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Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz meldet - Klima in Nordeuropa während der letzten 2.000 Jahre rekonstruiert: Abkühlungstrend erstmalig präzise berechnet - Berechnungen Mainzer Wissenschaftler beeinflussen auch Beurteilung des aktuellen Klimawandels / Veröffentlichung in Nature Climate Change

^{(Info zur Meldung vom 9.7.12 – Link zur Meldung beim Informationsdienst Wissenschaft (IDW) – Link zur Meldung bei der Uni Mainz (Zitiergrundlage) – angesurft am 13.7.12) - 09.07.2012}
Eine 2.000-jährige Klimarekonstruktion für Nordeuropa anhand von Baumjahrringen hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) vorgestellt. Die Gruppe um Univ.-Prof. Dr. Jan Esper vom Geographischen Institut der JGU kombinierte die Jahrringdichtemessungen fossiler Kiefernbäume aus dem finnischen Lappland zu einer Zeitreihe, die bis in das Jahr 138 v.Chr. zurückreicht. Dabei haben die Wissenschaftler erstmalig einen langfristigen Abkühlungstrend über die letzten Jahrtausende präzise berechnet. "Wir haben festgestellt, dass die historischen Temperaturen zur Römerzeit und im Mittelalter bis dato als zu kühl eingeschätzt wurden", so Esper. "Diese Befunde sind auch insofern von klimapolitischer Bedeutung, da sie die Beurteilung des aktuellen Klimawandels im Vergleich zu den historischen Warmphasen beeinflussen." Die neue Studie ist in der Zeitschrift Nature Climate Change erschienen.
War das Klima zur Römerzeit oder im Hochmittelalter wärmer als heute? Und welche Bedeutung haben diese frühen Warmzeiten für die Einschätzung des globalen Klimawandels, wie wir ihn heute kennen? Diese Fragen versucht die Paläoklimatologie zu klären: Wissenschaftler werten indirekte Klimazeugen wie Eisbohrkerne oder Seesedimente aus, um das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren. Für die letzten 1.000-2.000 Jahre sind die wichtigsten Klimazeugen die Bäume, deren Jahrringe Informationen über kalte und warme Bedingungen speichern.
Für ihre Studie verwendeten die Forscher aus Deutschland, Finnland, Schottland und der Schweiz Messungen der Holzdichte von Bäumen aus dem finnischen Teil Lapplands. In dieser großflächigen und kalten, vorwiegend aus Gewässern und Wald bestehenden Landschaft fallen immer wieder Bäume in einen der zahlreichen Seen und bleiben dort über Jahrtausende sehr gut erhalten.
Das internationale Forscherteam kombinierte die Jahrringdichtemessungen dieser fossilen Kiefernbäume zu einer Zeitreihe zurück bis in das Jahr 138 v. Chr.. Die Messungen der Holzdichte korrelieren sehr gut mit den Sommertemperaturen in diesem Raum nahe der nordischen Waldgrenze. Daher gelang es den Forschern, eine Temperaturrekonstruktion von bisher unerreichter Qualität zu erstellen. Diese Rekonstruktion zeigt nun in hoher Auflösung die Wärmebedingungen zur Römerzeit und im Hochmittelalter, aber auch die Kältephasen zur Zeit der Völkerwanderung oder der späteren kleinen Eiszeit.
Die neue Klimakurve zeigt neben diesen Kalt- und Warmphasen aber noch ein Phänomen, mit dem in dieser Form nicht zu rechnen war. Erstmalig konnten die Forscher anhand der Baumjahrringe einen viel längerfristigen Abkühlungstrend, der sich kontinuierlich über die letzten 2.000 Jahre abspielte, präzise berechnen. Auf Grundlage der neuen Befunde macht dieser Trend, der durch langsame Veränderungen des Sonnenstands aber auch der Distanz der Erde zur Sonne verursacht wurde, ein Abkühlung von -0.3°C pro Jahrtausend aus.
"Eigentlich erscheint diese Zahl nicht sonderlich imposant", so Esper. "Allerdings ist sie im Vergleich zur globalen Erwärmung, die bis heute auch weniger als 1°C beträgt, nicht zu vernachlässigen. Wir konnten nun zeigen, dass die großräumigen Klimarekonstruktionen, die auch vom internationalen Klimarat IPCC verwendet werden, den langfristigen Abkühlungstrend über die letzten Jahrtausende unterschätzen."

Abbildung zu den Klimatemperaturen in Nordskandinavien über die letzten 2000 Jahre – Angegeben in beiden Pressemeldungen

^{(Link zur Abbildung bei der Uni Mainz)}

2012 © Foto vom Pressemelder

An Hand von Jahresringuntersuchungen ermittelter Sommer-Temperaturtrend der letzten 2000 Jahre in Nordskandinavien

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Die Justus Liebig Universität Gießen meldet - Klima in Nord-Europa während der letzten 2.000 Jahre rekonstruiert: Abkühlungstrend erstmalig präzise berechnet - Berechnungen beeinflussen auch die Beurteilung des aktuellen Klimawandels – Gießener Wissenschaftler an Veröffentlichung in "Nature Climate Change" beteiligt

^{(Info zur Meldung vom 9.7.12 – Link zur Meldung beim Informationsdienst Wissenschaft (IDW) – Link zur Pressemeldung bei der Universität Gießen als Zitiergrundlage angesurft am 13.7.12) - Nr. 156 • 9. Juli 2012}

Römerzeit und Mittelalter waren wärmer als bisher angenommen: Unter Beteiligung der Justus-Liebig-Universität Gießen hat ein internationales Forschungsteam jetzt eine 2.000-jährige Klimarekonstruktion für Nord-Europa anhand von Baumjahrringen vorgestellt. Unter Federführung der Universität Mainz kombinierte die Gießener Gruppe um Prof. Jürg Luterbacher, PhD, vom Institut für Geographie Jahrring-Dichtemessungen fossiler Kiefernbäume aus dem finnischen Lappland zu einer Zeitreihe, die bis in die Zeit 138 v. Chr. zurückreicht. Dabei hat das internationale Team erstmalig einen langfristigen Abkühlungstrend über die letzten Jahrtausende präzise berechnet. "Wir konnten zeigen, dass die historischen Temperaturen zur Römerzeit und im Mittelalter als zu kühl eingeschätzt wurden", so Professor Luterbacher. "Diese Befunde sind auch insofern von klimapolitischer Bedeutung, da sie die Beurteilung des aktuellen Klimawandels im Vergleich zu den historischen Warmphasen beeinflussen." Die neue Studie ist am Sonntag, 8. Juli 2012, in der Zeitschrift "Nature Climate Change" erschienen.

War das Klima zur Römerzeit oder im Hochmittelalter wärmer als heute? Und welche Bedeutung haben diese frühen Warmzeiten für die Einschätzung des globalen Klimawandels, wie wir ihn heute kennen? Diesen Fragen versucht die "Paläoklimatologie" zu klären: Wissenschaftler werten indirekte Klimazeugen wie Eisbohrkerne oder Seesedimente aus, um das Klima der Vergangenheit zu rekonstruieren. Für die letzten 1.000 bis 2.000 Jahre sind die wichtigsten Klimazeugen die Bäume, deren Jahrringe Informationen über kalte und warme Bedingungen speichern.

Für ihre Studie verwendeten die Forscherinnen und Forscher aus Deutschland, Finnland, Schottland und der Schweiz Messungen der Holzdichte von Bäumen aus dem finnischen Lappland. In dieser monotonen und kalten Landschaft fallen immer wieder Bäume in einen der zahlreichen Seen und bleiben dort über Jahrtausende sehr gut erhalten. Die Messungen der Holzdichte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Sommertemperaturen in diesem Raum nahe der nordischen Waldgrenze; den Forschern gelang es daher, eine Temperaturrekonstruktion von bisher unerreichter Qualität zu erstellen. Diese Rekonstruktion zeigt nun in hoher Auflösung die Wärmebedingungen zur Römerzeit und im Hochmittelalter, aber auch die Kältephasen zur Zeit der Völkerwanderung oder der späteren kleinen Eiszeit (siehe Abbildung).

Die neue Klimakurve zeigt neben diesen Kalt- und Warmphasen aber noch ein Phänomen, mit dem in dieser Form nicht zu rechnen war. Erstmalig konnten die Forscher anhand der Baumjahrringe einen viel längerfristigen Abkühlungstrend, der sich kontinuierlich über die letzten 2000 Jahre abspielte, präzise berechnen. Auf Grundlage der neuen Befunde macht dieser Trend, der durch langsame Veränderungen des Sonnenstandes, aber auch der Distanz der Erde zur Sonne verursacht wurde, ein Abkühlung von -0.3°C pro Jahrtausend aus.

"Im Prinzip erscheint diese Zahl nicht sonderlich beeindruckend", sagte Prof. Luterbacher, "allerdings ist sie im Vergleich zur globalen Erwärmung, die bis heute auch weniger als 1°C beträgt, nicht zu vernachlässigen. Wir konnten nun zeigen, dass die großräumigen Klimarekonstruktionen, die auch vom internationalen Klimarat ‚IPCC‘ verwendet werden, den langfristigen Abkühlungstrend über die letzten Jahrtausende unterschätzen."

Publikation:

Jan Esper, David C. Frank, Mauri Timonen, Eduardo Zorita, Rob J. S. Wilson, Jürg Luterbacher, Steffen Holzkämper, Nils Fischer, Sebastian Wagner, Daniel Nievergelt, Anne Verstege, Ulf Büntgen, 2012: "Orbital forcing of tree-ring data"
Nature Climate Change, 8 July 2008, DOI: 10.1038/NCLIMATE1589

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nclimate/journal/vaop/ncurrent/full/nclimate1589.html

Anmerkung der Redaktion – Prognostizierter Trend erfüllt statistische Kriterien nicht

^{(Text geschrieben am 13.7.12 – Dr. Dieter Porth)}
Mit Hilfe der N-Scan-Daten, die Professor Esper bei seiner Publikationsliste in der Datei zur Verfügung gestellt hat, wurden die Prognosen mit Hilfe des Statistikpaketes RStudio nachvollzogen. Einige Mühe machte es lediglich, die Daten korrekt in RStudio zu importieren, weil die Definition von CSV augenscheinlich von einigen Programmen gebietsspezifisch interpretiert wird.
Bei der Analyse setze ich angesichts der in sich schlüssigen Publikation voraus, dass die Daten alle aus der gleichen klimatischen Region stammten und dass die verwendete Messmethodik valide Ergebnisse liefert. Da dies nach meinem Eindruck erfüllt ist, ist die Regression der Regression zu bewerten . Für statistische Modelle muss man fordern, dass die Fehler den Erwartungswert 0 haben. Dies bedeutet, dass bei vielen Daten die Werte gleichmäßig um die Nulllinie schwanken müssen. Wenn dies nicht erfüllt ist, so erklärt die Regression einen unterstellten Verlauf nicht korrekt.
Die Darstellung der Residuen, also die Differenz zwischen den gemessenen Daten und dem mit dem Regressions-Modell berechneten Daten, zeigen über längere Zeiträume Residuen, die markant von der Nulllinie abweichen. Wegen der Abbildungen ist aus statistischer Sicht der von den Autoren unterstellte linearen Zusammenhang nicht zu halten. Die Idee des über Jahrtausende anhaltenden Abkühlungstrends ist statistisch unbegründet. Genauso könnte man au den Daten ablesen, dass man über die Jahrhunderte Trends der Abkühlung und Aufwärmung gab. Das heutige Klima wäre teile eines Aufwärmungstrends der um 1250 herum begann. Die Regressionanalyse zeigt, dass seit der Zeit die Temperatur in der Region von Nordskandinavien um zirka 0,6° pro Jahrtausend steigt. die letzten 450 Jahre hat die mittlere Temperatur um 0,45° zugenommen.

Graphiken zur statistischen Analyse der Angaben

Was die Gießener und Mainzer Forscher analysierten

^{(Graphiken erstellt am 13.7.12 mit unten stehen Programm-Code – Dr. Dieter Porth)}

2012 © Foto vom Pressemelder

Darstellung der N-Scan-Daten mit Regressionsgeraden

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2012 © Foto vom Pressemelder

Residuenplot zeigt Schwankung mit Maximum bei 200 und 1000 und Minimim bei 500 und 1300

Schwankungen beim Residuen-Plot zeigen, dass die Fehler über längere Zeiträume nicht erwartungstreu null sind. Eine wichtige Voraussetzung für die Regression ist nicht gegeben.

Regressionsanalyse der Daten für die Zeit ab 1250

Die Daten zeigen eindeutig einen Erwärmungstrend für die Region in Nordskandinavien ermittelt aus den Untersuchungen der Autoren.

2012 © Foto vom Pressemelder

Die Daten ab 1250 inklusive der berechneten Regressionsgeraden

Der Plot der Residuen zeigt, dass die Varianz gleich bleibend über die Jahrhunderte verteilt ist und einen festen Wert hat (Homoskedastizität). Auch zeigt die Graphik, dass die Fehler gleichmäßig um die Nulllinie streuen.

2012 © Foto vom Pressemelder

Der Plot der Residuen zeigt eine Gleichverteilung über die letzten 750 Jahren sowie Homoskedastizität der Daten

Eine weitere Voraussetzug für lineare Regression ist die Annahme der Normalverteilung. Dies ist wichtig, wenn man die Konfidenzintervalle bestimmen möchte

2012 © Foto vom Pressemelder

Auch scheint die Normalverteilungsannahme einigermaßen erfüllt zu sein, wie der Q-Q-Plot zeigt.

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Der R-Studio-Code zur Generierung und die Ergebnisse

Temp <- read.table("F:/R.Test/N-Scan10.txt", header=TRUE)
plot(nscan~Year, data=Temp)
temp1 <- lm(nscan~Year, data=Temp)
summary(temp1)
abline(temp1, col="green")
temp1.res <- residuals(temp1)
plot(temp1.res)
abline(a=0,b=0, col="red")
# Teilregression wegen fehlender Erwartungstreue
TempHalb <- subset(Temp,Year>1250)
temp1h <- lm(nscan~Year, data=TempHalb)
summary(temph1)
plot(nscan~Year, data=TempHalb)
abline(temp1h, col="green")
temp1h.res <- residuals(temp1h)
plot(temp1h.res)
abline(a=0,b=0, col="red")
# nutze den QQ-Plot zum Check der Normalverteilung
qqnorm(resid(temp1h)) # draws the normal Q-Q plot.
qqline(resid(temp1h), col="red")

Ergebnis für die Regression über beide Jahrtausende

Anmerkung: Die Ausgabe bei RStudio kennt keine Tabelle. Diese wurden beigefügt, um die Ergebnisse lesbar zu halten.
"
Call:
lm(formula = nscan ~ Year, data = Temp)

Residuals:

Min	1Q	Median	3Q	Max
-3.00930	-0.53631	0.01069	0.56842	2.50888

Coefficients:

	Estimate	Std. Error	t value	Pr(>|t|)
(Intercept)	1.808e-01	3.187e-02	5.673	1.59e-08	***
Year	-2.580e-04	2.843e-05	-9.073	< 2e-16	***
---
Signif. codes: 0	‘***’ 0.001	‘**’ 0.01	‘*’ 0.05	‘.’ 0.1	‘ ’ 1

Residual standard error:	0.8149	on 2142 degrees of freedom
	Multiple R-squared: 0.03701,	Adjusted R-squared: 0.03656
F-statistic:	82.32 on 1 and 2142 DF,	p-value: < 2.2e-16

Ergebnis für die Regression für die Jahre am 1250

Call:
lm(formula = nscan ~ Year, data = TempHalb)

Residuals:

Min	1Q	Median	3Q	Max
-2.53021	-0.51109	0.02192	0.51956	2.30065

Coefficients:

	Estimate	Std. Error	t value	Pr(>|t|)
(Intercept)	-1.3078369	0.2090566	-6.256	6.62e-10	***
Year	0.0006181	0.0001272	4.858	1.45e-06	***
---
Signif. codes: 0	‘***’ 0.001	‘**’ 0.01	‘*’ 0.05	‘.’ 0.1	‘ ’ 1

Residual standard error:	0.7635	on 754 degrees of freedom
	Multiple R-squared: 0.03035,	Adjusted R-squared: 0.02906
F-statistic:	23.6 on 1 and 754 DF,	p-value: 1.446e-06

Ergebnis des Anova-Test zur Signifikanz des Regression ab 1250

Analysis of Variance Table

Model 1:	nscan ~ 1
Model 2:	nscan ~ Year
Nr.	Res.Df	RSS	Df	Sum of Sq	F	Pr(>F)
1	755	453.27
2	754	439.52	1	13.755	23.596	1.446e-06	***
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Signif. codes: 0	‘***’ 0.001	‘**’ 0.01	‘*’ 0.05	‘.’ 0.1	‘ ’ 1

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