Systematische Fehler in der Definition von Temperaturextremen und ihre Auswirkungen

Immer stärkere Hitzeextreme gehören zu den gravierendsten und meistdiskutierten Auswirkungen des menschengemachten Klimawandels. Solche Extreme werden oft relativ zur lokalen Temperaturverteilung definiert, zum Beispiel als Überschreitung eines bestimmten Perzentils, das oft mit Hilfe eines gleitenden Fensters (engl. running window) entlang des Jahresganges berechnet wird. Ein solcher Ansatz berücksichtigt die Anpassung von Umwelt und Gesellschaft an lokale Gegebenheiten und soll Vergleiche von Extremen zwischen Regionen und Datatenstäzen sowie ein Auftreten von Hitzeextremen auch außerhalb des Sommers ermöglichen.

Implizit wird dabei angenommen, dass eine Definition von Extremen zum Beispiel als Überschreitung des 90 Perzentils dazu führt, dass Extreme mit einer mittleren Häufigkeit von ca. 10% auftreten, unabhängig von Region, Jahreszeit und Datensatz. Wir zeigen, dass diese in der wissenschaftlichen Litaratur regelmäßig getroffene Annahme nicht korrekt ist. Abhängig von der Weite des verwendeten gleitenden Festers, kann die Frequenz der Überschreitung des 90 Perzentils weniger als 5% betragen, was einem relativen Fehler von 50% entspricht. 

Da dieser Fehler auf die Stärke der jahreszeitlichen Schwankungen zurückzuführen ist, tritt er systematisch auf. Er kann zu unerwarteten Ergebnissen und zu einer falschen  Interpretationen der Extremfrequenz in verschiedenen Kontexten führen, zum Beispiel: 

• Extreme treten aufgrund des Fehlers nicht in allen Jahreszeiten mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auf. Typischerweise werden sie in der warmen Jahreszeit leicht überschätzt, in der kalten Jahreszeit leicht unterschätzt und in den Übergangszeiten stark unterschätzt.
• Vergleiche von Extremen (und abgeleiteten Größen wie Hitzewellen) zwischen Regionen sind nicht fair, wenn sich der Fehler und damit die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Extremen regional unterscheidet.
• Vergleiche von Datensätzen mit unterschiedlicher Fehlerstruktur können zu künstlichen Unterschieden führen, die fälschlicherweise als Klimamodellfehler (im Vergleich mit Beobachtungen) interpretiert werden können, obwohl sie tatsächlich auf einen Methodenfehler zurückzuführen sind.

Abbildung: Relativer Fehler in der Frequenz von Hitzeextremen basierend auf täglichen Daten von ERA5 im Mittel von 1961-1990. Extreme sind als Überschreitung des 90 Perzentils für jeden Tag im Jahr definiert, die Berechnung des Perzentils verwendet ein gleitendes Fenster über 31 Tage. Der Fehler ist die relative Abweichung von den erwarteten 10% Extremen.