Effektive Klimaklassifikation

Grundidee der effektiven Klimaklassifikation

Eine effektive Klimaklassifikation gliedert die Erde in Regionen mit vergleichbaren Klimaverhältnissen. Dazu werden lokal gemessene Klimaelemente, vor allem langjährige Mittelwerte der Lufttemperatur und des Niederschlags, mit ihren Wirkungen auf Vegetation, Böden und Wasserhaushalt verbunden. Im Mittelpunkt stehen also die Effekte des Klimas.

Ähnliche örtliche Merkmalsprofile werden zu Klimatypen zusammengefasst. Diese Profile enthalten genau festgelegte Mittel-, Andauer-, Grenz- und Schwellenwerte für Wärme- und Niederschlagsverhältnisse. Anschließend werden benachbarte Räume mit ähnlichen Werten zu größeren Klimaregionen zusammengefasst. Dabei müssen kleinräumige Unterschiede zugunsten weniger, aber aussagekräftiger Parameter zurücktreten.

Effektive Klimakarten ähneln häufig Karten der Vegetationszonen, beruhen aber auf Messwerten und nicht unmittelbar auf Beobachtungen der Pflanzenwelt. Je besser die verwendeten Temperatur- und Niederschlagswerte die tatsächlichen Wachstumsbedingungen erfassen, desto stärker entspricht das Kartenbild der realen Vegetationsverteilung. Da nicht alle Klimafaktoren berücksichtigt werden können, gibt es jedoch immer Gebiete, deren Pflanzenformation nicht der Klassifikation entspricht. Zusätzlich werden oft Humidität oder Aridität, jahreszeitliche Besonderheiten und Gebirgsklimate einbezogen.

Im Gegensatz zur genetischen Klimaklassifikation werden Klimaregionen nicht aus den Ursachen und großräumigen Klimasystemen abgeleitet. Moderne integrative Ansätze verbinden beide Sichtweisen. Für eine genauere Abgrenzung dienen unter anderem Trolls Thermoisoplethendiagramm sowie die Klimadiagramme von Walter und Lieth. Wegen der unterschiedlichen verwendeten Messdaten wurden die verschiedenen Modelle wiederholt hinsichtlich Zuverlässigkeit und Zweckmäßigkeit diskutiert.

Köppen-Geiger-Klassifikation

Die von Wladimir Peter Köppen bis 1918 entwickelte und von Rudolf Geiger ab den 1930er-Jahren bis 1961 weitergeführte Klassifikation ist bis heute die weltweit am häufigsten verwendete effektive Klimaklassifikation. Sie orientiert sich an Vegetationsgebieten und nimmt an, dass diese durch eine einfache Kombination von Wärme- und Wassermangelgrenzen beschrieben werden können. Statt der vier großen thermischen Zonen definiert sie fünf Klimaklassen, von denen die Klassen A, C und D ausreichend warm und feucht für hochstämmige Bäume sind.

Der Klimaschlüssel besteht aus zwei bis drei Buchstaben. Der erste Buchstabe bezeichnet die Klimaklasse. Der zweite beschreibt vor allem Feuchteverhältnisse oder die Vegetation, der dritte bei C- und D-Klimaten Sommerwärme beziehungsweise Winterkälte. Die Hauptklimate sind Af(Am), Aw/As, BW, BS, Cf, Cs, Cw, Df, Dw, ET und EF; Ds wird in modernen Darstellungen gelegentlich als zwölfter Haupttyp ergänzt. Insgesamt werden heute meist 30 Klimatypen verwendet.

Die Buchstaben bedeuten unter anderem: f steht für ein ganzjährig feuchtes Klima, s für Sommertrockenheit, w für Wintertrockenheit und m für ein tropisches Monsunklima. Bei den Trockenklimaten kennzeichnen S Steppen und W Wüsten; h bedeutet ganzjährig heiß, k eine Jahresmitteltemperatur unter 18 °C bei einem wärmsten Monat über 18 °C. Bei C- und D-Klimaten stehen a, b und c für heißen, gemäßigt warmen sowie kühlen oder kalten Sommer; d bezeichnet bei D-Klimaten einen extrem kalten Winter.

Die fünf Klassen sind:

• A: Jeder Monat ist wärmer als 18 °C. Af ist tropisches Regenwaldklima, Am tropisches Monsunklima und Aw/As ein Savannenklima mit winter- beziehungsweise sommertrockener Zeit.
• B: Die nach Köppen bestimmte Trockengrenze für Baumwuchs wird unterschritten. BS bezeichnet Steppen-, BW Wüstenklimate. BSh und BWh sind heiße, BSk und BWk kalte Varianten.
• C: Der kälteste Monat liegt zwischen 18 °C und −3 °C, der wärmste über 10 °C; zugleich liegt der Jahresniederschlag über der Trockengrenze der B-Klasse. Cf ist feucht, Cs sommertrocken und Cw wintertrocken.
• D: Der kälteste Monat liegt je nach verwendeter Isotherme unter 0 °C beziehungsweise −3 °C, der wärmste über 10 °C. Df ist winterfeucht, Ds sommertrocken und Dw wintertrocken. Diese Klimate kommen fast ausschließlich auf der Nordhalbkugel vor.
• E: Der wärmste Monat bleibt unter 10 °C. ET ist Tundrenklima mit mindestens einem Monat über 0 °C, EF Eisklima mit jedem Monat unter 0 °C.

Die Untertypen a, b, c und d werden durch genaue Temperaturgrenzen bestimmt. Beispielsweise ist das europäische atlantische Klima Cfb, das kontinentale Klima Mittel- und Osteuropas Dfb, das Klima der nordischen Nadelwälder Dfc und das Mittelmeerklima Csa oder Csb.

Trockengrenze und Aussagekraft von Köppen-Geiger

Die klimatische Trockengrenze liegt dort, wo die durchschnittliche Verdunstungsrate der Niederschlagssumme im gleichen Zeitraum entspricht. Sie trennt humide von ariden Klimatypen. Für die B-Klasse verglich Köppen den Jahresniederschlag JNS mit einer Formel aus der Jahresmitteltemperatur JMT in °C.

Bei vorwiegendem Winterregen liegt die Grenze für BS bei JMT × 20 und für BW bei JMT × 10. Bei gleichmäßiger Niederschlagsverteilung lauten die Formeln (JMT + 7) × 20 beziehungsweise (JMT + 7) × 10. Bei vorwiegendem Sommerregen gelten (JMT + 14) × 20 beziehungsweise (JMT + 14) × 10. Liegt der Jahresniederschlag unter dem jeweils zutreffenden Wert, wird das Gebiet als BS oder BW eingeordnet.

Beispiele: Qysylorda in Kasachstan hat JMT = 10,6 °C und JNS = 182 mm. Bei vorwiegendem Winterregen liegt der BS-Grenzwert bei 10,6 × 20 = 212 mm, der BW-Grenzwert bei 10,6 × 10 = 106 mm; deshalb gehört der Ort zum BS-Klima. Lima in Peru hat JMT = 18,2 °C und JNS = 13 mm. Bei gleichmäßiger Verteilung ergibt sich für BW (18,2 + 14) × 10 = 322 mm, sodass Lima als BW-Klima gilt.

Die Stärke der Klassifikation liegt in ihrem logischen Aufbau, der klaren Abgrenzung durch Schwellenwerte und Andauerzeiten sowie der Beschränkung auf etwa 30 Klimatypen. Sie eignet sich besonders zur groben Orientierung und zur Darstellung globaler Klimaveränderungen, weil sich Grenzen bei Änderungen weniger Temperatur- und Niederschlagsparameter schnell verschieben.

Die Grenzen sind jedoch nur eine grobe Annäherung. Köppen nahm ursprünglich zehn theoretische Klimate an; moderne Berechnungen kommen auf höchstens zwei, Csc und Dsc. Die Klassifikation sagt die konkrete Vegetation in Teilen der Klassen B, C und D nicht zuverlässig voraus. Tropische Trockenwälder können etwa unter Aw/As und Cwa vorkommen, und das Dfa-Klima kann Mischwälder, Laubwälder, Waldsteppen oder baumfreie Steppen tragen. Entscheidend können zusätzliche Faktoren wie Vegetationsdauer, Zahl humider oder arider Monate und jährliche Temperaturamplitude sein.

Weitere Nachteile sind das hohe Alter der zugrunde liegenden Vegetationsverteilung von 1928 und die Gleichsetzung von Zonen- und Gebirgsklimaten. So werden das winterliche Klima Dortmunds und das ganzjährig durch kalte Nächte geprägte Hochlandklima von Jimma in Äthiopien beide als Cfb eingeordnet. Für ökologische und geobotanische Fragestellungen werden deshalb häufig Troll und Paffen oder ökophysiologische Klassifikationen verwendet. Außerdem weichen Köppens Trockengrenzen vom modernen UNEP-Ariditätsindex ab: Die Grenze zwischen semiariden und subhumiden Klimaten liegt bei Köppen ungefähr beim Index 0,3, bei UNEP bei 0,5; aride Gebiete reichen bei Köppen etwa bis 0,15, bei UNEP bis 0,2. Aride Räume der borealen und polaren Zonen berücksichtigte Köppen nicht.

Troll-Paffen-Klassifikation

Die von Carl Troll und Karlheinz Paffen entwickelte und 1964 erstmals veröffentlichte „Karte der Jahreszeitenklimate“ beschreibt den jahreszeitlichen Wechsel von Beleuchtung, Temperatur und Niederschlag. Sie wird besonders in Ökologie, Land- und Forstwirtschaft sowie bei den Ökozonen nach Schultz verwendet. Ihre detaillierte Einteilung orientiert sich stark an Vegetationszonen, Wuchsgebieten und phänologischen Erscheinungen und bildet die reale Vegetationsverteilung meist genauer ab als Köppen-Geiger.

Das System unterscheidet fünf Zonen: I. polare und subpolare Zonen, II. kaltgemäßigte beziehungsweise boreale Zonen, III. kühlgemäßigte Zonen, IV. warmgemäßigte Zonen und V. Tropenzone. Insgesamt entstehen 35 Klimatypen und -varietäten. Verwendet werden die Mitteltemperatur des wärmsten Monats W, die Mitteltemperatur des kältesten Monats K, die Jahresamplitude A, die Vegetationsdauer V in Tagen und die Zahl der humiden Monate h. Höhenklimate werden als extrazonale Klimate mit schwarzen Balken dargestellt.

Beispiele für die Zuordnung sind das europäische atlantische Klima als III.2, Mitteleuropa als III.3, Osteuropa als III.4, die nordischen Nadelwälder als II.2 und das Mittelmeerklima als IV.1. Das ozeanische Borealklima II.1, etwa auf den Lofoten, besitzt eine Vegetationsdauer von 120 bis 180 Tagen, W zwischen +10 und +15 °C und K zwischen +2 und −3 °C. Winterkalte Feuchtsteppenklimate III.9a, etwa in Zentral-Anatolien, werden durch K unter 0 °C, mindestens sechs humide Monate und eine kraut- und staudenreiche Hochgrassteppen-Vegetation bestimmt.

Wichtige Zonenmerkmale sind: In Zone I liegt der wärmste Monat unter 10 °C; sie reicht von hochpolaren Eisklimaten bis zu subpolaren, hochozeanischen Klimaten. Zone II hat vier Monate über 10 °C und mindestens sechs Monate Vegetationsperiode; typisch sind frostharte Nadelbäume. Zone III wird durch saisonal frostharte, sommergrüne Laub- und Mischwälder sowie durch Steppen- und Wüstenklimate geprägt. Zone IV hat eine Jahresmitteltemperatur unter 18,3 °C und frosttolerante immergrüne Laub- oder Hartlaubgehölze. Zone V ist mit über 18,3 °C Jahresmitteltemperatur frostfrei und trägt tropische Regen-, Feucht-, Trocken- und Wüstenvegetation.

Die Grenz- und Schwellenwerte überschneiden sich teilweise, weil die Wechselwirkungen mehrerer Faktoren wichtiger sind als mathematisch-statistisch exakte Grenzen. Dadurch ist die Vergleichbarkeit mit anderen Modellen eingeschränkt, ebenso die Nutzung als Vorhersagekarte für Klimaveränderungen oder für den Schulunterricht. Die Karte reagiert auf den Klimawandel träger als Köppen-Geiger, weil mehrere Parameter mit direktem Vegetationsbezug kombiniert werden; die Karte von 1964 behält deshalb trotz veränderter Datenlage im Wesentlichen ihre Gültigkeit.

Trewartha und Winterhärtezonen

Die 1966 von Glenn Thomas Trewartha veröffentlichte Trewartha-Klimaklassifikation ist eine modifizierte Köppen-Geiger-Klassifikation. Sie soll vor allem die mittleren Breiten und ihre Vegetationszonierung besser abbilden. Insgesamt unterscheidet sie 13 Klimate und wird neben Köppen-Geiger besonders in Nordamerika verwendet.

A bezeichnet tropische Klimate ohne Wintersaison. Ar ist tropisches Feuchtklima mit weniger als zwei trockenen Monaten und tropischem Regenwald; Aw ist tropisches Feucht-Trocken-Klima mit gewöhnlich zwei trockenen Monaten zur Zeit des tiefsten Sonnenstandes. B umfasst Trockenklimate, bei denen der Feuchtigkeitsverlust durch Evapotranspiration weit über der jährlichen Niederschlagssumme liegt. BW sind Wüstenklimate: BWh bezeichnet tropisch-subtropische heiße Wüsten mit acht oder mehr Monaten über 10 °C, BWk gemäßigte oder boreale kalte Wüsten mit weniger als acht solchen Monaten. BS sind Steppen- oder semiaride Klimate; BSh umfasst tropische Savannen oder subtropische Steppen, BSk gemäßigte oder boreale kalte Steppen.

C bezeichnet subtropische Klimate mit mindestens acht Monaten über 10 °C. Cf ist subtropisch-feucht, ganzjährig niederschlagsreich und typisch für die Ostseiten der Kontinente. Cs ist subtropisch mit trockenem Sommer, winterlicher Regenzeit und einer durchschnittlichen Jahresniederschlagsmenge unter 890 mm. D bezeichnet gemäßigte, auch mikrothermale Klimate mit 10 °C während vier bis acht Monaten. Do ist ein feuchtes gemäßigtes Meeresklima mit in allen zwölf Monaten mindestens 0 °C; Dc ist ein kontinentales Klima mit kalten Wintern, heißen Sommern und großen jährlichen Temperaturschwankungen. E sind subarktische oder boreale Klimate der nördlichen Hemisphäre mit kurzen kühlen Sommern, langen kalten Wintern und nur ein bis drei Monaten um 10 °C. F umfasst polare Klimate: Ft ist Tundrenklima mit 0 bis 10 °C im wärmsten Monat, Fi Eiskappenklima mit ganzjährig Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und ohne Vegetation. H bezeichnet Hochlandklimate, bei denen die Temperatur mit der Höhe abnimmt und Luv- und Leehänge unterschiedliche Niederschlagsverhältnisse aufweisen.

Die USDA-Winterhärtezonen des US Department of Agriculture klassifizieren Gebiete ausschließlich nach der durchschnittlichen kältesten Jahrestemperatur. Das System umfasst 11 Zonen mit mehreren Unterzonen und dient vor allem dazu, die nördliche Verbreitungsgrenze von Pflanzen zu bestimmen.