A Global Assessment of Bimodality Underlying Normalized Drought Indices (SPI and SPEI)
Diese globale Bewertung bestätigt, dass die Annahme einer unimodalen Verteilung, die normalisierten Dürreindizes wie SPI und SPEI zugrunde liegt, für die meisten Standorte und Anwendungen gültig ist, wobei Bimodalität ein seltenes Phänomen darstellt, das primär auf kurze Akkumulationsperioden in ariden, hochgradig saisonalen Regionen beschränkt ist, wo sie häufig aus Datenartefakten statt aus echten klimatischen Prozessen resultiert.
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Seit Jahrzehnten verlassen sich Meteorologen und Wasserwirtschaftler auf eine bestimmte Art der Messung von Dürre, um zu entscheiden, wann eine Region in Schwierigkeiten gerät. Sie schauen nicht nur darauf, wie viel Regen gestern gefallen ist; sie schauen darauf, wie viel Regen über einen Zeitraum gefallen ist, wie zum Beispiel drei Monate oder ein Jahr, und vergleichen diesen Gesamtwert mit dem, was für diese spezifische Jahreszeit normal ist. Dieser Vergleich erzeugt einen Wert, der uns sagt, ob ein Ort feuchter oder trockener als üblich ist. Um diese Rohdaten in einen Score zu verwandeln, nutzen Wissenschaftler ein mathematisches Werkzeug, das davon ausgeht, dass die Niederschlagsmuster an einem gegebenen Ort einer einzigen, glatten Kurve folgen. Stellen Sie sich einen Hügel mit einem Gipfel in der Mitte vor; diese Form deutt darauf hin, dass die meisten Jahre durchschnittlich sind, mit weniger Jahren, die sehr nass oder sehr trocken sind, und dass der Übergang zwischen diesen Zuständen graduell verläuft. Diese Annahme war die Grundlage der globalen Dürreüberwachung, aber bis jetzt hatte niemand gründlich überprüft, ob die reale Welt überall tatsächlich dieser Form eines einzelnen Hügels entspricht.
Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, diese lang gehegte Annahme auf dem gesamten Planeten zu testen. Sie wollten wissen, ob die Niederschlagsdaten, die zur Berechnung von Dürrewerten verwendet werden, jemals zwei deutliche Gipfel anstelle von einem bilden. In der realen Welt würde ein zweigipfeliges Muster bedeuten, dass ein Ort zwei sehr unterschiedliche Arten von Wetterjahren hat: vielleicht eine Gruppe sehr trockener Jahre und eine separate Gruppe sehr nasser Jahre, mit sehr wenigen Jahren dazwischen. Wenn dieses „Doppelhügel“-Muster existiert, könnten die standardmäßigen mathematischen Werkzeuge, die zur Messung von Dürre verwendet werden, irreführend sein und potenziell die wahre Schwere von Trockenperioden verbergen oder feuchte Perioden falsch identifizieren. Die Forscher untersuchten globale Klimadaten und betrachteten dabei die Niederschlagsdaten von 1901 bis gestrigen 2021, um zu sehen, ob dieses zweigipfelige Verhalten ein häufiges Merkmal unseres Klimas oder eine seltene Ausnahme ist.
Die Studie, die Daten aus zwei großen globalen Klimadatensätzen analysierte, ergab, dass die Sorge vor einem zweigipfeligen Muster für den Großteil der Welt weitgehend unbegründet ist. Die Forscher entdeckten, dass die Single-Hill-Annahme (Einzelhügel-Annahme) in der überwiegenden Mehrheit der Orte und für fast alle Jahreszeiten zutrifft. Bimodalität, der wissenschaftliche Begriff für das Vorhandensein von zwei Gipfeln, wurde als seltenes Ereignis eingestuft. Wenn sie auftrat, geschah dies fast ausschließlich in heißen, trockenen Regionen wie den Rändern der Sahara, der Arabischen Halbinsel sowie Teilen Australiens und Südamerikas. Selbst an diesen trockenen Orten war das zweigipfelige Muster nur sichtbar, wenn man sehr kurze Zeitfenster betrachtte, wie etwa eine dreimonatige Niederschlagsakkumulation. Als die Forscher längere Zeiträume betrachteten, wie sechs Monate oder ein ganzes Jahr, verschwanden die zwei Gipfel und verschmolzen wieder zu einer einzigen, glatten Kurve. Dies deutet darauf an, dass ein spezifischer Monat in einer trockenen Wüste zwar zwei unterschiedliche Wettermodi aufweisen kann, das Klima über einen längeren Zeitraum jedoch diese Unterschiede glättet.
Die Forscher untersuchten auch, warum einige Daten den Anschein erweckten, zwei Gipfel zu haben, obwohl sie dies nicht sollten. Sie fanden heraus, dass viele Fälle scheinbar zweigipfeliger Muster gar nicht durch die Natur verursacht wurden, sondern durch Fehler in den Daten selbst. An einigen Orten enthielten die Aufzeichnungen lange Abschnitte mit identischen Zahlen, wahrscheinlich weil fehlende Daten durch Durchschnittswerte ohne entsprechende Kennzeichnung ersetzt wurden. An anderen Orten wurden die Daten auf wenige spezifische Zahlen gerundet, was künstliche Spitzen erzeugte, die wie ein zweiter Gipfel aussah. Sobald diese Datenfehler entfernt wurden, sank die Anzahl der Orte, die ein echtes zweigipfeliges Muster zeigten, signifikant. Die Studie untersuchte auch, wie die Einbeziehung von Tagen mit Null Niederschlag die Ergebnisse beeinflusste. Während die Einbeziehung von Tagen mit Null Regen in trockenen Gebieten das Erscheinen von Doppelspitzen erhöhte, stellten die Forscher fest, dass Standard-Dürreberechnungen diese Nullwerte normalerweise separat behandeln, weslich dies kein großes praktisches Problem für die meisten Anwender darstellt.
Als die Forscher den Standard-Niederschlagsindex mit einer komplexeren Version verglichen, die auch Verdunstung und die Wassernutzung durch Pflanzen berücksichtigt, blieben die Ergebnisse konsistent. Die komplexere Version zeigte noch weniger Fälle von Doppelspitzen, was darauf hindeutet, dass das Hinzufügen von mehr physikalischen Details zur Berechnung die Daten tatsächlich eher wie eine einzige, glatte Kurve aussehen lässt. Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Angst vor einer Bimodalität, welche die Regeln der Dürreüberwachung verletzt, übertrieben ist. Für den überwiegenden Teil der Welt und für die Zeitskalen, die am häufigsten von Dürreüberwachern verwendet werden, ist das Single-Hill-Modell genau. Die wenigen Orte, an denen das Modell Schwierigkeiten haben könnte, sind auf spezifische, stark saisonale trockene Klimate zwischen 30 Grad Nord und 30 Grad Süd begrenzt und nur bei Betrachtung sehr kurzer Zeiträume.
Für die Wissenschaftler und Beamten, die Dürren verfolgen, ist dieses Ergebnis eine Erleichterung. Es bedeutet, dass sie die etablierten, zuverlässigen Methoden zur Berechnung von Dürrewerten für den Großteil der Welt weiter verwenden können, ohne ihre Systeme überarbeiten zu müssen. Die Studie bietet jedoch eine spezifische Warnung für diejenigen, die in ariden Regionen mit ausgeprägten nassen und trockenen Jahreszeiten arbeiten. In diesen spezifischen Zonen, insbesondere wenn kurze Dreimonatsfenster verwendet werden, ist es ratsam, einen kurzen Blick auf die Daten zu werfen, um sicherzustellen, dass diese nicht zwei deutliche Gipfel aufweisen. Falls ein Doppelgipfel gefunden wird, stehen fortgeschrittenere mathematische Werkzeuge zur Verfügung, um dies zu handhaben, aber diese werden nur in einem winzigen Bruchteil der Fälle benötigt. Die Forschung bestätigt, dass der einfache Single-Curve-Ansatz robust ist und die Komplexität des globalen Klimas mit überraschender Genauigkeit bewältigt, wobei die seltenen Ausnahmen meist nur Eigenheiten der Daten und kein grundlegender Fehler in der Wissenschaft sind.
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