationsmuster eingestuft. Die hier vorgestellte Methode zur Beurteilung der Simulation von ENSO ist in guter Übereinstimmung mit anderen Ansätzen, ebenso die daraus folgende Bewertung der gesamten Performance der AOGCMs. Das Spektrum des Southern Oscillation-Index (SOI) stellt somit eine aussagekräftige Kenngröße der Modellqualität dar. Die Unterschiede in der Fähigkeit, das ENSO-System abzubilden, erweisen sich als signifikante Unsicherheitsquelle im Hinblick auf die zukünftige Entwicklung einiger fundamentaler und bedeutsamer Klimagrößen, konkret der globalen Mitteltemperatur, des SOIs selbst, sowie des indischen Monsuns. Ebenso zeigen sich signifikante Unterschiede für regionale Klimaänderungen zwischen zwei Teilensembles des CMIP3, die auf Grundlage der entwickelten Bewertungsfunktion eingeteilt werden. Jedoch sind diese Effekte im Allgemeinen nicht mit den Auswirkungen der anthropogenen Klimaänderungssignale im Multi-Modell Ensemble vergleichbar, die für die meisten Klimagrößen in einem robusten multivariaten Ansatz detektiert und quantifiziert werden können. Entsprechend sind die effektiven Klimaänderungen, die sich bei der Kombination aller Simulationen als grundlegende Aussage des CMIP3 unter den speziellen Randbedingungen ergeben nahezu unabhängig davon, ob alle Läufe mit dem gleichen Einfluss berücksichtigt werden, oder ob die erstellte nummerische Gewichtung verwendet wird. Als eine wesentliche Begründung hierfür kann die Spannbreite der Entwicklung des ENSO-Systems identifiziert werden. Dies bedeutet größere Schwankungen in den Ergebnissen der Modelle mit funktionierendem ENSO, was den Stellenwert der natürlichen Variabilität als Unsicherheitsquelle in Fragen des Klimawandels unterstreicht. Sowohl bei Betrachtung der Teilensembles als auch der Gewichtung wirken sich dadurch gegenläufige Trends im SOI ausgleichend auf die Entwicklung anderer Klimagrößen aus, was insbesondere bei letzterem Vorgehen signifikante mittlere Effekte des Ansatzes, verglichen mit der Verwendung des üblichen arithmetischen Multi-Modell Mittelwert, verhindert. / The recent and future increase in atmospheric greenhouse gases will cause fundamental change in the terrestrial climate system, which will lead to enormous tasks and challenges for the global society. Effective and early adaptation to this climate change will benefit hugley from optimal possible estimates of future climate change. Coupled atmosphere-ocean models (AOGCMs) are the appropriate tool for this. However, to tackle these questions, it is necessary to make far reaching assumptions about the future climate-relevant boundary conditions. Furthermore there are individual errors in each climate model. These originate from flaws in reproducing the real climate system and result in a further increase of uncertainty with regards to long-range climate projections. Hence, concering future climate change, there are pronounced differences between the results of different AOGCMs, especially under a regional point of view. It is the usual approach to use a number of AOGCMs and combine their results as a safety measure against the influence of such model errors. In this thesis, an attempt is made to develop a valuation scheme and based on that a weighting scheme, for AOGCMs in order to narrow the range of climate change projections. The 24 models that were included in the third phase of the coupled model intercomparsion project (CMIP3) are used for this purpose. First some fundamental climatologies simulated by the AOGCMs are quantitatively compared to a number of observational data. An important methodological aspect of this approach is to explicitly address the uncertainty associated with the observational data. It is revealed that statements concerning the quality of climate models based on such hindcastig approaches might be flawed due to uncertainties about observational data. However, the application of the Köppen-Geiger classification reveales that all considered AOGCMs are capable of reproducing the fundamental distribution of observed types of climate. Thus, to evaluate the models, their ability to reproduce large-scale climate variability is chosen as the criterion. The focus is on one highly complex feature, the coupled El Niño-Southern Oscillation. Addressing several aspects of this climate mode, it is demonstrated that there are AOGCMs that are less successful in doing so than others. In contrast, all models reproduce the most dominant extratropical climate modes in a satisfying manner. The decision which modes are the most important is made using a distinct approach considering several global sets of observational data. This way, it is possible to add new definitions for the time series of some well-known climate patterns, which proof to be equivalent to the standard definitions. Along with this, other popular modes are identified as less important regional patterns. The presented approach to assess the simulation of ENSO is in good agreement with other approaches, as well as the resulting rating of the overall model performance. The spectrum of the timeseries of the Southern Oscillation Index (SOI) can thus be regarded as a sound parameter of the quality of AOGCMs. Differences in the ability to simulate a realistic ENSO-system prove to be a significant source of uncertainty with respect to the future development of some fundamental and important climate parameters, namely the global near-surface air mean temperature, the SOI itself and the Indian monsoon. In addition, there are significant differences in the patterns of regional climate change as simulated by two ensembles, which are constituted according to the evaluation function previously developed. However, these effects are overall not comparable to the multi-model ensembles’ anthropogenic induced climate change signals which can be detected and quantified using a robust multi-variate approach. If all individual simulations following a specific emission scenario are combined, the resulting climate change signals can be thought of as the fundamental message of CMIP3. It appears to be quite a stable one, more or less unaffected by the use of the derived weighting scheme instead of the common approach to use equal weights for all simulations. It is reasoned that this originates mainly from the range of trends in the SOI. Apparently, the group of models that seems to have a realistic ENSO-system also shows greater variations in terms of effective climate change. This underlines the importance of natural climate variability as a major source of uncertainty concerning climate change. For the SOI there are negative Trends in the multi-model ensemble as well as positive ones. Overall, these trends tend to stabilize the development of other climate parameters when various AOGCMs are combined, whether the two distinguished parts of CMIP3 are analyzed or the weighting scheme is applied. Especially in case of the latter method, this prevents significant effects on the mean change compared to the arithmetic multi-model mean.

Die Residualzirkulation entspricht der mittleren Massenzirkulation und beschreibt die im zonalen Mittel stattfindenden meridionalen Transportprozesse. Die Variationen der Residualzirkulation bestimmen gemeinsam mit dem anthropogen verursachten Ozonabbau die jährlichen Schwankungen der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling. In der vorliegenden Arbeit wird die Geschwindigkeit des arktischen Astes der Residualzirkulation aus atmosphärischen Daten gewonnen. Zu diesem Zweck wird das diabatische Absinken im Polarwirbel mit Hilfe von Trajektorienrechnungen bestimmt. Die vertikalen Bewegungen der Luftpakete können mit vertikalen Windfeldern oder entsprechend einem neuen Ansatz mit diabatischen Heizraten angetrieben werden. Die Eingabedaten stammen aus dem 45 Jahre langen Reanalyse-Datensatz des "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF). Außerdem kann für die Jahre ab 1984 die operationelle ECMWF-Analyse verwendet werden. Die Qualität und Robustheit der Heizraten- und Trajektorienrechnungen werden durch Sensitivitätsstudien und Vergleiche mit anderen Modellen untermauert. Anschließend werden umfangreiche Trajektorienensemble statistisch ausgewertet, um ein detailliertes, zeit- und höhenaufgelöstes Bild des diabatischen Absinkens zu ermitteln. In diesem Zusammenhang werden zwei Methoden entwickelt, um das Absinken gemittelt im Polarwirbel oder als Funktion der äquivalenten Breite zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass es notwendig ist den Lagrangeschen auf Trajektorienrechnungen basierenden Ansatz zu verfolgen, da die einfachen Eulerschen Mittel Abweichungen zu den Lagrangeschen Vertikalgeschwindigkeiten aufweisen. Das wirbelgemittelte Absinken wird für einzelne Winter mit dem beobachteten Absinken langlebiger Spurengase und anderen Modellstudien verglichen. Der Vergleich zeigt, dass das Absinken basierend auf den vertikalen Windfeldern der ECMWF-Datensätze den Nettoluftmassentransport durch die Residualzirkulation sehr stark überschätzt. Der neue Ansatz basierend auf den Heizraten ergibt hingegen realistische Ergebnisse und wird aus diesem Grund für alle Rechnungen verwendet. Es wird erstmalig eine Klimatologie des diabatischen Absinkens über einen fast fünf Jahrzehnte umfassenden Zeitraum erstellt. Die Klimatologie beinhaltet das vertikal und zeitlich aufgelöste diabatische Absinken gemittelt über den gesamten Polarwirbel und Informationen über die räumliche Struktur des vertikalen Absinkens. Die natürliche Jahr-zu-Jahr Variabilität des diabatischen Absinkens ist sehr stark ausgeprägt. Es wird gezeigt, dass zwischen der ECMWF-Zeitreihe des diabatischen Absinkens und der Zeitreihe aus einem unabhängig analysierten Temperaturdatensatz hohe Korrelationen bestehen. Erstmals wird der Einfluss von Transportprozessen auf die Ozongesamtsäule im arktischen Frühling direkt quantifiziert. Es wird gezeigt, dass die Jahr-zu-Jahr Variabilität der Ozongesamtsäule im arktischen Frühling zu gleichen Anteilen durch die Variabilität der dynamischen Komponente und durch die Variabilität der chemischen Komponente beeinflusst wird. Die gefundenen Variabilitäten von diabatischem Absinken und Ozoneintrag in hohen Breiten werden mit der vertikalen Ausbreitung planetarer Wellen aus der Troposphäre in die Stratosphäre in Beziehung gesetzt. / Due to the variability of tropospheric wave activity, the strength of the residual circulation has a distinct seasonal cycle and significant year-to-year variability. The variability of the residual circulation causes interannual variations of the polar ozone layer in late winter and spring. A reverse domain filling trajectory model based on atmospheric data sets is used to calculate the strength and spatial structure of the polar branch of the residual circulation. The atmospheric data sets (ERA-40 and ECMWF Analysis) emerge from a combined analysis of Reanalysis data and a weather forecast model and are available for a time period of 47 years starting from September 1957. Two different approaches are used in the trajectory routine to calculate the vertical movement of air. The first approach is based on the vertical velocity given by "European Centre for Medium Range Weather Forecast" (ECMWF), a quantity that is derived from the divergence of the horizontal winds and that tends to be noisy. In the second approach a radiation transfer model is used to calculate the diabatic heating rates from the divergence of the net radiation flux. The derived descent from both methods is compared with measured tracer distributions from satellite data and Arctic field campaigns. The comparison shows that the second approach results in a much more realistic vertical transport. The method based on the diabatic heating rates is used to compile a climatology of the diabatic descent, averaged within the polar vortex for the Arctic winters 1957/58-2003/04. Furthermore, the climatology contains information regarding the spatial structure of the diabatic descent. The influence of the diabatic descent in the Arctic polar vortex on the total ozone column is calculated for the recent winters since 1990. It is shown that the interannual variability of the Arctic total ozone column is in equal shares caused by dynamical transport processes and by chemical ozone depletion.

Der Bericht informiert über die Erfassung und Abschätzung von atmosphärischen Bedingungen, die den Aufbau bzw. die Ausprägung von Trockenheit begünstigen. Mit der Erwärmung wird es zunehmend wichtiger, neben dem Niederschlag auch die Verdunstung zu berücksichtigen. Im Klimafolgen-Bereich sind die Aussagen als “atmosphärisches Trockenheitsrisiko” zu interpretieren. Das erarbeitete Konzept lässt sich auch mit Vorhersagen bzw. Projektionen umsetzen. Die Veröffentlichung richtet sich an die mit dem Thema befassten. Redaktionsschluss: 28.02.2020

In der vorliegenden Studie wurden auf der Basis langer mitteleuropäischer Zeitreihen der Temperatur und des Niederschlags sowie rekonstruierter monatlicher Bodenluftdruckfelder für den Bereich Nordatlantik-Europa Untersuchungen zur langperiodischen klimatischen und zirkulationsdynamischen Variabilität im Zeitraum 1780-1995 durchgeführt. Der im Rahmen dieser Arbeit betrachtete Zeitraum umfaßt damit neben dem 20. Jahrhundert, das durch eine zunehmende menschliche Einflußnahme auf das Globalklima gekennzeichnet ist, eine historische, bezüglich ihrer Klimacharakteristik anthropogen nahezu unbeeinflußte Periode. Vor dem Hintergrund der zeitlichen Limitierung bisheriger zirkulationsdynamischer und synoptisch-klimatologischer Forschungsarbeiten auf die letzten etwa 100 Jahre wurden folgende zentrale Zielsetzungen formuliert: - Erfassung und Darstellung der räumlich differenzierten, niederfrequenten thermischen und hygrischen Variabilität in Mitteleuropa seit 1780, auf einer möglichst umfassenden und hinsichtlich ihres klimatologischen Aussagewertes optimierten Datenbasis. - Untersuchung der korrespondierenden nordatlantisch-europäischen Zirkulationsveränderungen und ihrer Relevanz für die zeitlichen Variationen von Temperatur und Niederschlag in Mitteleuropa. - Analyse der zeitlichen Variabilität der Beziehungen zwischen großräumiger atmosphärischer Zirkulation und regionalem Klima auf multidekadischer Zeitskala. Ein erster wesentlicher Arbeitsschritt umfaßte die Überprüfung der Homogenität der verfügbaren - im Rahmen der Arbeit teilweise wesentlich erweiterten - mitteleuropäischen Temperatur- und Niederschlagszeitreihen (72 bzw. 62 Stationsreihen) mittels verschiedener absoluter und relativer Homogenitätstests. Für einen beträchtlichen Teil der Zeitreihen wurden signifikante Inhomogenitäten diagnostiziert, die unter Verwendung homogener Referenzreihen homogenisiert werden konnten. Um die angestrebte räumlich differenzierte Analyse der klimatischen Veränderungen seit 1780 zu ermöglichen, erfolgten - basierend auf nichthierarchischen Clusteranalysen der Matrizen der paarweisen Korrelationen zwischen allen Temperatur- bzw. Niederschlagsreihen - objektive Regionalisierungen von Temperatur und Niederschlag. Für die resultierenden acht thermischen und neun hygrischen Regionen Mitteleuropas wurden regionale Temperatur- und Niederschlagsreihen berechnet, die bezüglich ihrer langperiodischen Variabilität analysiert wurden. Im Vordergrund standen dabei die Ermittlung der zeitlichen Abfolge thermischer bzw. hygrischer Anomaliephasen seit 1780 sowie der klimatische Vergleich der sog. frühinstrumentellen Periode (1780-1860) mit einer modernen Referenzperiode (1915-1995). Als wesentliches Ergebnis konnte eine gegenüber dem Zeitraum 1780-1860 verminderte kontinentale Prägung des mitteleuropäischen Klimas - mit wärmeren, feuchteren Wintern und kühleren Sommern - in diesem Jahrhundert (1915-1995) festgestellt werden. Als Grundlage für die Analyse der korrespondierenden zirkulationsdynamischen Variabilität wurde eine automatische - hauptkomponenten- und clusteranalytische - Klassifikation rekonstruierter monatlicher nordatlantisch-europäischer Bodenluftdruckfelder erarbeitet. Ein zweiter automatischer Klassifikationsalgorithmus wurde in Anlehnung an die Großwettertypenklassifikation nach Hess/Brezowski unter besonderer Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse über Europa entwickelt. Die aus den Klassifikationsverfahren resultierenden Druckmusterklassen repräsentieren wesentliche Zustandsformen der atmosphärischen Zirkulation im nordatlantisch-europäischen Bereich. Basierend auf der Untersuchung der zeitlichen Veränderungen der Auftrittshäufigkeiten der verschiedenen Druckmusterklassen konnten die folgenden wesentlichen Aussagen zur zirkulationsdynamischen Variabilität seit 1780 formuliert werden: - Die zeitliche Entwicklung der Auftrittshäufigkeiten der einzelnen Zirkulationstypen und der daraus aggregierten Zirkulationsformen - zonal, gemischt, meridional - zeigt keine deutlichen langzeitlichen Trends, sondern ist von Schwankungen unterschiedlicher Periodenlänge und Amplitude gekennzeichnet. - Einige rezent zu beobachtende Veränderungstendenzen (beispielsweise die Zunahme der winterlichen Zonalzirkulation seit den 1970er Jahren) erscheinen bei Betrachtung des 216-jährigen Gesamtzeitraums als nicht außergewöhnliche Ereignisse im Rahmen langperiodischer (dekadischer bis säkularer) zirkulationsdynamischer Variabilität. Aus dem direkten zirkulationsdynamischen Vergleich der beiden Zeiträume 1780-1860 und 1915-1995 ergeben sich folgende saisonal differenzierte Unterschiede: - In den Wintermonaten Dezember und Januar sind in diesem Jahrhundert deutlich größere Auftrittshäufigkeiten von Zirkulationstypen mit südwestlicher bis nordwestlicher Richtungsorientierung des Isobarenverlaufs bei gleichzeitig reduzierten Häufigkeiten winterkalter meridionaler Druckmuster festzustellen. Zeitliche Veränderungen umgekehrten Vorzeichens manifestieren sich hingegen im Februar. - Bei intrasaisonal variierenden Befunden im Frühjahr überwiegt bei saisonaler Betrachtung eine Zunahme meridionaler Strömungskonfigurationen auf Kosten der zonalen und vor allem der gemischten Zirkulationsform. - Im Sommer dominiert eine Abnahme der zonalen Zirkulationsform zugunsten meridionaler Zirkulationstypen, die eine Anströmung aus dem nördlichen Richtungssektor implizieren. - Für die Herbstmonate September mit November ergeben sich in diesem Jahrhundert vor allem gesteigerte Häufigkeiten von Strömungskonfigurationen, die die Heranführung von Luftmassen aus westlichen bis nordwestlichen Richtungen bedingen. - Eine möglicherweise grundlegende Modifikation der nordatlantisch-europäischen Zirkulation in diesem Jahrhundert deutet sich bezüglich des häufigeren Wechsels zwischen stark zonal bzw. meridional geprägten Phasen - vor allem im Winter - an. Mittels eines einfachen empirischen Modellansatzes wurde anschließend analysiert, inwieweit sich die diagnostizierten klimatischen Unterschiede zwischen den beiden Zeiträumen 1780-1860 und 1915-1995 aus den festgestellten zeitlichen Veränderungen der Zirkulationsstrukturen ergeben. Es wurde deutlich, daß nur ein Teil der Temperatur- und Niederschlagsveränderungen zwischen historischem Zeitraum und diesem Jahrhundert durch differierende Auftrittshäufigkeiten witterungsklimatisch homogener Zirkulationstypen erklärt werden kann. Ein beträchtlicher Anteil der klimatischen Unterschiedlichkeiten der beiden Vergleichszeiträume ist offensichtlich auf zeitlich variierende Witterungscharakteristika der einzelnen Strömungskonfigurationen („within-type changes“ - zirkulationstypinterne Veränderungen) zurückzuführen. Das Ausmaß der typinternen klimatischen Modifikationen konnte durch die Berechnung der in den beiden Vergleichszeiträumen ausgebildeten typspezifischen mittleren Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse quantifiziert werden. Die Fraktionierung der zirkulationstypspezifischen Temperatur- bzw. Niederschlagsänderungsbeträge in einen durch variierende Auftrittshäufigkeiten bedingten sowie einen auf typinterne Veränderungen zurückzuführenden Anteil belegt, daß in allen Jahreszeiten internen klimatischen Modifikationen der Zirkulationstypen mit südwestlicher bis nordwestlicher Isobarenverlaufsrichtung eine gewichtige Rolle bei der Generierung zeitlicher Unterschiede der mitteleuropäischen Temperatur- und Niederschlagscharakteristik zukommt. Als Ursache der zirkulationstypinternen Veränderungen konnten zum einen unterschiedliche Ausgestaltungen der typspezifischen Druckmuster im historischen und im rezenten Zeitraum identifiziert werden (beispielsweise zeitlich variierende Druckgradienten bei generell übereinstimmenden Strömungskonfigurationen), zum anderen deuten sich auf der täglichen Zeitskala Veränderungen der Persistenzen einzelner Zirkulationstypen an. Diese zirkulationsdynamischen Modifikationen stellen aber nicht in allen Fällen einen hinreichenden Erklärungsansatz für die diagnostizierten „within-type changes“ dar, so daß zusätzlich andere verursachende Faktorenkomplexe in Betracht gezogen werden müssen (beispielsweise modifizierte thermische und hygrische Luftmasseneigenschaften aufgrund veränderter Energieflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre). Mit Blick auf diese Resultate wurden die Beziehungen zwischen großräumiger Zirkulation und regionalem bodennahem Klima mittels kanonischer Korrelationsanalysen monatlicher Bodenluftdruckfelder und regionaler mitteleuropäischer Temperatur- und Niederschlagszeitreihen detaillierter hinsichtlich ihrer zeitlichen Variabilität untersucht. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: - In allen Jahreszeiten zeigen sich im Zeitraum 1780-1995 ausgeprägte zeitliche Schwankungen des statistisch beschreibbaren Zusammenhangs zwischen großräumiger atmosphärischer Zirkulation und regionalem Klima (Temperatur und Niederschlag in Mitteleuropa). - Ein Vergleich der beiden Perioden 1780-1860 und 1915-1995 hinsichtlich der Kopplungsmechanismen zwischen Bodenluftdruckverteilung und Klima ergibt teilweise hochsignifikante Unterschiede. - Die Modellierung von Temperatur und Niederschlag in Mitteleuropa aus monatlichen Druckfeldern jeweils einem der Zeitabschnitte 1780-1860 und 1915-1995 unter Verwendung der im jeweils anderen Zeitraum etablierten statistischen Zusammenhänge erbringt nur in einem Fall (Januartemperaturen) befriedigende Übereinstimmungen zwischen den modellierten und beobachteten Klimaverhältnissen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungsergebnisse lassen die Schlußfolgerung zu, daß sich die im 20. Jahrhundert zu verzeichnenden Zirkulationsveränderungen im nordatlantisch-europäischen Sektor bislang noch in das Spektrum natürlicher zirkulationsdynamischer Variabilität einfügen. Diese Aussage stellt aber weder die wahrscheinliche Mitwirkung des anthropogen verstärkten Treibhauseffekts an den in diesem Jahrhundert beobachteten Zirkulationsdynamischen Entwicklungen im euro-atlantischen Bereich in Frage, noch kann sie als Argument für die Aufschiebung notwendiger klimapolitischer Entscheidungen oder für die verzögerte Entwicklung und Umsetzung von Handlungsstrategien zur wirksamen Reduzierung klimawirksamer Treibhausgasemissionen aufgefaßt werden.