Faculté des sciences

20th century minimum and maximum temperature variations analysed on a regional scale in Switzerland : statistical analyses of observational data

Jungo, Patricia ; Beniston, Martin (Dir.) ; Collet, Claude (Codir.) ; Frei, Christoph (Codir.) ; Wanner, Heinz (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2001 ; no 1365.

The major aim of this study is to describe in a detailed manner the 20th century minimum and maximum temperature variations in Switzerland and to assess whether the magnitude of the secular warming and its interannual to interdecadal fluctuations show common seasonal patterns in different climatological regions. In a first step different climatological regions could successfully be established... Plus

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    Zusammenfassung
    Das Hauptziel dieser Studie ist eine möglichst detaillierte Beschreibung der Variationen der Minimum- und Maximumtemperaturen während des 20. Jahrhunderts, wobei es von Interesse ist abzuklären, ob der Umfang der Jahrhunderterwärmung sowie die annuellen und dekadalen Schwankungen in verschiedenen Regionen der Schweiz übereinstimmende saisonale Muster aufweisen. In einem ersten Schritt wurde eine möglichst hohe Anzahl von Minimum- und Maximumtemperaturzeitreihen der Landesklimastationen mit einer statistischen Gruppierungsmethode (Clusterananlyse) erfolgreich nach Jahreszeit geordnet. Vor der eigentlichen Gruppierungsmethode wird eine Hauptkomponentenanylse durchgeführt, die es erlaubt, einen Vergleich der Klimastationen anhand der Variationen in Minimum- und Maximumtemperaturen sowie spezifischen stationsbezogenen Eigenschaften vorzunehmen. In jeder dieser so erhaltenen Gruppen werden Klimastationen vereint, welche ähnliche zeitliche Temperaturvariationen aufweisen und deren stationsbezogenen Eigenschaften vergleichbar sind. Somit können diese Gruppen als jeweilige Vertreter einer bestimmten Klimaregion, deren Gebiet jedoch nicht unbedingt geographisch zusammenhängt, angenommen werden. Die Clusteranalyse wird jeweils auf Minimum- und Maximumtemperatur in den vier verschiedenen Jahreszeiten Winter, Frühling, Sommer und Herbst angewendet. Die daraus resultierenden verschiedenen Gruppierungsmuster widerspiegeln eine starke Abhängigkeit von den Klimaparametern und den Jahreszeiten. Die saisontypische Nachtund Tagestemperaturverteilung über komplexem Terrain übt einen bestimmenden Einfluss aus auf die sich bildenden Gruppierungsmuster, welche im Winter und im Herbst sowie im Frühling und im Sommer am ähnlichsten sind. Während den kühlen Jahreszeiten wird die Gruppierung der Klimastationen von den typischen herbstlichen und winterlichen Nebel- und Stratusgebieten wie auch vom Absinkverhalten der Kaltluft über komplexem Terrain am stärksten beeinflusst. Das Gruppierungsmuster ist daher eng verbunden mit der Höhe über Meer, auf welcher sich eine Klimastation befindet. Während den warmen Jahreszeiten ist die Verbindung zur Höhe immer noch zu finden, die Zugehörigkeit zu einer geographischen Region ist jedoch genauso massgebend. Drei bestimmte Klimaregionen, welche mit den drei gegensätzlichsten Klimazonen in der Schweiz in Verbindung gebracht werden können, treten innerhalb der acht erhaltenen Gruppierungsmuster regelmässig auf. Die drei Regionen werden dementsprechend benannt als: "tiefere Lagen, Nord", "hohe Lagen" und "tiefere Lagen, Süd". Die Beschreibung der Analysen beschränkt sich im weiteren Verlauf der Arbeit auf diese drei Regionen. Die weiteren quantitativen Analysen, welche der Erfassung des Trends in den Minimumund Maximumtemperaturen und deren Schwankungen während des 20. Jahrhunderts dienen, basieren auf mittleren regionalen Zeitreihen, die für jede einzelne Gruppe berechnet werden. Daraus geht eine neue und sehr detaillierte Beschreibung der saisonalen Minimum- und Maximumtemperaturvariationen während des 20. Jahrhunderts hervor. Die Minimum- sowie die Maximumtemperaturen unterliegen einer allgemeinen Erwärmung, welche sich in ihrem Ausmass zwischen den verschiedenen Jahreszeiten am meisten unterscheidet. Die Minimumtemperaturen weisen eine grundsätzlich grössere Erwärmung als die Maximumtemperaturen auf, was sich am stärksten im Winter und im Herbst äussert. Eine dekadal skalierte Untersuchung der Temperaturen lässt darauf schliessen, dass die 90er Jahre einer abrupten Erwärmung unterlagen, welche in den winterlichen Minimumtemperaturen in der Region "hohe Lagen" besonders nachdrücklich ist. Zwischen 1945 und 1950 ist eine weitere Warmphase zu finden, welche im Gegensatz zur Warmphase in den 90er Jahren vor allem in den Maximumtemperaturen des Frühlings und des Sommers in den Regionen "tiefere Lagen, Nord" und "hohe Lagen" ermittelt werden kann. Der dekadal skalierte Langzeittrend weist für alle Regionen und Jahreszeiten, ausser dem Herbst, von 1980 an kontinuierlich ansteigende Temperaturen auf. Die Herbsttemperaturen nehmen eine etwas spezielle Rolle ein, da sie nicht von einer Erwärmung in den 90er Jahren geprägt werden. Die starke Erwärmung, die ihnen über das Jahrhundert hinweg eigen, ist kann vor allem auf kalte Werte am Anfang des Jahrhunderts und eine milde Phase während den 80er Jahren zurückgeführt werden. Diese Beobachtungen lassen auf einen Wandel des jahreszeitlichen Erwärmungsmusters über die letzten Dekaden hinweg schliessen. Die bisher beschriebenen Resultate können auf den Ergebnissen aus der Analyse der Minimum- und Maximumtemperaturextreme abgestützt werden. Die gefundenen Erwärmungstrends sowie die verschiedenen Warmphasen stehen in enger Verbindung mit einer Erwärmung der Extremwerte in beiden Enden (extrem warm und extrem kalt) der Minimum- und Maximumtemperaturverteilung. Die Ergebnisse können in einen direkten Zusammenhang mit der Entwicklung diverser klein- und grossräumiger synoptischer Systeme im 20. Jahrhundert gebracht werden. Die Nordatlantische Oszillation übt einen grossen Einfluss auf die Wetterlagen in der Schweiz während des Winters aus. Mit grosser Wahrscheinlichkeit ist der über die letzten zwei Jahrzehnte hinweg zunehmend positive Nordatlantische Oszillationsindex bezeichnend für einen Wandel im Frequenzenmuster der winterlichen Wetterlagen. Es steht fest, dass während der 90er Jahre ein vermehrtes Auftreten von sogenannten "warmen" winterlichen Wetterlagen, wie konvektive Hochdrucklagen und advektive Westlagen, einhergeht mit einem markanten Rückgang der sogenannten "kalten" winterlichen Wetterlagen wie sie die advektiven Ostlagen darstellen. Die Frequenzanalyse der Wetterlagen in den anderen Jahreszeiten ergibt keine so klaren Resultate. Die grossen Warmphasen während des Jahrhunderts (Sommer Mitte Jahrhundert, Herbst in den 80er Jahren) können jedoch in Verbindung gebracht werden mit einem erhöhten Auftreten von konvektiven Hochdrucklagen, welche für mildere Temperaturen bedeutend sind. In einem zusätzlichen Kapitel wird die klimatologische Regionalisierungsmethode wie sie im vorhergehenden Teil an Temperaturdaten angewendet worden ist an Windgeschwindigkeitsdaten getestet. In der Analyse wird aufgezeigt, dass über komplexem Terrain, der Faktor zwischen den täglichen maximalen und mittleren Windgeschwindigkeiten eine lognormale Verteilung annimmt. In Verbindung mit einer klimatologischen Regionalisierung, welche für drei Arten von synoptischen Wetterlagen vorgenommen wird, dient diese Erkenntnis dazu, die Wahrscheinlichkeit der Windböengeschwindigkeit über dem komplexen Terrain der Schweiz abzuschätzen.
    Summary
    The major aim of this study is to describe in a detailed manner the 20th century minimum and maximum temperature variations in Switzerland and to assess whether the magnitude of the secular warming and its interannual to interdecadal fluctuations show common seasonal patterns in different climatological regions. In a first step different climatological regions could successfully be established for all four seasons applying a statistical clustering method (Cluster Analysis) to the minimum and maximum temperature time series of a maximum number of climatological stations situated in different parts of the country. A Principal Component Analysis is preceding the actual clustering method which allows to compare the climatological station time series based on minimum and maximum temperature variations as well as on specific station related characteristics. Each of the resulting clusters aggregates a number of climatological stations, which follow a similar temporal development in the temperature data and own comparable station related characteristics. These clusters can therefore be considered as representative of a certain climatological region, which however is not necessarily geographically uniform. The clustering is carried out separately for two different climatological parameters in all four seasons, namely minimum and maximum temperatures in winter, spring, summer and autumn. The resulting clustering patterns reflect a strong dependency upon these climatological parameters as well as upon the seasons. Typical seasonal night-time and day-time temperature distributions over complex terrain have a determining influence on the emerging clustering patterns, which are similar in winter and autumn and in spring and summer. The classic fog and stratus areas combined with the particular cold air drainage over complex terrain have a determining influence on the clustering pattern in winter and autumn and thus the clusters are mainly specified through altitudinal stages. In spring and summer the clustering patterns are still related to the altitude they show however an additional dependency on specific geographical areas. Out of each of the eight clustering patterns three main regions emerged which could be related to the three most contrasting climatic areas in Switzerland and identified as "low altitudes, north", "high altitudes", and "low altitudes, south". The description of the following analyses is restricted to these three regions. The quantitative analyses of the minimum and maximum temperature trends and fluctuations over the 20th century are carried out on regional mean time series computed for each cluster. A new and very detailed description for the seasonal minimum and maximum temperature variations during the 20th century in Switzerland results. Secular warming trends are detected for both, minimum and maximum temperatures. The magnitudes differ mostly between the seasons. The minimum temperatures show generally higher trend estimates than the maximum temperatures with a more pronounced secular warming in winter and autumn. Analysing the temperatures on a decadal scale an abrupt warming is detected during the 1990s, which is especially emphasised for winter minimum temperatures in the region "high altitudes". A further warm period during the 20th century occurred from 1940 to 1950. In contrast to the warming at the end of the century this mid-century warming is most evident in maximum temperatures during spring and summer in the regions "low altitudes, north" and "high altitudes". The long-term decadal trend shows that minimum and maximum temperatures in all regions and seasons except for autumn are persistently increasing since 1980. The autumn temperatures play a special role since their secular warming trend is principally related to rather cold temperatures in the beginning of the century and a mild period during the 1980s, which, however, is not extended into the 1990s. These observations lead to the conclusion that a change in the seasonal warming pattern occurred during the last few decades. Analyses of minimum and maximum temperature extremes are supporting the conclusions formulated above. The warming trends as well as the mild phases, which are observed in minimum and maximum temperatures, can generally be related to a warming in both tails of the distribution (warm and cold). The described results can be linked to the 20th century evolution of large and small scale synoptic systems. The North Atlantic Oscillation exerts a high influence on winter weather types in Switzerland. The increasingly positive North Atlantic Oscillation Index during the last two decades most probably generated a changed frequency pattern of the alpine weather types in winter. In the 1990s this is expressed with a higher frequency of warm winter weather types (convective high-pressure and western advective) on the expenses of a major cold type (eastern advective). The frequency analysis of the alpine weather types for the other seasons does not yield as obvious results as for winter. It was found however, that the main warm periods occurring in different seasons during the century (mid-century summer warming; autumn mild phase in the 1980s) can principally be related to an elevated number of convective high-pressure weather types which usually generate milder temperatures. In an additional chapter the climatological regionalisation method, previously used with temperature data is applied to wind gust data. The analyses show that the gust factor between maximum and mean daily wind speeds over complex terrain follow a lognormal distribution. This knowledge in combination with the climatological regionalisation serves to estimate wind gust speed probabilities over the complex terrain of Switzerland according to three types of synoptic weather situations.