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

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

Stabilität des Nordatlantikstromes

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

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

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

Zusammenbruch des Nordatlantikstromes Süßwassertransport T1 W T2 W q Box 1 Volumen V T1, S1 Box 2 V T2, S2 q Äquatorregion Polarregion Nordatlantik Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes (NADW = North Atlantic Deep Water Formation) Stommel Modell (1961) Quelle: Rahmstorf, 1996

Zusammenbruch des Nordatlantikstromes Quelle: Rahmstorf, PIK

Einfluss der globalen Erwärmung auf die Stärke des Nordatlantikstromes Unsicherheitsursachen Definition von h: DF(t) = h.DTNH(t) DF(t) = zusätzlicher Süßwassereintrag in den Nordatlantik DTNH(t) = Veränderung der Atmosphärentemperatur der Nordhemisphäre anfängliche THC- Stärke minit Klimasensitivität T2xCO2 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 = 106m3/s Quelle: IPCC, TAR, 2001

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

Langfristige Entwicklung CO2-Konzentration ppm Globale Mitteltemperatur °C 0.2 Kontrolllauf Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999

Langfristige Entwicklung Sv 0.1 Stärke des Nordatlantik- stromes (als Funktion der hydrologischen Sensitivität) 0.15 0.2 Nordatlantiktemperatur °C 0.2 Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999

Integrierte inverse Analyse des globalen Klimawandels

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)

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

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

Integrierte inverse Analyse der Stabilität des Nordatlantikstromes

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

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

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

Einfluss der Temperaturänderungsrate Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der hydrologischen Sensitivität ('SS' markiert die Stabilitätskurve von Stocker and Schmittner, Nature, 1997) Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der Temperaturänderungsrate (gemessen in °C/Dekade) (Hydrologische Sensitivität h = 0.046 Sv °C-1) Quelle: Zickfeld, Slawig and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)

Recheneffizientes Klimamodell ► CO2-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 ► Weitere Treibhausgase: CH4, N2O, FCKW + Ersatzstoffe, SF6 und Aerosole ► ICLIPS Klimamodell (ICM) ► Komponente des ICLIPS-Modells (Integrated Assessment of Climate Protection Strategies) Quelle: Bruckner et al., Climatic Change (2003)

Aggregiertes Modell des Weltwirtschaftssystems 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) Quelle: Nordhaus, Science, (1992), Nordhaus und Boyer (2000)

Quantifizierung von Vermeidungskosten Globale Wohlfahrt: Abdiskontierter globaler Nutzenstrom CO2-Emissionen: Prozentualer Wertschöpfungsverlust durch aktive Emissionsreduktion: Steuergrößen: Emissionsreduktionsniveau m (t); Pro-Kopf-Konsum c(t) aktive Emissionsreduktion abhängig von der Wertschöpfung

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

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

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

Exemplarische Modellanwendung Modellkalibrierung Standard “Worst Case“ Klimasensitivität T2xCO2 2.5 °C 4.5 °C Hydrologische Sensitivität h 0.03 Sv°C-1 0.05 Sv°C-1 Normative Leitplanken Standardsetzungen Zirkulationsstärke mmin 10 Sv Wohlfahrtsverlust Imax 2.0 % Maximale Anstiegsrate des Emissionsreduktionsniveaus μmax 1.33 %-Punkte/a .

Emissionskorridor unter Standardbedingungen Globale CO2-Emissionen [GtC/a] Jahr Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

Variation der Klimasensitivität Globale CO2-Emissionen [GtC/a] Jahr Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

Emissionskorridore (“Worst Case“) Globale CO2-Emissionen [GtC/a] Jahr Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

Zusammenfassung dimrise Standardbedingungen (“Best guess”) 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

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, 303-331 (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, 217-234 (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, 22-34 (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, 37-56 (2003). Bruckner, T, G Petschel-Held, M Leimbach, F.L Tóth: Methodological Aspects of the Tolerable Windows Approach, Climatic Change 56, 73-89 (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, 119-137 (2003). Zickfeld, K, T Bruckner: Reducing the Risk of Abrupt Climate Change: Emissions Corridors Preserving the Atlantic Thermohaline Circulation, Integrated Assessment 4, 106-115 (2003). Kriegler E, T Bruckner: Sensitivity Analysis of Emissions Corridors for the 21st Century, Climatic Change 66, 345-387 (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).

Kontakt: Dr. Thomas Bruckner Institut für Energietechnik Technische Universität Berlin Marchstrasse 18 D-10587 Berlin Tel.: ++49/30/31424763 Email: bruckner@iet.tu-berlin.de WWW: http://www.iet.tu-berlin.de/~bruckner