Das Jahr 1816 ist in die Klimatologie als das "Jahr ohne Sommer" eingegangen. Der 1815 erfolgte Ausbruch des Vulkans Tambora auf der indonesischen Insel Sumbawa führte im darauffolgenden Jahr in vielen Teilen der Welt zu katastrophalen Missernten. Während in Nordamerika daran besonders die außerordentlich tiefen Sommertemperaturen Schuld waren, scheinen in Europa dafür sowohl die unter dem Durchschnitt liegenden Temperaturen wie auch die überdurchschnittlichen Regenmengen verantwortlich zu sein. Zeitgenössische Berichte wie auch Niederschlags- und Pegelaufzeichnungen aus verschiedenen Teilen Europas belegen eine besonders hohe Niederschlagstätigkeit im "Erntemonat" Juli des Jahres 1816 und eine hohe Wasserführung der großen europäischen Ströme in den Jahren 1816 und 1817. / The year 1816 is known in climatology as the "Year without Summer". The eruption of the Tambora volcano on the Indonesian island Sumbawa in 1815 led to catastrophic crop failures over many parts of the world in the following year. Whereas in North America those failures originated from extraordinarily low summer temperatures, causes in Europe seem to have been below-normal temperatures as well as above-normal rainfall. Contemporary reports and also precipitation and river gauge measurements from different parts of Europe document enhanced precipitation in July 1816 ("Erntemonat") and high discharges of large European rivers in years 1816 and 1817.

In dieser Arbeit wird über Klimamessungen berichtet, die beide Autoren in den achtziger Jahren im Raum Leipzig durchgeführt haben. Damit wird ein erster Versuch der Darstellung stadtklimatologischer Differenzierungen in Leipzig unternommen. Anhand der mittleren Lufttemperaturen läßt sich die städtische Wärmeinsel nachweisen. Darüber hinaus wird eine kleinräurnige Niederschlagsverteilung von Leipzig angegeben.

The uncertainty of predicted fluxes, variables of state, cloud- and precipitation formation to the choice of plant- and soil parameters, soil type, subgrid-scale heterogeneity and inhomogeneity is examined by results of simulations wherein one parameter is alternatively changed for all grid cells of the domain within its natural range of variability. A higher sensitivity of evapotranspiration to evaporative conductivity, roughness length, and subgridscale heterogeneity or inhomogeneity is found than for the other parameters examined. Except for wind velocity, the quantities of liquid and solid water substances the uncertainty is lower at night and early afternoon than at other times. Therefore, evaluation of meteorological models should be performed at those times of the day when the uncertainty in model results caused by the choice of plant and soil parameters is at a minimum. Furthermore, domainspecific parameters should be used when ever available. / Die Unsicherheit in simulierten Flüssen, Zustandsgrößen, Wolken- und Niederschlagsbildung durch die Wahl der Pflanzen- und Bodenparameter, Bodentypen, subskaligen Heterogenität und Inhomogenität wird mit Hilfe von Ergebnissen aus Simulationen untersucht, in denen alternativ für alle Gitterzellen ein Parameter im Rahmen seiner natürlichen Variabilität verändert wird. So besteht eine höhere Sensitivität der Evapotranspiration zur Verdunstungsleitfähigkeit, Rauhigkeitslänge und subskaligen Heterogenität oder Inhomogenität als zu den anderen untersuchten Größen. Windgeschwindigkeit, die Menge an flüssigen und festen Wassersubstanzen ausgenommen, ist die Unsicherheit nachts und am frühen Nachmittag geringer als zur übrigen Zeit. Deshalb sollten Modellevaluationen möglichst zum Zeitpunkt geringer Unsicherheit durchgeführt werden. Darüber hinaus sollten, wenn möglich, gebietsspezifische Parameter verwendet werden.

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.

The Mediterranean area reveals a strong vulnerability to future climate change due to a high exposure to projected impacts and a low capacity for adaptation highlighting the need for robust regional or local climate change projections, especially for extreme events strongly affecting the Mediterranean environment. The prevailing study investigates two major topics of the Mediterranean climate variability: the analysis of dynamical downscaling of present-day and future temperature and precipitation means and extremes from global to regional scale and the comprehensive investigation of temperature and rainfall extremes including the estimation of uncertainties and the comparison of different statistical methods for precipitation extremes. For these investigations, several observational datasets of CRU, E-OBS and original stations are used as well as ensemble simulations of the regional climate model REMO driven by the coupled global general circulation model ECHAM5/MPI-OM and applying future greenhouse gas (GHG) emission and land degradation scenarios. / Der Mittelmeerraum weist eine starke Vulnerabilität gegenüber dem zukünftigen Klimawandel auf, da für diese Region starke klimatische Auswirkungen vorhergesagt werden, aber nur eine geringe Anpassungsfähigkeit besteht. Daher werden präzise Vorhersagen des regionalen oder lokalen Klimawandels benötigt, v.a. für Extremereignisse, welche den Mittelmeer-Lebensraum stark beeinträchtigen. Die vorliegende Studie untersucht zwei Hauptaspekte der Klimavariabilität im Mittelmeerraum: Zum Einen wird das dynamische Downscaling gegenwärtiger und zukünftiger Mittelwerte und Extremereignisse von Temperatur und Niederschlag von der globalen zur regionalen Skala analysiert. Zum Anderen wird eine umfassende Untersuchung von Temperatur- und Niederschlagsextremen samt Unsicherheitsabschätzung und Vergleich unterschiedlicher statistischer Methoden zur Bestimmung von Niederschlagsextremen durchgeführt. Für diese Untersuchungen stehen verschiedene Beobachtungsdaten von CRU, E-OBS und Messstationen sowie Ensemble-Simulationen des regionalen Klimamodells REMO zur Verfügung, das vom gekoppelten globalen “General Circulation Model” ECHAM5/MPI-OM angetrieben wird und zukünftige Treibhausgasemissions- und Landnutzungsänderungs-Szenarien verwendet.

Diese Dissertation präsentiert Ergebnisse regionaler Niederschlagsabschätzungen für Namibia bei anthropogen verstärktem Treibhauseffekt, die mit der Methode des Statistischen Downscaling erzielt wurden. Über statistische Transferfunktionen werden Beziehungen zwischen großskaliger atmosphärischer Zirkulation und Namibischen Sommerregen aufgestellt. Dazu werden in einer 30-jährigen Kalibrierungsperiode Hauptkomponenten von Geopotentiellen Höhen verschiedener atmosphärischer Niveaus (300, 500, 1000hPa) mit den Niederschlagsmonatssummen (November bis März) von 84 Namibischen Stationen durch multiple Regressionsanalysen verknüpft, die für jede Station oder alternativ für Gitternetzniederschlagsdaten berechnet werden. Nach der Verifikation der statistischen Zusammenhänge in einem unabhängigen Zeitraum werden Regressionsmodelle jener Stationen bzw. Gitterpunkte selektiert, die mit signifikanten Korrelationen von r>0.4 zwischen beobachteten und modellierten Werten ausreichende Qualität garantieren. Diese Modelle werden eingesetzt, um unter Verwendung simulierter ECHAM3-T42 und ECHAM4tr-T42 Geopotentialdaten den lokalen Niederschlag für die jeweiligen Treibhauseffekt-Szenarien abzuschätzen. Als zusätzliche Methode, um die großskalige atmosphärische Zirkulation mit lokalen Stationsdaten zu verknüpfen, werden kanonische Korrelationsanalysen durchgeführt. Unabhängig von der Verfahrensweise resultieren für Klimabedingungen dreifacher bzw. transient ansteigender CO2-Konzentrationen im Vergleich zu einem Referenzzeitraum (1961-90) zunehmende Niederschläge in den nördlichen und östlichen Teilen Namibias von Dezember bis Februar. In den südlichen und südwestlichen Regionen sind von November bis Januar geringe Abnahmen zu verzeichnen. Die Abschätzungen für März zeigen einen deutlichen Rückgang der Niederschläge in ganz Namibia. Diese Ergebnisse weisen auf eine intensivierte, akzentuiertere Regenzeit hin, auch wenn die Gesamtmenge der Niederschläge unter Bedingungen des anthropogen verstärkten Treibhauseffekts mehr oder weniger gleich bleibt. Daher ist es von besonderer Bedeutung, die Abschätzungen der Niederschlagsänderungen auf monatlicher Ebene durchzuführen. Weitere Untersuchungen beinhalten die Trennung thermischer und dynamischer Effekte in den zur Abschätzung herangezogenen ECHAM3 und ECHAM4 Zirkulationsdaten. Durch die globale Erwärmung kommt es zu einer Anhebung der Geopotentiellen Höhen der Treibhauseffekt-Szenarien. Durch die Korrektur des Uplifting-Prozesses werden dynamisch induzierte Auswirkungen auf das Niederschlagsgeschehen erfasst. Áus der Verwendung uplifting-korrigierter Geopotentialdaten als Prädiktoren in der Downscaling-Prozedur resultieren sowohl im positiven als auch negativen Bereich geringere Änderungsraten in den Abschätzungsergebnissen. Ohne Zweifel reagiert das Klimasystem auf den anthropogen verstärkten Treibhauseffekt. In Bezug auf zukünftige Namibische Sommerregen ist es von besonderer Bedeutung die Auswirkungen des Treibhauseffekts regional und temporal zu differenzieren. / This thesis presents results of regional rainfall assessments in Namibia, under conditions of man-made enhanced greenhouse warming. The results are obtained by statistical downscaling procedures. Relations between large-scale atmospheric circulation and Namibian summer rainfall are established by statistical transfer functions. For this purpose, principle components of geopotential heights of different atmospheric levels (300, 500, 1000hPa) and monthly rainfall data of 84 Namibian stations are linked by stepwise multiple regression analyses for every station, or alternatively for gridded rainfall data. The analyses were done on a monthly basis (November – March) during a 30-year calibration period. After verifying these statistical relations in an independent period, stations, or grids, with regression models of sufficient quality (significant correlation r>0.4 between observed and modeled data) are selected and used to assess local rainfall for greenhouse gas-scenarios from simulated ECHAM3-T42 and ECHAM4tr-T42 geopotential height data. As additional method to connect large scale circulation features with local station rainfall data, canonical correlation analyses are applied. Independent of the procedure, results for climate conditions of threefold respectively transient increase in CO2-concentrations, compared to a reference period (1961-90), show an increase of rainfall in northern and eastern parts of Namibia for December to February. Slight decreases in southern and southwestern regions from November to January are seen. Assessments for March indicate a distinct decrease over the whole country. These findings point to an intensified, more accentuated rainy season, however, the amount of rainfall remains more or less the same under conditions of enhanced greenhouse warming. Therefore it is of special importance to assess rainfall changes on a monthly basis. Further investigations consist of the separation of thermal and dynamical effects in ECHAM3 and ECHAM4 circulation data. Global warming produces a thermal uplifting of the geopotential heights used in climate change scenarios. By correction of this uplifting process, dynamical induced effects of rainfall events are captured. The use of uplifting corrected geopotential heights as predictors in the downscaling procedure in general leads to smaller changes of rainfall in the assessment results, both in positive and negative range. There is no doubt that the climate system reacts to man-made enhanced greenhouse warming. With regard to future Namibian summer rainfall, it is important to differentiate the effects of greenhouse warming on a regional and temporal scale.

Thesis (Diplomarbeit)--Georg-August Universität Göttingen, 2006.

Universiẗat, Diss., 2003--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Universiẗat, Diss., 2005--München.

Orographically enhanced precipitation played a major role in the flooding event in August 2002 in the Eastern Erzgebirge mountains. Both global and mesoscale models underestimated local intensities even with the correct position of the associated large-scale front. The limited area model LM of the DWD has been used in a sensitivity study of orographic precipitation involving an idealized bell-shaped orography. The dependence of precipitation on different determining parameters is investigated, with special emphasis on layer stability and wind structure. With the operational horizontal grid spacing of about 7 km, the LM simulations reproduce common distributions of vertical velocity and precipitation for uniformly stratified flows of varying stability. Highest rates are computed for stratiform cases with decreasing stability at higher levels and for convective environments. Both situations differ from the wave-like appearance of the uniformly stratified flows. Several vertical profiles of horizontal wind velocity structure are found to significantly influence magnitude and vertical decay of upward motion. Simplified profiles of the Eastern Erzgebirge mountain range and atmospheric conditions comparable to that of the flooding event are introduced to estimate the orographically-induced precipitation in a homogeneous flow. These numerical simulations are compared with values computed by the diagnostic maximum precipitation model MAXRR. Due to the relatively coarse grid in LM, small-scale differences through enhanced orographic lift cannot be resolved. Nevertheless, the amounts observed in this flooding case are reproduced with the high-resolution diagnostic model. / Orografisch verstärkter Niederschlag im Bereich des Osterzgebirges spielte eine große Rolle bei der Entstehung des Elbehochwassers im August 2002. Sowohl globale als auch mesoskalige Vorhersagemodelle unterschätzten die lokalen Niederschlagsintensitäten trotz richtiger Positionierung des synoptisch-skaligen Frontenzuges. Zur Untersuchung der Gründe wurde das Lokalmodell des DWD für eine Sensitivitätsstudie bezüglich orografisch beeinflussten Niederschlags im Bereich eines idealisierten Glockenberges verwendet. Die Abhängigkeit des Niederschlags von verschiedenen Kontrollparametern wurde untersucht, mit besonderer Beachtung von Schichtungsstabilität und Horizontalwindstruktur. Bei Verwendung der operationellen Gitterweite von 7 km reproduzieren die Simulationen mit dem LM die bekannten Verteilungen von Vertikalwind und Niederschlag für unterschiedliche Schichtungen mit höhenkonstanten Temperaturgradienten. Die höchsten Niederschlagsraten ergeben sich jedoch für stratiforme Aufgleitprozesse im Fall von abnehmender Stabilität in mittleren und hohen Bereichen der Troposphäre sowie für konvektive Umgebungen, in beiden Fällen mit signifikanter Änderung des Vertikalwindfeldes verglichen mit der zuvor erwähnten Strömung. Der Einfluss des Vertikalprofils des horizontalen Windes auf Stärke und vertikale Abschwächung der Aufwärtsbewegung muss beachtet werden. Schließlich wurden die Sensitivitätsstudien ausgedehnt auf ein vereinfachtes Höhenprofil des Osterzgebirges. Als Ausgangssituation wurden dabei die atmosphärischen Bedingungen verwendet, die mit denen des Hochwasserereignisses vergleichbar sind. Diese numerischen Simulationen wurden mit Werten des einfachen diagnostischen Maximalniederschlagsmodells MAXRR verglichen. Entsprechend der relativ groben Gitterweite des LM können kleinräumige Unterschiede durch verstärkte orografische Hebung nicht wider gegeben werden, wogegen die beobachteten Niederschlagsmengen des Hochwasserereignisses mithilfe des hoch aufgelösten diagnostischen Modells erreicht werden.