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Thomas Bruckner* und Kirsten Zickfeld** Kippt der Golfstrom um? Stabilitätskriterien für die Nordatlantikströmung Arbeitskreis Energie der DPG Bad Honnef.

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1 Thomas Bruckner* und Kirsten Zickfeld** Kippt der Golfstrom um? Stabilitätskriterien für die Nordatlantikströmung Arbeitskreis Energie der DPG Bad Honnef 27. April 2006 *Institut für Energietechnik, Technische Universität Berlin **School of Earth and Ocean Sciences, University of Victoria, Canada

2 Gliederung Einleitung Stabilität des Nordatlantikstromes Integrierte inverse Analyse des globalen Klimawandels Integrierte inverse Analyse der Stabilität des Nordatlantikstromes: das Integrated-Assessment-Modell dimrise Überblick Dynamisches Modell des Nordatlantikstromes Vereinfachtes Klimamodell Aggregiertes Weltwirtschaftsmodell Modellanwendung und exemplarische Ergebnisse Kosteneffektivitätsanalyse Leitplankenansatz

3 Stabilität des Nordatlantikstromes

4 Globale thermohaline Zirkulation - THC (thermohaline circulation) Quelle: Rahmstorf, Nature, 2002 Golfstrom Nordatlantikstrom

5 Der Nordatlantikstrom: die Warmwasserheizung Europas Abweichung der Durchschnittstemperatur vom breitenkreisabhängigen Mittelwert [°C] Quelle: Rahmstorf, PIK

6 Der Einfluss der globalen Erwärmung auf die Stärke des Nordatlantikstromes Quelle: D. Kasang, MPI, Hamburg

7 Zusammenbruch des Nordatlantikstromes Quelle: Rahmstorf, 1996 Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes (NADW = North Atlantic Deep Water Formation) Box 1 Volumen V T 1, S 1 Box 2 V T 2, S 2 ÄquatorregionPolarregion T1T1 T2T2 WW Süßwassertransport q q Nordatlantik Stommel Modell (1961)

8 Zusammenbruch des Nordatlantikstromes Quelle: Rahmstorf, PIK

9 Einfluss der globalen Erwärmung auf die Stärke des Nordatlantikstromes Unsicherheitsursachen Definition von h: F(t) = h. T NH (t) F(t) = zusätzlicher Süßwassereintrag in den Nordatlantik T NH (t) = Veränderung der Atmosphärentemperatur der Nordhemisphäre anfängliche THC- Stärke m init KlimasensitivitätT 2xCO2 Hydrologische Sensitivität h Simulierte Stärke der Atlantischen Zirkulation (relativ zum Mittelwert der Jahre 1961–1990) für das IS92a Business-as-usual Emissionsszenario 1 Sv = 1 Sverdrup = 10 6 m 3 /s Quelle: IPCC, TAR, 2001

10 Einfluss der globalen Erwärmung auf die Stärke des Nordatlantikstromes Quelle: Rahmstorf, Nature, 1999 Klimamodelle: PIK: CLIMBER2 (Potsdam) GFDL: R15 (Princeton) CSIRO: GM version (Melbourne) CCC: GCM2/MOM1.1 (Victoria) Hadley: HADCM2 (Bracknell) MPI: ECHAM4/OPYC (Hamburg)

11 CO 2 -Konzentration Globale Mitteltemperatur Kontrolllauf ppm °C°C Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999 Langfristige Entwicklung

12 Sv °C Stärke des Nordatlantik- stromes Nordatlantiktemperatur C 0 Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999 Langfristige Entwicklung (als Funktion der hydrologischen Sensitivität)

13 Integrierte inverse Analyse des globalen Klimawandels

14 Leitplankenansatz (Tolerable Windows Approach) Informierte, explizit normative Vorgabe von Leitplanken zum Ausschluss von intolerablen Klimafolgen sowie von sozio-ökonomisch nicht-akzeptablen Emissionsminderungsmaßnahmen Wissenschaftliche Analyse der Wechselwirkungen zwischen den problemrelevanten Subsystemen (globale Volkswirtschaft, Klima, Ökosysteme) Ermittlung der Gesamtheit aller unter Beachtung der normativ gesetzten Grenzen zulässigen Klimaschutzstrategien durch den Einsatz eines dafür geeigneten Integrated-Assessment-Modells Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU, 1995)

15 Konzeptionelle Betrachtung Normative Leitplankensetzung: Toleranzgrad 0 1 Klimawandel Toleranzgrad 0 1 Emissionsreduktion Klimafolgen (KF): Sozioökonomische Folgen von Klimaschutz- maßnahmen (SF) Wissenschaftliche Analyse: Klimawandel Emissionsreduktion Ermittlung der Gesamtheit aller zulässigen Klimaschutzstrategien: Toleranzgrad 0 1 Emissionsreduktion Toleranzgrad 0 1 Emissionsreduktion Toleranzgrad 0 1 Emissionsreduktion Quelle: Bruckner et al., Environmental Modeling and Assessment (1999)

16 Integrated-Assessment Modelle Wirtschaftsmodell Klimamodell Spurengasmodelle Energiesystemmodell & Agrarmodell DemographieTechnischer Fortschritt Klima- folgen- modell 1 Klima- folgen- modell 2 Klimaschäden Staatliche Rahmenbedingungen Leitplanken (Grenzwerte) Klima- folgen- modell 3

17 Integrierte inverse Analyse der Stabilität des Nordatlantikstromes

18 Das Integrated-Assessment-Modell dimrise dimrise – dynamic integrated model of regular impacts and singular events Komponenten Dynamisches Modell des Nordatlantikstromes Vereinfachtes Klimamodell Aggregiertes Weltwirtschaftsmodell

19 Dynamisches Modell der THC Dynamisches Boxmodell (Erweiterung des klassischen, statischen Stommel-Modells) Kalibriert an Ergebnissen des CLIMBER 2 Klimamodells (Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung) Quelle: Zickfeld und Bruckner, Integrated Assessment, 2003; Zickfeld, Slawig, und Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004) Gleich- gewichts- lösung (rot) CLIMBER 2 (durchgezogen) Box-Modell (gestrichelt) Süßwassereintrag [Sv] Zirkulationsstärke [Sv]

20 Einfluss der hydrologischen Sensitivität h Quelle: Zickfeld, Slawig, and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004) Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der hydrologischen Sensitivität h (gemessen in Sv °C -1 )

21 Einfluss der Temperaturänderungsrate Quelle: Zickfeld, Slawig and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004) Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der Temperaturänderungsrate (gemessen in °C/Dekade) (Hydrologische Sensitivität h = Sv °C -1 ) Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der hydrologischen Sensitivität ('SS' markiert die Stabilitätskurve von Stocker and Schmittner, Nature, 1997)

22 Recheneffizientes Klimamodell Quelle: Bruckner et al., Climatic Change (2003) CO 2 -Kreislauf: Nichtlineare Erweiterung der differentiellen Darstellung der Impulsantwort des 3-dim. HAMOCC Modells (MPI für Meteorologie, Hamburg) Klimasystem: Differentielle Darstellung der Impulsantwort des gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modells (GCM) ECHAM 3 (MPI für Meteorologie, Hamburg) Weitere Treibhausgase: CH 4, N 2 O, FCKW + Ersatzstoffe, SF 6 und Aerosole ICLIPS Klimamodell (ICM) Komponente des ICLIPS-Modells (Integrated Assessment of Climate Protection Strategies)

23 DICE – Dynamic Integrated model of Climate and the Economy Intertemporales Modell des optimalen Wachstums (Ramsey-Modell) mit endogenen Investitionsentscheidungen und Abbildung der Kapitalakkumulation Abbildung der Wertschöpfung durch eine Cobb-Douglas-Produktionsfunktion mit exogenem technologischen Wandel Darstellung der sozioökonomischen Emissionsminderungskosten durch Quantifizierung der globalen Wohlfahrtsverluste Konzeptionelles Modell (Proof-of-Concept, zu ersetzen durch ein multiregionales Weltwirtschaftsmodell mit endogenem technologischen Wandel) Aggregiertes Modell des Weltwirtschaftssystems Quelle: Nordhaus, Science, (1992), Nordhaus und Boyer (2000)

24 Quantifizierung von Vermeidungskosten Globale Wohlfahrt: Abdiskontierter globaler Nutzenstrom CO 2 -Emissionen: Prozentualer Wertschöpfungsverlust durch aktive Emissionsreduktion: Steuergrößen: Emissionsreduktionsniveau (t); Pro-Kopf-Konsum c(t) aktive Emissionsreduktion abhängig von der Wertschöpfung

25 Normative Leitplankensetzung (Constraints) Klimaleitplanke: Verhinderung eines THC Zusammenbruchs Zirkulationsstärke Sozioökonomische Leitplanken: Maximaler prozentualer Wohlfahrtsverlust relativ zur Referenzentwicklung (RC) Maximale Anstiegsrate des Emissionsreduktionsniveaus

26 Modellanwendungsmöglichkeiten Oberste Zielsetzung: Erhaltung der THC Kosten-Effektivitäts-Analyse Leitplankenansatz Kosteneffiziente Emissionspfade Emissionskorridore

27 Perzeption des globalen Klimawandels Wissenschaftliche Sichtweise: Normative Sichtweise: Klimawandel Klimafolgen Nicht signifikante Impakts Signifikante, aber nicht singuläre Impakts Katastrophale Impakts Critical LevelCritical Threshold Klimawandel Toleranzniveau Toleranzbereich Intoleranzbereich Critical Level Leitplanke < Critical Threshold 0 1 Unentscheidbarkeit

28 Exemplarische Modellanwendung ModellkalibrierungStandardWorst Case KlimasensitivitätT 2xCO2 2.5 °C4.5 °C Hydrologische Sensitivitäth0.03 Sv°C Sv°C -1 Normative LeitplankenStandardsetzungen Zirkulationsstärkem min 10 Sv WohlfahrtsverlustI max 2.0 % Maximale Anstiegsrate des Emissionsreduktionsniveaus μ max 1.33 %-Punkte/a.

29 Emissionskorridor unter Standardbedingungen Jahr Globale CO 2 -Emissionen [GtC/a] Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

30 Variation der Klimasensitivität Jahr Globale CO 2 -Emissionen [GtC/a] Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

31 Emissionskorridore (Worst Case) Jahr Globale CO 2 -Emissionen [GtC/a] Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

32 Zusammenfassung dimrise ein vollständig gekoppeltes Integrated-Assessment-Modell zur Analyse potentieller Instabilitäten der THC ermöglicht die Bestimmung kosteneffizienter Emissionspfade sowie die Berechnung von Emissionskorridoren (Proof of Concept) Standardbedingungen (Best guess) Kosteneffizienter Pfad entspricht dem Business-as-usual-Szenario weite Emissionskorridore große Unsicherheit Worst-case Bedingungen das Business-as-usual-Szenario verlässt den Emissionskorridor innerhalb der nächsten zwei Dekaden

33 Ausgewählte Literatur Petschel-Held, G, H-J Schellnhuber, T Bruckner, F.L Tóth, K Hasselmann: The Tolerable Windows Approach: Theoretical and Methodological Foundations, Climatic Change 41, (1999). Bruckner, T, G Petschel-Held, F.L Tóth, H-M Füssel, C Helm, M Leimbach, H J Schellnhuber: Climate Change Decision-Support and the Tolerable Windows Approach. Environmental Modeling and Assessment 4, (1999). Tóth, F.L, T Bruckner, H-M Füssel, M Leimbach, G Petschel-Held, H-J Schellnhuber: Exploring Options for Global Climate Policy: A New Analytical Framework, Environment 44/5, (2002). Tóth, F.L., T Bruckner, H-M Füssel, M Leimbach, G Petschel-Held: Integrated Assessment of Long-Term Climate Policies: Part 1 - Model Presentation, Climatic Change 56, (2003). Bruckner, T, G Petschel-Held, M Leimbach, F.L Tóth: Methodological Aspects of the Tolerable Windows Approach, Climatic Change 56, (2003). Bruckner, T, G Hooss, H-M Füssel, K Hasselmann: Climate System Modeling in the Framework of the Tolerable Windows Approach: The ICLIPS Climate Model, Climatic Change 56, (2003). Zickfeld, K, T Bruckner: Reducing the Risk of Abrupt Climate Change: Emissions Corridors Preserving the Atlantic Thermohaline Circulation, Integrated Assessment 4, (2003). Kriegler E, T Bruckner: Sensitivity Analysis of Emissions Corridors for the 21 st Century, Climatic Change 66, (2004). Zickfeld, K, T Slawig, S. Rahmstorf: A Low-order Model for the Response of the Atlantic Thermohaline Circulation to Climate Change. Ocean Dynamics 54(1), 8–26 (2004). Bruckner, T, K Zickfeld: Low Risk Emissions Corridors for Safeguarding the Atlantic Thermohaline Circulation, Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change (2006, accepted).

34 Kontakt: Dr. Thomas Bruckner Institut für Energietechnik Technische Universität Berlin Marchstrasse 18 D Berlin Tel.: ++49/30/ WWW:http://www.iet.tu-berlin.de/~bruckner


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