Index (Historische Klimatologie)

Systematische, tabellarische Zusammenstellungen von Proxydaten aus den Archiven der Gesellschaft gab es bereits im späten 19. Jahrhundert. So hatte der Physiker Louis M. Dufour im Jahr 1870 einen Band veröffentlicht, der tabellarische Aufstellungen der Weinlesedaten enthielt und darauf aufbauende statistische Überlegungen über Klimaschwankungen.^[2] Eine erste Studie, die von einem Klimaindex für die Schwere westeuropäischer Winter 1205–1916 Gebrauch machte, veröffentlichte der niederländische Amateurastronom und -meteorologe Cornelis Easton im Jahr 1928: Les hivers dans l'Europe occidentale.^[3][1] Der deutsche Meteorologe Fritz Klemm schlug 1970 für den Zeitraum 1182–1780 zweistufige Klimaindizes vor für Wintertemperaturen (kalt, mild), Sommertemperaturen (mild, warm) und Niederschlag (trocken, feucht).^[4] Einen ähnlichen Ansatz verfolgte der niederländische Meteorologe Folkert IJnsen für die Schwere der niederländischen Winter von 1200 bis 1916.^[1]

Hubert Lambs wegweisendes Buch Climate: Past, Present and Future enthielt dreistufige Indexe der Schwere der Winter und Feuchte der Sommer in Westeuropa 1100–1969. Wahrscheinlich gab Lambs Werk den Ausschlag, das von da an zahlreiche Indexe für verschiedene europäische Regionen erstellt wurden. Unter den Studien, die an Lamb anknüpften, erwies sich besonders die Methode des Schweizer Historikers Christian Pfister als einflussreich: Pfister erstellte siebenstufige Temperatur- und Niederschlagsindexe für die Schweiz, die alle Monate und Jahreszeiten umfassten (siehe Abschnitt #Pfister-Indexe).^[1]

Unabhängig von den Ansätzen in Europa verlief die frühe Entwicklung in China. In China gibt es weitreichende Wetteraufzeichnungen, die ältesten bekannten Aufzeichnungen stammen aus der Shang-Dynastie vor ca. 3600 Jahren. Wichtige Quellen sind untere anderem das Han Shu oder Geschichtswerke wie das Shiji oder Chun Qiu. Das chinesische Zentralbüro für Meteorologie stellte in den 1980er- und 1990er-Jahren ein umfassendes, sehr einflussreiches Kompendium der chinesischen meteorologischen Aufzeichnungen der letzten 3000 Jahre zusammen. In den 1970er-Jahren begann die Entwicklung von Temperaturindexen. Zhang (1980) wendete einen binären kalt/warm Index an und leitete einen dekadischen Temperaturindex für den Zeitraum 1470–1970 ab; seine Methode wurde in den Folgejahren mehrfach aufgegriffen. Wang und Wang waren 1990 die ersten, die einen ordinalen Temperaturindex auf Basis eine vierstufigen Skala entwickelten. Sie erstellten eine dekadische Zeitreihe der Winterkälte in Ostchina von 1470 bis 1979. Ihr Ansatz wurde verbreitet auf andere Regionen, Jahreszeiten und für andere zeitliche Auflösungen angewendet. Auch die Entwicklung von Niederschlagsindexen begann in den 1970er-Jahren. Das Zentralbüro für Meteorologie erstellte einen fünfstufigen Index für Trockenheit bzw. Überschwemmungen, den es 1981 auf 120 Städte in ganz China über den Zeitraum 1470–1979 anwendete.^[1]

Ausgangspunkt für Indexe der historischen Klimatologie sind narrative bzw. beschreibende Aussagen über lokale Beobachtungen des Wetters und dessen Folgen, die in den Archiven der Gesellschaft verzeichnet sind. Dazu zählen neben der direkten Witterungsbeschreibung (direkte Daten) auch Aussagen über Proxys, d. h. Erscheinungen, die mit der Witterung zusammenhängen (indirekte Daten). Beispiele für solche Proxys sind phänologische Beobachtungen oder Berichte über Schnee- und Eisschmelze.^[6] Außer Dokumenten können auch Bilder oder Hochwassermarken Quellen sein. Neben individuellen Quellen, die von einzelnen Personen verfasst worden sind, gibt es institutionelle, etwa von Behörden oder der Kirche. Letztere eröffnen manchmal Beobachtungsreihen, die über ein einzelnes Menschenleben hinausreichen und dennoch einigermaßen konsistent sind.^[7]

Beim Umgang mit den Quellen ist die Quellenkritik wichtig: die Glaubwürdigkeit und Echtheit der Quelle zu prüfen oder festzustellen, ob es sich um die zeitnahe Aufzeichnung einer eigenen Beobachtung handelt oder eine, die erst viel später auf Basis von Berichten Dritter erfolgte. Insbesondere institutionelle Daten sind auf Änderungen der Aufzeichnungspraxis im Zeitverlauf zu untersuchen. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass Beobachter relativ zu den ihnen vertrauten Klimaverhältnissen berichten, eine als „normal“ bezeichnete Witterung muss nicht „normal“ in Bezug auf spätere oder frühere Perioden sein.^[7]

Die durch Auswertung der Quellen zugänglich gemachten, kodierten Aussagen sollen einer quantitativen, statistischen Auswertung und Klimarekonstruktion zugänglich gemacht werden. Dazu wird ein ordinaler Klimaindex konstruiert, indem jedem betrachteten Zeitraum (Tag, Monat, Jahreszeit oder Jahr) anhand der dokumentierten Aussagen ein Indexwert zugewiesen wird, der auf einer Ordinalskala das Ausmaß des untersuchten Klimaelements anzeigt.^[7]

Klimaindexe unterscheiden sich in der Dokumentauswertung, in der Zahl der Indexklassen, im beschriebenen Phänomen und in der regionalen Abdeckung: Häufig werden drei, fünf oder sieben Indexklassen verwendet.^[1] Ein einfacher Temperatur- oder Niederschlagsindex ist: 0 (kalt bzw. trocken), 0 (normal), 1 (warm bzw. feucht).^[7] Die meisten Indexe werden für Temperaturen, Niederschläge, Überschwemmungen oder Dürren erstellt. Vereinzelt wurden Indexe für andere Phänomene angelegt, etwa für Meereis oder speziell Schneefall. Besonders für Europa und Asien gibt es Indexe, auch, weil hier reichlich Quellen vorliegen. Tendenziell wird in Quellen über Klimaparameter berichtet, die in der Region besonders wichtig sind. Daher gibt es für Afrika und Australien vor allem Niederschlagsindexe, für Meeresregionen vor allem Indexe der Winde.^[1]

Bei der Zuweisung von Indexwerten können einige Schwierigkeiten auftreten: So ist die Kenntnis des typischen regionalen Klimas in der Referenzperiode notwendig. Ein über einen bestimmten Zeitraum zugefrorener See kann in größerer Höhe normal sein, während er andernorts auf außergewöhnlich kalte Verhältnisse hindeutet. Quellen enthalten oft vor allem Berichte von Extremereignisse, was bei der Indexbildung die Gefahr von Verzerrungen birgt. Besonders, wenn Indexwerte anhand verschiedener Quellen ermittelt werden, können durch Inhomogenitäten Fehler entstehen.^[1][7]

Die Datenbank Euro-Climhist, die codierte Wetterbeobachtungen aus verschiedenen Quellen enthält, liefert beispielsweise für den April 1731 für die Schweiz folgende Aussagen (Auszug), die sowohl direkte („kalt“), als auch indirekte (Schneeschmelze, Kirschblüte) umfassen und die insgesamt auf einen extrem kalten April (Indexwert −3) hindeuten:^[8]

Durch Summation können Indexwerte gebildet werden, die ein Indiz für die Klimaverhältnisse über längere Zeiträume sind. Dadurch kann aber zeitliche Variabilität überdeckt werden.^[1] Die rein ordinale Zuweisung von Indexwerten kann ebenfalls dazu führen, dass die Variabilität unterschätzt wird.^[9]

Ziel der Indexbildung ist es oft, daraus eine quantitative Rekonstruktion des vergangenen Klimas zu gewinnen. Dazu wird die Indexreihe anhand instrumentell gemessener meteorologischer Daten kalibriert und verifiziert. Voraussetzung ist, dass es zwischen beiden Reihen überlappende Zeiträume gibt. Dann können mit statistischen Methoden den Indexwerten meteorologische Werte zugeordnet werden, auch für Zeiträume, für die es keine instrumentellen Messungen gibt.^[6][1]

Überlappende Zeiträume gibt es in Europa oft zwischen dem späten 18. und frühen 19. Jahrhundert. Einige Arten dokumentarischer Evidenz enden im 19. Jahrhundert, weil sie nach und nach von instrumentellen Messungen abgelöst wurden. Mit dem ersten Internationalen Meteorologischen Kongress 1873 in Wien wurde narrative Wetterinformation aus den meteorologischen Jahrbüchern verbannt.^[9]

Meist wird der überlappende Zeitraum zweigeteilt: Anhand eines Teilzreitraums wird die Indexreihe kalibriert und eine Transferfunktion von Indexwerten auf meteorologische Werte bestimmt, der zweite Teilzeitraum wird dann für Verifikation der Transferfunktion verwendet.^[11] Schwierigkeiten können entstehen, wenn die Transferfunktion nicht-stationär ist: Aufgrund sich ändernder Anbaumethoden oder der Einführung neuer Sorten von Feldfrüchten kann sich zum Beispiel der Erntebeginn systematisch ändern, ohne dass dies durch Klimaänderungen begründet ist.^[7]

In manchen Rekonstruktionen wird noch eine „Varianzskalierung“ vorgenommen: Die – zum Beispiel durch die Bildung der rein ordinalen Indexskala – verloren gegangene Varianz wird wiederherzustellen versucht, indem sie nachträglich an die Varianz der instrumentellen Daten im überlappenden Zeitraum angepasst wird.^[7] Einschätzungen von Unsicherheiten in der indexbasierten Klimarekonstruktion wurden bislang nur selten mitveröffentlicht.^[1]

Pfister-Indexe, benannt nach dem Schweizer Historiker Christian Pfister, sind die in Europa meistverwendete Herangehensweise, Temperatur- und Niederschlagsvariabilität in Regionen zu rekonstruieren, die klimatisch einheitlich behandelt werden können. Meist werden monatliche Indexwerte bestimmt, gelegentlich auch saisonale oder jährliche. Basis sind nicht nur zeitgenössische Berichte über Klima- und Wetterverhältnisse, sondern auch überlieferte biophysikalische Proxys. Anhand welcher Kriterien Indexwerte festgelegt werden, hängt von der regionalen Klimavariabilität ab.^[1] Die Indexwerte +1/−1 kennzeichnen einfache dokumentierte Aussagen wie „ein milder Winter“ oder „ein regnerischer November“.^[9] Größere bzw. kleinere Indexwerte werden in der Regel dann vergeben, wenn weitere dokumentierte Proxydaten wie die Weinernte oder der Beginn der Frühjahrsvegetation einen extremeren Indexwert rechtfertigen.^[6]

Die Indexwerte werden relativ zu einer Referenzperiode festgelegt, die nach Beginn der instrumentellen Messungen, aber vor der deutlichen globalen Erwärmung der letzten Jahrzehnte liegen soll. Die Klassen −2, −1, 0, +1, +2 sollten je einen Anteil von um 16–17 % der Indexwerte der Referenzperiode ausmachen, die Klassen +3,-3 einen deutlich kleineren.^[12] Die Indexwerte sind rein ordinal, der Abstand zwischen zwei Indexwerten trifft keine Aussage über die Größe der Temperatur- oder Niederschlagsdifferenz.^[6]

Die Indexwerte sollten anhand verschiedener, unabhängiger Quellen von verschiedenen Personen vergeben werden.^[6]

• David J. Nash, George C. D. Adamson, Linden Ashcroft, Martin Bauch, Chantal Camenisch, Dagomar Degroot, Joelle Gergis, Adrian Jusopovi, Thomas Labbé, Kuan-Hui Elaine Lin, Sharon D. Nicholson, Qing Pei, María del Rosario Prieto, Ursula Rack, Facundo Rojas, Sam White: Climate indices in historical climate reconstructions: a global state of the art. In: Climate of the Past. 2021, doi:10.5194/cp-17-1273-2021 (open access).
• Part I: Reconstruction. In: Sam White, Christian Pfister, Franz Mauelshagen (Hrsg.): The Palgrave Handbook of Climate History. Palgrave MacMillan, 2018, ISBN 978-1-137-43020-5, doi:10.1057/978-1-137-43020-5.

• Euro-Climhist – Ways to Weather Hindcasting (Datenbank europäischer Datenquellen und Auswertungen)