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Das Problem langer Klimareihen - neue Wege zur Wahrheit?(lang!) Org.: Jörg, Berlin-Malchow; Mai 2009
geschrieben von: Admin (IP-Adresse bekannt)
Datum: 27. November 2009 18:26

Hallo zusammen!

Bereits vor längerer Zeit sind an dieser Stelle - noch im alten Forum - die Klimaveränderungen der letzten 250 bis 300 Jahre anhand einiger (mittel-)europäischer Reihen sehr anschaulich in einer Studie von Andreas Hoy analysiert worden (siehe [www.wetterzentrale.de]).

Dieser Beitrag soll nun, anlässlich des runden Jubiläums unseres "Geburtstagskindes" WZ-Forum - gleichzeitig übrigens genau mein 1000. Posting Prost! -, eine Erweiterung bieten und neu gewonnene Erkenntnisse zusammenfassen, insbesondere im Hinblick auf die Homogenitätsproblematik, die ausnahmslos fast alle langen Klimareihen betrifft.

Aus der o.g. Klimastudie (Direktlink) empfiehlt sich zunächst, in der Anlage die Abbildung 1 (S. 38) zu betrachten, in dem die 30-jährig gleitende Jahresmitteltemperatur - quasi der Verlauf des von der WMO exakt definierten Zeitraums einer "Normalperiode" - seit ca. 1750 dargestellt ist.

Die hieraus entstandene, jedoch schon etwas erweiterte Darstellung, die bereits 1736 beginnt und in der zusätzlich noch die Reihe Basel und eine "überhomogenisierte" Reihe "De Bilt (neu)" enthalten ist, zeige ich hier:

http://www.wzforum.de/forum2/file.php?6,file=10873

Man erkennt sofort, dass das "neue" De Bilt sich viel zu stark an der Mittelenglandreihe orientiert und durch die Homogenisierung überhaupt keines seiner charakteristischen Merkmale mehr beibehalten hat (inzwischen habe ich es verworfen und werde weiter unten wieder die alte Reihe zeigen, die jedoch in einem "entscheidenden" Zeitraum korrigiert wurde)

Die Gefahr einer zu starken Anpassung besteht übrigens bei allen Homogenisierungen, die mit nur einer einzigen Referenzreihe arbeiten, da diese möglicherweise in einem Zeitraum von einigen Jahrzehnten relativ gut, aber eben doch nicht über Jahrhunderte hinweg homogen ist.
Wir werden im Rahmen des Vergleichs der Reihen Basel und Karlsruhe später noch darauf zu sprechen kommen, deren Messreihen hier im Klimaforum von unserem Badischen Reisbauer immer wieder als Musterbeispiel für gegensätzliche Temperaturverläufe gezeigt werden.

Lange Klimareihen haben immer irgendwelche Inhomogenitäten, oder?

Dieses Statement konnte man hier oft lesen und selbst viele Klimawissenschaftler sind überzeugt, dass sich dies nicht ändern ließe.
Der Grafik oben kann aber entnehmen, dass ab ca. 1860 die vier "Baur-Stationen" De Bilt, Berlin, Wien, Basel sowie ferner Prag, München und der Hohenpeißenberg einen nahezu gleichartigen Temperaturverlauf aufweisen.
Einzig die hellblaue Kurve (Mittelengland-Reihe) scheint ab der Mitte des 20. Jahrhunderts nicht so richtig nach oben "mitziehen" zu wollen und liegt 2005 relativ gesehen auf einem deutlich tieferen Niveau, wobei die Ursache hierfür eine veränderte Stationsauswahl sein könnte.

Am unteren Bildrand erkennt das skeptische Auge, dass die Reihe München nach M.Paesler [1968] im Zeitraum 1860-1880 einige Abweichungen zu Prag zeigt. Da die Münchner Reihe der Hohenpeißenberg-Kurve extrem ähnlich sieht und M.Paesler sie mithilfe des Hohenpeißenbergs überhaupt erst zusammengestellt und homogenisiert hat, auf dem Hohenpeißenberg aber obendrein noch zwischen 1864 und 1878 ein Thermometer benutzt wurde, dass ca. 0,3 K zuviel anzeigte [s. H.Grebe, Berichte des DWD Nr. 36], ist natürlich auch wieder besondere Vorsicht vor "unwillkürlichen Verwandtschaften" geboten. Weiter unten wird eine Reihe vom Hohenpeißenberg zu sehen sein, die bezüglich dieses Fehlers korrigiert ist (Tageswerte habe ich im Februar 2009 neu zusammengestellt).

Welche Haupterkenntnisse lassen sich bis hierhin bereits feststellen?

1. Die bedeutendsten Temperaturreihen Mitteleuropas verlaufen ganz offensichtlich nicht wahllos und in ihrem Gang voneinander abgekoppelt. Sowohl bei der Kälteperiode gegen Ende des 19. Jahrhunderts als auch im Anstieg bis zum heutigen Niveau sind regionale Unterschiede bei den 7 als relativ homogen einzustufenden Stationen nur in minimalem Ausmaß erkennbar. Die Temperaturverläufe der Stationen stimmen in den vergangenen ca. 140 Jahren sehr gut miteinander überein.

2. Die Differenz aller möglichen Kombinationen dieser Stationen schwankt in diesem Zeitraum, von geringen ("zufälligen") Schwankungen abgesehen, stets um den gleichen Wert - es wird also die Definition bzw. das Kriterium für Homogenität eingehalten. Das Wort "Zufall" stammt hierbei aus der Statistik, wobei eben der Statistiker die klimatologische Erklärung für ein gewisses Verhalten nicht betrachtet. Ihm ist beispielsweise egal, dass das Jahr 1934 in der Differenzreihe Danzig - London nur deshalb ein Jahrhundert-Maximum hat, weil es in Ost- und Nordosteuropa mit bis zu +2,5 K ganz erheblich, im Westen dagegen nur wenige Zehntel zu warm war:

http://www.wzforum.de/forum2/file.php?0,file=11006
(Quelle: GISSTEMP/NOAA)

Statistisch ließe sich sogar zeigen, dass der Mittelwert aus Differenzmaximum und -minimum mit der über 100-jährig gemittelten Differenz ausgezeichnet übereinstimmt.

Nun zurück zum Klima und der Frage: Sind 30-jährig gleitende Mittel scharf genug, um abrupte oder schleichende Inhomogenitäten erkennen zu können? Diese Frage ist natürlich im Zusammenhang mit den oben festgestellten Ausreißer-Reihen angesichts der heiß geführten Klimadebatte von geradezu brisanter Relevanz. Hierzu eine Grafik, die eine etwas vergrößerte Stationsauswahl und den Verlauf der 10-jährigen Jahresmitteltemperaturen bringt:

http://www.wzforum.de/forum2/file.php?0,file=10875

Diese Darstellung zeigt nun zwar noch viel mehr Details, ist dadurch jedoch bereits so unübersichtlich, dass ich sie eigentlich weglassen wollte. Um überhaupt etwas sehen zu können, musste das Temperaturniveau verschiedener, insbesondere höher gelegener oder aus Nordeuropa stammender Reihen in ihrer gesamten Länge um einen konstanten Wert angehoben werden. Natürlich hätte man auch eine relative Y-Achse mit Werten von -3 bis +3 wählen können, jedoch hätte sich dann die Frage nach einer einheitlichen und sinnvollen Bezugsperiode gestellt, die nicht a priori nicht einfach mit "1961-90" beantwortet werden sollte.
Offenbar sind aber 10-jährige Verlaufsdiagramme nicht geeignet, da die Schwankungen noch zu stark sind.

Als auffälligsten Punkt möchte ich nur anmerken, dass die gelbe Temperaturkurve von Basel vor ca. 1860 ganz unten verläuft, während sie danach allmählich in der Kurvenschar verschwindet, um ab ca. 1980 an dritter Stelle von oben wieder zu erscheinen.

Legen wir unser Augenmerk daher wieder auf die 30-jährigen gleitenden Temperaturverläufe, diesmal erweitert für 12 Stationen:

http://www.wzforum.de/forum2/file.php?0,file=10874

Mit der Reihe "De Bilt (korrigiert)" ist nun der gröbste Ausreißer verschwunden, den die Verwendung eines um 1 Grad falsch anzeigenden Thermometers im Zeitraum 1787-1810 verursacht hatte (Details dazu bei PELZ 2000: [wkserv.met.fu-berlin.de] - besonders S. 1+2, die Station Zwanenburg bildet für die Jahre 1735 und 1850 das fundamentale Teilstück der Reihe De Bilt!)

Bei etwas näherer Betrachtung erkennt man, dass die Unterschiede in den langen Klimareihen häufig in der 2. Hälfte des 19.Jahrhunderts beginnen (1873 = Gründungsjahr der IMO, Vorgängerorganisation der WMO), jedoch auch, dass viele der bis ins 18.Jahrhundert zurückreichenden Reihen als dennoch brauchbar angesehen werden dürfen, wenn auch in Teilstücken, und es für jede Station einer eingehenden Analyse bedarf.
Folgende Detailbetrachtung mag dies unterstreichen: Obwohl die Mittelenglandreihe (orange) bis 1850 relativ schlecht mit De Bilt korreliert, zeigt sich in den Jahren vor 1775 eine auffällige Übereinstimmung zwischen De Bilt, Mittelengland und sogar dem schwedischen Uppsala.

Ausgerechnet Berlin scheint dagegen um die Mitte des 18. Jahrhunderts aus der Reihe zu tanzen: Bis ca. 1755 ist die Synchronität zu den erwähnten 3 Reihen noch recht zufriedenstellend, während danach für 20 Jahre ein enormer Temperaturanstieg erfolgt, wohingegen die übrigen Säkularreihen noch bis um 1770 von einer Temperaturabnahme künden. Der Fehler ist hier zweifellos bei Berlin zu suchen, dessen Bearbeiter J.PELZ für die Zeit vor ca. 1774 noch zu wenige Referenzreihen zur Verfügung hatte (nur De Bilt).

Auch meine eigene Homogenisierung, die ich im Juli 2006 hier vorstellte und die bei den "Interessanten Beiträgen" zu finden ist [www.wzforum.de], ist hiervon betroffen und muss demnächst überarbeitet werden.

Wie gut geben die langen Reihen den wirklichen Klimaverlauf wieder?

Während die Reihe Wien-Hohe Warte ebenso wie Prag nur wenig Unsicherheiten aufweisen, ist bei der Reihe Basel - dem vierten Pfeiler des zur Baur-Reihe zählenden Stationsnetzes - der starke Temperaturanstieg von ca. 1840 bis ca. 1880 auffällig, der in allen anderen Reihen nicht vorkommt. Erstaunlicherweise scheint aber der ältere Teil der Baseler Reihe vor mindestens 1826 durchaus korrekt zu sein, denn die Korrelation mit den übrigen mittel-europäischen Reihen ist gut.
V.RUDLOFF et al. haben nämlich in den 1950er Jahren die Teilreihe 1755-1825 nur angeschlossen, nicht aber die bereits von W.STRUB schon vorliegende Baseler Reihe geprüft. Hier jedoch ist der entscheidende Fehler zu suchen, wobei unklar bleibt, ob die Diskrepanzen auf Beobachter- bzw. Instrumentenwechsel, Stationsverlegungen oder schleichende Inhomogenitäten (Stadtwachstum!) zurückzuführen ist. Erneut überproportional und somit fraglich ist die sehr starke Erwärmung von Basel im jüngsten Zeitraum, besonders im letzten Viertel des 20.Jahrhunderts.

Vom Stadteffekt ganz eindeutig beeinflusst, wenn auch aufgrund anderer Inhomogenitäten nicht immer ganz so klar erkennbar, ist übrigens die Mittelenglandreihe (im Zeitraum von ca.1775 bis ca.1840) sowie Stockholm und Uppsala, die beide von den gleichen Klimatologen des schwedischen Wetterdienstes bearbeitet wurden, wobei auch hier wieder die sehr starke Ähnlichkeit beider Reihen über die Jahrhunderte hinweg auffällig ist.
Erkenntnistheoretisch wünschenswert, aber in diesem Fall leider (noch) nicht durchführbar wäre ein Vergleich mit den unbearbeiteten Originalreihen. Hierzu kann ich weiter unten nur das Einzelbeispiel Basel bringen.


Bei vielen Homogenisierungen werden meiner Erfahrung nach viel zu häufig, d.h. in recht kleinen Zeitabständen sehr rasch wechselnde Korrekturen angebracht, jedoch würde vermutlich in den meisten Fällen ein gröberer, aber länger währender Reduktionsbetrag den Genauigkeitsanforderungen an die älteren Reihen von ca. +/- 0,2 K vollauf genügen.
Besonders in heutigen Zeiten, wo man sich komplett aber auf Statistiksoftware und ihre automatisch durchgehechelten Testverfahren (z.B. Buishand-, Craddock-, Alexandersson-/SNHT-Test) verlässt, laufen wir massiv Gefahr, Reihen durch zu starke Bearbeitung zu verschmieren oder zu verschlimmbessern, besonders da objektive Kriterien wie verlässliche Metadaten in den älteren Teilen der Reihen (noch) nicht immer mit den Daten zusammen erhältlich sind.
Für die neuere Zeit ab 1950 und eine größere Anzahl an Klimaelementen (Tmin, Tmax, Niederschlagsmengen, Sonnenscheindauer usw.) mögen natürlich solche Homogenisierungspakete durchaus den Anforderungen genügen.


Zusätzliche Inhomogenitäten wie allmähliche Änderungen einer Stationsumgebung und Stadtwachstum können erst danach durch eine Detailanalyse mit Bevölkerungszahlen und mit Hilfe eines Vergleichs zu ländlichen oder Bergstationen (als Anregung: Postings dazu siehe z. B. hier und hier) beseitigt werden, wobei natürlich sinnvollerweise jedes Teilstück der zu untersuchenden Reihe separat betrachtet werden sollte, da die Anstiegsrate an verschiedenen Standorten oder erst recht in verschiedenen Stadtteilen freilich unterschiedlich stark sein kann.

24 europäische Klimareihen im Vergleich

Kommen wir nun zur letzten Grafik, die so ausführlich wie bisher erörtert zu werden verdient.

Für sie wurde die Stationsanzahl nochmals stark vergrößert, außerdem wurde bezüglich Basel noch eine zweite Reihe mit aufgenommen, die in dem erwähnten DWD-Bericht Nr. 36 (erschienen 1956/57, Autor H.Grebe) veröffentlicht ist:

Insgesamt 24 Stationen sind nun mit ihrem Temperaturverlauf abgebildet, wobei zwecks Wahrung eines Mindestmaßes an Übersichtlichkeit und Beibehaltung des bislang benutzten Wertebereiches (8,3 bis 10,7 °C) vielfach wieder die Anbringung einer Konstante erfolgte:

http://www.wzforum.de/forum2/file.php?0,file=10876

Die Übereinstimmung im 20. Jahrhundert bis 1880 zurück ist trotz der großen räumlichen Unterschiede und der in den letzten Jahren vielfach erfolgten und teils auch erkennbaren Änderungen bei einigen Stationen (z. B. Stockholm, München, Wien) recht gut.

Insgesamt lässt sich zum Klimaverlauf sagen, dass zwischen 1895 und 1950 in ganz Europa eine allgemeine Erwärmung um ca. 0,5 K stattfand, welcher nach einer Stagnation bzw. leichtem Rückgang um 0,2 K Anfang der 70er ein erneuter Anstieg um ca. 0,6 - 0,7 K bis 2005 folgte.
Manche der etwas dünner gezeichneten Linien enthalten diese Stagnation bzw. leichten Rückgang nicht, z.B. das um die vorletzte Jahrhundertwende vom Stadtwachstum erkennbar betroffene Jena (schwarze Linie). Dafür scheint aber bei Jena der ältere Teil der Reihe von sehr guter Qualität, ebenso wie im wesentlichen beim Hohenpeißenberg (mittelblau), der nur vor 1840 um ca. 2/10 K zu warm erscheint (alte Fensterhütte ohne Strahlungsschutz, lieferte im Sommer vor einem Nordfenster beim Frühtermin etwas zu hohe Werte).

Die 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts ist dann im Wesentlichen durch Stagnation der Temperaturen auf relativ niedrigem Niveau gekennzeichnet; recht häufig auch findet zwischen 1860 und 1890 eine geringe Temperaturabnahme um ca. 0,2 K statt.

Als klimatologisch unmöglich bezeichnet werden müssen die Werte der beiden "Basels" - ebenso wie Stuttgart, Mailand und Karlsruhe:
Bei Karlsruhe findet ab 1850 ein rapider Absturz statt, der für den krassen Kontrast zu dem in der gleichen Klimaregion gelegenen Basel übrigens ebenso verantwortlich ist. Erst ab ca. 1870 laufen diese beiden Reihen parallel, um sich ab ca. 1945 wieder voneinander zu entfernen. Ein optischer Vergleich zum Hohenpeißenberg legt nahe, dass Basel von dort an erneut einer überproportionalen Erwärmung ausgesetzt ist.
Anhand der dünnen teil-gepunkteten Rosa-Linie, die ziemlich genau um die dicke gelbe herum verläuft, lässt sich aber schon ablesen, dass die von V.RUDLOFF homogenisierte Karlsruher Reihe nicht so recht das "Wahre vom Ei" sein kann und wieder der schon mehrfach erörterte Kardinalfehler der "Überhomogenisierung" begangen wurde, denn in dieser Variante sind nun ganz klar beide der oberrheinischen Klimareihen zu kalt.

Woher die Reihe Basel-Stadt genau stammt, konnte nicht geklärt werden, da sie nur in Jahreswerten vorliegt. Zumindest optisch scheint sie vor ca. 1850 besser zum übrigen Kollektiv zu passen als die häufig benutzte Reihe Basel-Binningen.

Zur 1.Hälfte des 19.Jahrhunderts ist festzustellen, dass sie in jedem Fall wärmer war als die 2.Hälfte. Nach den gegenwärtig am zuverlässigsten beurteilten europäischen Reihen beurteilt, kühlte das Klima in der Zeit zwischen 1800 und 1850 um 0,4-0,5 K ab. Dass es sich hierbei nicht um eine kleinräumige, sondern um eine kontinent-weite Klimaänderung gehandelt haben muss, kann nach der erfolgten Erörterung der späteren Jahrhunderte und des Prinzips des Aktualismus - also des stets geltenden universellen Homogenitätsgesetzes von der Konstanz der Differenzen - geschlussfolgert werden.

Von der relativen Warmphase um 1800 rückwärts betrachtet ausgehend, erfolgte war zuvor ein Temperaturanstieg um ca. 0,3 K erfolgt, wie die Reihen Stockholm, Berlin, Basel und die korrigierte De-Bilt-Reihe recht einhellig zeigen. Vor 1760 jedoch hatte es Mitteleuropa nicht (mehr) mit einem steilen Temperaturanstieg aus den "Eiskrallen der kleinen Eiszeit" zu tun, wie man nur anhand der Reihe Berlin allein annehmen könnte, sondern einer ca. 15jährigen Stagnation war ein Temperaturrückgang um 0,4 K (CET) bis 0,6 K (Uppsala) zwischen ca. 1735 und 1765 vorausgegangen.

Erst davor könnte tatsächlich eine Erholung des Klimas stattgefunden haben, und zwar erwärmte es sich rasch von 8,5°C (Periode 1670-1700) um ca. 0,9 K auf 9,4°C (1705-1735), sofern man der Mittelengland-(CET-)Reihe trauen kann. Zwischen 1659 und 1700 ist sie leider die einzige vorliegende rein instrumentelle Klimareihe, übrigens sogar weltweit.

Wie geht es mit dem Klima weiter?

Wer glaubt, es müsse in unserem modernen Zeitalter der Supercomputer nur die Zukunft erforscht und Modellvorhersagen analysiert werden, irrt sich gewaltig - dies ist, glaube ich, jedem der bis hierher gelesen hat, sonnenklar.

Bei nahezu allen Klimareihen besteht teils erheblicher Verbesserungsbedarf und dazu bedarf es neben den großen Klimadatenbanken, wie sie z.B. der DWD, ECA und NOAA betreiben, einer aufwändigen Beschaffung von Metadaten, ggf. älterer Standort- und Instrumentenbeschreibungen und neuer Ansätze bei der Bearbeitung, inklusive solcher vergleichender Betrachtungen zur abschließenden Elimination von Stadt- und anderen schleichenden Effekten.
Auch ist fast alles, was bislang als "regionale" Effekte abgetan wurde, auf Inhomogenitäten der jeweiligen Reihen zurückzuführen, wie z.B. die Wärmeperiode um 1800, die in der ursprünglichen Reihe De Bilt eine Kälteperiode gewesen sein soll (siehe Grafik ganz oben).

Abkühlung und Erwärmung fanden aber über Jahrhunderte hinweg stets synchron und in nahezu gleichem Umfang statt, sodass Ergebnisse von Klimamodellen, die einem allzu starke Unterschiede innerhalb eines in Relation zum gesamten Erdball recht kleinen Gebietes wie Mitteleuropa verkaufen wollen, mit größter Skepsis hinterfragt werden müssen. Nichtsdestotrotz sollte an dieser Stelle festgestellt werden, dass wir uns heute zweifelsohne in einer Warmzeit und auf einem Temperaturniveau bewegen, welches zumindest in den letzten 350 Jahren noch nicht so nachhaltig erreicht wurde. "Nachhaltig" bedeutet in diesem Fall, dass besonders der Ausgleich nach unten fehlt, also kältere Jahreszeiten und Jahre in Mitteleuropa nicht mehr vorkommen - allenfalls nur noch Einzelereignisse wie z.B. die 3-4 strengen Frostnächte im Januar 2009.


Die Feststellung, wie hoch der anthropogene Anteil an der gegenwärtigen Erwärmung ist und wann welche (Monats- oder Jahres-)Rekorde gebrochen werden, setzt gerade solche Betrachtungen und eine sorgfältige Homogenisierung der herangezogenen Reihe zwingend voraus.
Während z.B. ein "Treibhausskeptiker" mit dem einmaligen Absturz der Karlsruher Reihe argumentieren könnte und zahlreiche Jahre anführen würde, in denen es vor 200 Jahren angeblich deutlich wärmer als heute war, würde ein emsiger "Treibhausbefürworter" bzw. "Klimahysteriker" die Reihe Basel-Binningen auf den Tisch legen, die sich aber in ihrer inhomogenen Form - wie gezeigt - von einem lange Zeit sehr kühlen Niveau auf ein weit überdurchschnittliches erwärmt hat, indem heute permanent neue Monats- und Jahreswärmerekorde zu erwarten sind, an die die Vergangenheit nicht im entferntesten heranreicht.

In früheren Jahrzehnten war es nicht so leicht möglich, sich über die Klimaverläufe verschiedenster Stationen binnen kürzester Zeit eine Übersicht zu verschaffen und anhand einiger Grafiken die Spreu vom Weizen zu trennen - dabei habe ich hier nur eine brauchbare Auswahl, jedoch noch längst nicht alle verfügbaren Klimareihen Europas vollständig zusammengetragen!

Für die Zukunft hoffe und wünsche ich, dass die Beschäftigung mit historischen Instrumentenmessreihen weiter aktuell bleibt und die notwendigen Neubearbeitungen älterer Reihen weiter betrieben und insbesondere Metadaten in größerem Maße als bisher (besonders aus der Zeit vor 1945) veröffentlicht werden, damit eines Tages wenigstens bezüglich der Vergangenheit endgültig Klarheit über vergangene Klimaepochen geschaffen wird und die Menschheit anstehende Probleme und Herausforderungen, die sich durch Klimaveränderungen stellen, gemeinsam angehen kann.


Viele Grüße -
und mit den besten Wünschen für die nächsten 10 Jahre WZ Forum! Daumen hoch

Jörg



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