Trockenheit

Niederschlags- und Evaporationsindikatoren

Hintergrundinformation

Die Grafiken zeigen die Werte der Indikatoren von 1980 bis 2022, ausgedrückt als räumliches Mittel über Südtirol. Der räumliche Durchschnitt wird nur für die Gebiete in niedrigen und mittleren Höhenlagen (< 1500 m) berechnet. Beim Lesen der Grafiken ist zu beachten, dass negative SPI (SPEI)-Werte (in Rot) Niederschlagsdefiziten entsprechen; umgekehrt zeigen positive SPI (SPEI)-Werte (in Blau) Niederschläge (Wasserverfügbarkeit) an, die über dem Durchschnitt des dreißigjährigen Referenzzeitraums 1981-2010 für dieselbe Zeitskala liegen.

SPI und SPEI werden monatlich auf der Grundlage der Gesamtniederschläge und der Wasserbilanz der letzten drei oder 12 Monate berechnet. Die beiden Zeitskalen liefern unterschiedliche Informationen. Die Dreimonatsskala (SPI/SPEI-3) gibt Aufschluss über die Trockenheit in der Landwirtschaft, d. h. das Defizit des Wassergehalts in den oberflächlichsten Teilen des Bodens, das das Pflanzenwachstum am meisten beeinflusst. Die längere Zeitskala (SPI/SPEI-12) hingegen spiegelt die hydrologische Trockenheit wider, die die Wasserknappheit in den Böden verschärft, aber auch tiefe Grundwasserleiter und den Fluss von Wasserläufen beeinflusst.

Die Zeitreihe des SPI-12 von 1980 bis 2022 zeigt einen statistisch signifikanten Aufwärtstrend, d. h. sie deutet auf einen Trend zur Zunahme der kumulierten Niederschläge über 12 Monate hin. Insbesondere die letzten Jahrzehnte zeigen eine deutliche Zunahme der Häufigkeit von Monaten, in denen der SPI positiv ist, d. h. mit höheren 12-monatigen kummulierten Niederschlägen als im Durchschnitt des 30-jährigen Zeitraums 1981-2010. Die größten Dürreperioden wurden hingegen im Zeitraum 2003 bis 2007 und in der zweiten Hälfte der 1990er Jahre verzeichnet (rote Balken).

Die SPEI-12-Reihe weist keinen langfristigen signifikanten Trend auf. Der zeitliche Trend stimmt mit dem des SPI-12-Index überein, obwohl er die wichtigsten Dürreperioden hervorhebt und die jüngsten Episoden des Wasserüberschusses reduziert.

Auf kürzeren Zeitskalen (SPI/SPEI-3) gibt es eine größere zeitliche Variabilität und in beiden Fällen keinen langfristigen Trend.

Methode

Die Darstellungen beruhen auf den täglichen meteorologischen Beobachtungen an mehr als 80 Messstellen des Amts für Meteorologie und Lawinenwarnung der Autonomen Provinz Bozen, ergänzt durch die Beobachtungsdaten einiger Standorte in der Schweiz und in Österreich, nahe der Landesgrenze. Die gesammelten Reihen wurden mit Hilfe eines geostatistischen Verfahrens auf ein regelmäßiges Gitter mit einer Auflösung von 1 km für das gesamte Landesgebiet interpoliert.

Vor der Interpolation wurden alle Beobachtungsreihen auf Messfehler und zeitliche Homogenität geprüft. Darüber hinaus wurden fehlende Tageswerte mit Hilfe eines statistischen Verfahrens rekonstruiert, um die zeitliche Kontinuität der Reihen zu maximieren. 

Die Interpolation erlaubt es, einen regionalen Durchschnittswert zu ermitteln, der repräsentativer und stabiler ist als jener, der auf einzelnen Messstationen beruht.

Der SPI-Index wird berechnet als die Abweichung des Niederschlags von seinem Mittelwert (über den Zeitraum 1981 bis 2010) auf einer bestimmten Zeitskala (in diesem Fall drei und zwölf Monate), geteilt durch seine Standardabweichung. Da der Niederschlag zumindest auf Zeitskalen, die kleiner als ein Jahr sind, nicht normalverteilt ist, wird eine Anpassung der Variablen vorgenommen, sodass der SPI eine Verteilung mit einem Mittelwert von Null und einer Einheitsvarianz aufweist. Der standardisierte Index ermöglicht es, die Werte für Gebiete mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen zu vergleichen sowie feuchte und trockene Perioden gleichermaßen zu berücksichtigen.

Der SPEI-Index wird auf ähnliche Weise berechnet, allerdings unter Berücksichtigung der Wasserbilanz, d. h. der Differenz zwischen Niederschlag und potenzieller Evapotranspiration, im Vergleich zum durchschnittlichen Referenzwert auf der gegebenen Zeitskala (in diesem Fall drei und zwölf Monate). Die potenzielle Evapotranspiration wird aus den maximalen und minimalen Temperaturwerten nach der Hargreaves-Samani-Formel (Hargreaves und Samani, 1985) berechnet.

Da der Beitrag der Evapotranspiration in höheren Lagen, in denen die Bodenvegetation geringer ist, nicht sehr groß ist, wurden die Zeitreihen der SPEI als räumliche Mittelwerte über Südtirol berechnet, wobei nur die Gebiete in Höhenlagen unter 1500 m berücksichtigt wurden. Um die beiden Indikatoren vergleichbar zu machen, wurden ebenfalls die räumlichen Mittelwerte der SPI-Reihen für dieselben Gebiete berechnet.

Die Trends werden mit der Theil-Sen-Methode und die Signifikanz mit dem Mann-Kendall-Test berechnet. Der Trend gilt als signifikant, wenn der resultierende p-Wert kleiner als 0,05 ist.

Betroffene Sektoren

• Wasser

• Landwirtschaft

• Flora und Fauna

• Wassermanagement

• Boden

• Naturgefahren

Verwandte Indikatoren

Weiterführende Forschung bei Eurac Research

Die 6-monatige Zeitskala des Indikators SPEI-6 (6 Monate) dient dazu, mögliche Verringerungen des Abflusses und der Speicherkapazität der Flüsse aufgrund mittelfristiger Defizite in der Wasserbilanz zu beurteilen. Daher wurden die 6-Monats-SPI- und SPEI-Indizes auch in das Monitoringportal des ADO-Projekts aufgenommen.

SPEI-6

Analysiert man die Entwicklung des SPEI-6-Indexes in den letzten Jahren für Südtirol, so zeigt insbesondere die Frühjahrssaison 2022 negative Werte. Die niedrigsten Werte wurden im Mai erreicht, als der Monatsdurchschnitt von SPEI-6 bei -1.4 lag, was nach der Standardklassifizierung (Mckee et al., 1993) einer „mäßigen Trockenheit“ entspricht. Dieser Zustand wird durch die Kombination von unterdurchschnittlichen Niederschlägen und hohen Temperaturen ab der Wintersaison verursacht. Wenn man die Tageswerte des Index zu Beginn des Monats als Berechnungsgrundlage nutzt, nimmt der SPEI-6 einen Wert unter -1.5 an, was dem Schwellenwert für die Definition einer "schweren Trockenheit" entspricht.

Projekt ADO

Zukunftsszenarien

Die Klimaprojektionen für Südtirol für den SPI-12-Indikator sehen eine schwache Zunahme der jährlichen Feuchtigkeitsbedingungen im Laufe des Jahrhunderts vor, was mit dem zukünftigen Trend für die jährlichen Niederschläge in der Provinz übereinstimmt. Der SPEI-12-Indikator meldet dagegen einen Rückgang der Jahreswerte, der insbesondere für das RCP 8.5-Szenario deutlich wird, was eine Zunahme der Trockenheit in Südtirol bedeutet. In diesem Fall führt der vom pessimistischsten Szenario prognostizierte kontinuierliche Temperaturanstieg zu einem Anstieg des Wasserbedarfs für die Evapotranspiration und folglich zu zunehmend negativen mittleren Wasserbilanzen im Vergleich zu den Referenzwerten. Beide Indizes werden als räumliche Durchschnittswerte für alle Gebiete unterhalb von 1500 m Höhe angegeben.

Klimaprojektionen des jährlichen SPI-12 und SPEI-12 für Südtirol (räumliches Mittel) über Gebiete unter 1500 m Höhe) gemäß den Emissionsszenarien RCP 4.5 und RCP 8.5. Die durchgezogene Linie stellt den Median der betrachteten Modellsimulationen dar: 11 (RCP 4.5) und 17 (RCP 8.5) für SPI-12 und 8 für SPEI-12. Der farbige Bereich zeigt den Wertebereich zwischen dem 25. und 75. Perzentil der Simulationen. Die Werte werden als gleitender 10-Jahres-Durchschnitt angegeben. Quelle: EURO-CORDEX; Prozessierung und Darstellung: Eurac Research

Nach den jährlichen langfristigen Projektionen wird sich die Häufigkeit der Monate mit extremer Nässe und Trockenheit in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich ändern. Insbesondere der SPI-12 zeigt eine kontinuierliche Zunahme der Monate mit extrem hohen Niederschlägen im Vergleich zu den durchschnittlichen Referenzbedingungen (1981 bis 2010), wobei die Zunahme unter RCP 8.5 stärker ausgeprägt ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Projektionen für SPEI-12 eine Zunahme extremer Dürren, insbesondere beim pessimistischsten Szenario, das im Durchschnitt mehr als 50 Monate extremer Dürre in den letzten drei Jahrzehnten des Jahrhunderts vorsieht. Die Häufigkeit von extremen Nässebedingungen nach SPEI-12 bleibt hingegen unverändert (RCP 4.5) oder nimmt allmählich ab (RCP 8.5). Im Zeitraum 2071 bis2100 überschreiten die Werte für SPEI-12 im RCP 8.5-Szenario den Grenzwert von 50 Monaten pro 30-Jahres-Zeitraum.

Methodik

Die Klimaszenarien für die jährlichen und saisonalen Niederschläge für Südtirol wurden aus EURO-CORDEX-Klimasimulationen über Europa für die beiden Emissionsszenarien RCP 4.5 und RCP 8.5 erstellt. RCP steht für „Representative Concentration Pathways“, also Projektionen, wie sich die Emissionen der Treibhausgase in der Atmosphäre in der Zukunft entwickeln. 

RCP 4.5 entspricht einem Zwischenszenario, bei dem die Treibhausgasemissionen zwar gedrosselt werden, ihre Konzentrationen in der Atmosphäre in den nächsten 50 Jahren aber weiter ansteigen und das Ziel von +2 °C nicht erreicht wird. RCP 8.5 stellt das pessimistischste Szenario dar, bei dem die Treibhausgasemissionen kontinuierlich ansteigen, ohne dass Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels ergriffen werden.  

Die Projektionen des täglichen Niederschlags und der täglichen Höchst- und Tiefsttemperaturen von 1971 bis 2100, die von verschiedenen Klimamodellen (Ensembles) für die beiden Szenarien geliefert wurden, wurden durch ein Downscaling-Verfahren verarbeitet, das es ermöglicht, die simulierten Werte von der ursprünglichen räumlichen Auflösung (in diesem Fall etwa 12 km) auf eine feinere Auflösung (in diesem Fall 1 km) zu übertragen. Dieser Schritt ermöglicht es systematische Fehler zu verringern, die in den Modellsimulationen auftreten und auf die begrenzte räumliche Auflösung der verfügbaren Modelle zurückzuführen sind, die keine angemessene Darstellung der lokalen Merkmale bieten, insbesondere in Gebirgsregionen mit komplexer Orographie. Das angewandte Downscaling-Verfahren basiert auf der Delta-Quantile-Mapping-Methode (QDM, Cannon et al., 2015), bei der die simulierten Werte mit Beobachtungen über einen gemeinsamen Referenzzeitraum verglichen und so korrigiert werden, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilungen übereinstimmen. Außerdem werden bei der QDM-Methode die Korrekturen so vorgenommen, dass das ursprünglich in den Simulationen vorhandene langfristige Klimasignal nicht verändert wird.

In diesem Fall ist der Bezugszeitraum 1981 bis 2010, und die Korrektur wurde auf der Grundlage des 1 km-Rasterbeobachtungsdatensatzes durchgeführt.

Aus den korrigierten Simulationen wurden der SPI-12- und der SPEI-12-Index auf einer monatlichen Skala von 1971 bis 2100 für alle verfügbaren Modelle berechnet, wobei der Zeitraum 1981 bis 2010 als Bezugszeitraum diente. Insbesondere wurden 11 (RCP 4.5) und 17 (RCP 8.5) Modellsimulationen für SPI-12 und 8 Simulationen für SPEI-12 für beide Szenarien berücksichtigt. Für die Berechnung des SPEI-12 wurden nur Modelle berücksichtigt, für die sowohl Niederschlag als auch Temperatur verfügbar waren. Die für die Definition der SPEI erforderliche potenzielle Evapotranspiration wurde aus den Höchst- und Mindesttemperaturprognosen nach der Hargreaves-Samani-Formel abgeleitet (Hargreaves und Samani, 1985).

Da der evapotranspirative Beitrag in höheren Lagen, in denen es weniger Vegetation gibt, nicht sehr bedeutend ist, wurde SPEI-12 nur für Gebiete in Höhen unter 1500 m berechnet. Um die beiden Indikatoren vergleichbar zu machen, wurden die Projektionen für den SPI-12 für dieselben Gebiete definiert. 

Kontakt

Eurac Research: Alice Crespi, Center for Climate Change and Transformation

Daten bereitgestellt durch das Amt für Meteorologie und Lawinenwarnung der Autonomen Provinz Bozen