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Homogenisierung von Messreihen – eine Voraussetzung für die Klimabeobachtung
Die über 150-jährigen instrumentellen Messreihen von MeteoSchweiz bilden die Grundlage der Klimabeobachtung in der Schweiz. Im Laufe der Jahrzehnte mussten Messstationen verschoben werden und die Messtechnik hat sich verändert. Beides kann die Vergleichbarkeit von alten und neuen Messungen beeinträchtigen und muss korrigiert werden. Nur so sind fundierte Aussagen zum Klimawandel möglich. Kritiker werfen MeteoSchweiz im Zusammenhang mit langjährigen Temperaurmessreihen Datenmanipulation vor. Diese Kritik ist unbegründet.
Als der später weltberühmte Schweizer Physiker und Meteorologe Heinrich Wild um 1857 die Leitung der Sternwarte in Bern übernahm, war das Quecksilberthermometer zur Messung der Lufttemperatur bereits seit mehr als 100 Jahren erfunden. Allerdings fehlten einheitliche Normen zur Aufstellung dieses Messgeräts und Heinrich Wild installierte sein Thermometer in einer hölzernen Wetterhütte vor einem nach Norden gerichteten Fenster. Dort war die Hütte weitgehend vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt und konnte vom Fenster aus problemlos erreicht werden. Dieser Standort blieb auch nach dem Abriss der alten Sternwarte im Jahre 1876 am Neubau in ähnlicher Lage in Betrieb. Heinrich Wild, in der Zwischenzeit zum Direktor des Physikalischen Zentralobservatoriums von St. Petersburg berufen, hatte sich weiterhin mit der sinnvollen Aufstellung von meteorologischen Messgeräten beschäftigt und im Jahr 1898 kam in Bern eine neuartige, nach seinen Plänen erstellte, freistehende Wetterhütte aus Metall im Garten des Observatoriums zum Einsatz, die fast 60 Jahre in Betrieb bleiben sollte. Im Jahr 1957 setzte sich allerdings die Überzeugung durch ,doch auf die im Messnetz der Meteorologischen Zentralanstalt weit verbreitete Englische Hütte aus Holz umzusteigen, in der die Messungen bis Ende 1977 an leicht wechselnden Standorten anschliessend durchgeführt wurden.
Im Jahr 1978 begann MeteoSchweiz, die ersten ihrer Messstationen zu automatisieren. Die Technik war soweit fortgeschritten, dass Messwerte mit automatischen Geräten alle 10 Minuten anstatt nur 3 Mal pro Tag registriert werden konnten, was ganz neue Möglichkeiten in der Datenanalyse ermöglichte. Am alten Standort auf der Grossen Schanze fehlte jedoch der Platz zur Installation einer automatische Messstation und so kam es, dass die meteorologischen Messungen nach über 100 Jahren zur rund 3 km nordwestlich gelegenen landwirtschaftlichen Versuchsanstalt in Bern-Liebefeld verlegt werden mussten. Fast 30 Jahre lang bot die für Feldversuche genutzte freie Fläche dort gute Voraussetzungen für meteorologische Messungen in Stadtnähe. Mit Aufgabe der Feldversuche wurde das Areal in den 2000er Jahren allerdings für eine Überbauung freigegeben und es gelang MeteoSchweiz trotz längerer Suche nicht, einen neuen, langjährig gesicherten Standort auf Stadtgebiet zu finden. Im Jahr 2006 wurde deshalb als Ersatz die Nachfolgestation auf dem Gebiet der Landwirtschaftlichen Schule Rütti in Zollikofen in Betrieb genommen.
Bewegte Stationsgeschichte mit Folgen
Die im wahrsten Sinne des Wortes "bewegte" Geschichte der Messstation Bern/Zollikofen steht exemplarisch für viele Stationsgeschichten im Messnetz der MeteoSchweiz, wenn auch grosse Verschiebungen, wie diejenige von Bern-Liebefeld nach Zollikofen, die Ausnahme sind. Unberührt von Veränderungen jeglicher Art blieb jedoch kein Messstandort und es wird klar, dass diese Veränderungen auch Auswirkungen auf die Vergleichbarkeit von Messungen haben können. Auswirkungen, die unter Umständen die Aussagekraft einer langen Messreihe bezüglich Klimaentwicklung beeinträchtigen. Man stelle sich eine Veränderung in der Höhe über Meer einer Station vor, die natürlich Auswirkungen auf den Luftdruck oder die Temperatur hat, ohne dass sich am Klima etwas verändert hätte. Oder man führe sich die technische Entwicklung am Beispiel der Station Bern nochmals vor Augen, die kaum spurlos an der Vergleichbarkeit dieser Messungen vorbei gegangen sein kann. Um Aussagen zur Entwicklung einer Messung über den gesamten Messzeitraum machen zu können, ist es deshalb unbedingt nötig, die Auswirkungen der Stationsgeschichte auf die Messungen genau zu studieren und allenfalls zu korrigieren. Diese Arbeit wird in der Klimatologie als Homogenisierung einer Messreihe bezeichnet und von MeteoSchweiz seit 20 Jahren systematisch durchgeführt (e.g. Begert et al, 2003). Ohne Homogenisierung lässt sich keine gesicherte Aussage zur Klimaentwicklung aus langjährigen Messreihen ableiten.
Methoden zur Homogenisierung von Messreihen
Es stehen verschiedene Methoden zur Homogenisierung von Messreihen zur Verfügung. Einerseits war das Problem veränderter Messbedingungen natürlich schon früh bekannt und man bemühte sich, bei Veränderungen wenn möglich gleichzeitig Messungen unter den alten und den neuen Bedingungen (Parallelmessungen) vorzunehmen. Mit dieser Methode konnten zum Beispiel die Unterschiede zwischen der metallenen Wild'schen Hütte, der hölzernen Englischen Hütte und den automatischen Messungen der heutigen Zeit gründlich studiert werden (e.g. Müller, 1984). Und es liessen sich auch Unterschiede zwischen verschiedenen Standorten quantifizieren, wie sie z.B. in Bern zwischen der Grossen Schanze und dem Liebefeld bestehen.
Abgesehen von Parallelmessungen können Messreihen aber auch im Vergleich mit denjenigen von Nachbarstationen betrachten werden. Das Messnetz in der Schweiz ist so dicht, dass an benachbarten Standorten insbesondere im Monats- oder Jahresmittel häufig sehr ähnliche Bedingungen herrschen. Ein warmer Monat in Bern war auch warm in Neuchâtel und im Seegfrörni Winter 1962/1963 war nicht nur der Zürichsee gefroren. Es stehen statistische Methoden zur Verfügung, um solche Nachbarstationen miteinander zu vergleichen und um entscheiden zu können, in welcher Messreihe allenfalls eine Veränderung vorliegt, die keinen natürlichen Ursprung hat. Die Methoden erlauben es auch, Korrekturen für diese Veränderungen zu bestimmen. Korrekturen, die wichtig sind, um die Folgen veränderter Messbedingungen nicht als Klimaveränderung zu interpretieren. Im Fachbericht Nr. 67 der MeteoSchweiz (Begert et al., 2003) sind die verwendeten Methoden detailliert beschrieben.
Keine Datenmanipulation sondern eine Notwendigkeit
Im Fall der Temperatur führt die Homogenisierung bei vielen Messreihen von MeteoSchweiz dazu, dass sich die Zunahme der Temperatur über die Jahrzehnte im Vergleich zu den originalen Datenreihen verstärkt. Zusätzlich liegt die Automatisierung als häufige Inhomogenität zeitlich nahe bei einem sprunghaften Anstieg der Temperatur in der Schweiz Ende der 1980er Jahre. Dies wirft die Fragen auf, ob es tatsächlich gerechtfertigt ist, die gemessene Erwärmung durch Korrekturen zu verstärken und ob der sprunghafte Anstieg nicht eine Folge der Homogenisierung sein könnte? Die Befürchtungen sind unbegründet.
Wichtige Gründe für die mehrheitlich negativen Korrekturen bei historischen Temperaturmesswerten sind die im Laufe der Messgeschichte gewachsenen Erkenntnisse um gute Messbedingungen, mit denen sich Heinrich Wild Zeit seines Lebens beschäftigt hat, sowie der technische Fortschritt weg von der Wetterhütte hin zu ventilierten Thermometern. Beides hat dazu geführt, dass die Messungen immer besser vom Einfluss der Sonneneinstrahlung geschützt bzw. "befreit" werden konnten. Die Automatisierung leistete in diesem Zusammenhang einen zusätzlichen Beitrag, weil es möglich wurde, die Instrumente weiter weg von störender Infrastruktur wie z.B. Gebäuden zu platzieren. Im Messnetz von MeteoSchweiz wurden zudem die städtischen Stationen im Laufe der Zeit oft von den Zentren an die Peripherie verlegt, um den Einfluss der Verstädterung zu minimieren. Heutige Messungen sind also häufig im Mittel leicht kühler als historische Messwerte der gleichen Station, weil sich die Messbedingungen im Laufe der Zeit dahingehend verändert haben. Sollen die historischen Messwerte nun vergleichbar sein mit den heutigen Daten, um die tatsächliche Temperaturentwicklung über die vielen Jahrzehnte an Messgeschichte hinweg beurteilen zu können, erhalten sie häufig negative Korrekturen.
Dass Korrekturen im Zusammenhang mit der Automatisierung nicht die Ursache des sprunghaften Anstiegs der Temperatur Ende der 1980er Jahre sind, lässt sich zudem gut zeigen, indem Messreihen von Stationen herangezogen werden, die den Schritt zur Automatisierung Ende der 1970er Jahre nicht vollzogen haben. Diese Messreihen zeigen ohne Korrekturen die gleiche Temperaturentwicklung in der Schweiz wie die homogenisierten Reihen, wie das Beispiel von Koppigen (ohne) und Bern (mit) zeigt.
Fazit
MeteoSchweiz homogenisiert ihre Messreihen auf Basis objektiver Methoden, kontrolliert ihre Resultate mit unabhängigen Quellen und hinterfragt ihre Ergebnisse im Sinne einer wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit dem Thema laufend und seit vielen Jahren. Alte und neue Studien kommen dabei immer wieder zum gleichen Schluss bezüglich Grösse der Inhomogenitäten und der Notwendigkeit, sie zu korrigieren. Beim Vergleich der homogenen Schweizer Messreihen mit denjenigen unserer Nachbarstaaten stellen wir zudem fest: Die Daten im grenznahen Ausland zeigen die gleiche Entwicklung wie diejenigen in der Schweiz.
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