Understanding and Attributing Climate Change Manuela Paumann

Präsentation zum Thema: "Understanding and Attributing Climate Change Manuela Paumann"—  Präsentation transkript:

1 Understanding and Attributing Climate Change Manuela Paumann 0206471

2 Einleitung Strahlungsantrieb und Klimareaktionen Vorindustrieller Klimawandel Lufttemperaturänderungen während des industriellen Zeitalters Können einzelne Extremereignisse durch den Treibhauseffekt erklärt werden? Temperatur der freien Atmosphäre Kann die Erwärmung des 20ten Jahrhunderts nur durch natürliche Schwankungen erklärt werden Weitere Veränderungen während des industriellen Zeitalters Gleichgewichtsklima-Sensitivität Schlussfolgerungen

3 Einführung

4 Klimawandel wird definiert, als die Veränderung des Mittels und/oder der Schwankungen der Klimaeigenschaften über einen längeren Zeitraum natürliche externe Einflüsse (Sonneneinstrahlung, Vulkane, …) tragen zu natürlichen Schwankung des Klimasystems bei anthropoge Einflüsse (Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre, …)

5 interne Schwankungen können kurzfristig sein oder über Jahre anhalten
nur durch sorgfältigen Vergleich von beobachteten Veränderungen und den erwarteten Reaktionen auf externe Antriebe kann zwischen den Effekten von äußeren Einflüssen und internen Schwankungen unterschieden werden

6 Unter der „Erkennung“ versteht man, das Verfahren für den Nachweis, dass sich das Klima in einem definierten statistischen Bereich ohne Angabe von Gründe verändert hat Eine Veränderung in den Beobachtungen zählt als „erkannt“, wenn ihre Wahrscheinlichkeit allein durch interne Schwankungen einzutreffen, sehr klein ist

7 Viele Studien verwenden Klimamodelle zur Vorhersage von erwarteten Reaktionen auf externe Antriebe. Diese Vorhersagen werden als Muster von Abweichungen in Raum und /oder Zeit dargestellt. Solche Muster nennt man „Fingerprints“

8 Unter „Zuweisung“ versteht man das Finden der wahrscheinlichsten Gründe für die Antriebe des Klimawandels Erkennung und Zuweisung erfordern ein umfangreiches Wissen der internen Klimaschwankungen Schätzung der internen Schwankungen ist sehr schwierig

9 Durch die entstehenden Unsicherheiten ist es mittlerweile notwendig, dass die Studien einheitlich beurteilt werden Eine solche Beurteilung beinhaltet: Die Anzahl der Studien Den Grad der Übereinstimmung zwischen Studien Übereinstimmung zwischen den beobachteten und den erwarteten Veränderungen Ob es andere physikalische Erklärungen für die Klimawandel gibt

10 Im ersten IPCC Bericht (1990) gab es kaum empirische Beweise für den anthropogenen Einfluss auf das Klima Im zweiten Bericht (1996) gab es bereits einen „erkennbaren“ menschlichen Einfluss auf das Klima des 20. Jahrhunderts 2001 fand man heraus, dass es sehr unwahrscheinlich ist die Erwärmung des Jahrhunderts nur auf interne Klimaschwankungen zurückzuführen

11 Strahlungsantrieb und Klimareaktionen

12 Vorwärts-Berechnung: verbindet die besten Schätzungen von Antrieben mit den besten Schätzungen aus den Klimamodellen zur Berechnung der Auswirkungen von externen Veränderungen (Antrieb) auf das Klimasystem (Reaktion). Diese Berechnungen können dann direkt mit den beobachteten Veränderungen verglichen werden. Unsicherheiten entstehen hierbei aus den Unsicherheiten im Strahlungsantrieb und aus den Modellunsicherheiten

13 In der sog. Inversen-Berechnung variiert man die Größenordnung der unsicheren Parameter aus der Vorwärts-Berechnung um den besten Fit zwischen den beobachteten Daten zu erhalten

14 Unsicherheiten existieren auch zwischen den verschiedenen natürlichen Antrieben und manchmal auch zwischen verschiedenen Zeitskalen

15 Die zeitliche Entwicklung und (in einem gewissen Umfang) die räumlichen Muster der Reaktionen des Klimas auf natürliche Antriebe unterscheidet sich von denen aus anthropogenen Antrieben. Dies macht es möglich, die Klimareaktionen auf natürlichen Antriebe (Strahlungsantrieb, Vulkane...) von den anthropogenen zu trennen

16 Vorindustrieller Klimawandel

17 Durch große Veränderungen des Klimas in der Vergangenheit erhalten wir wichtige Erkenntnisse über den derzeitigen Klimawandel. Es existieren gute Rekonstruktionen der Klimadaten für das LGM (last glacial maximum) und die Mitte des Holozäns. Seit dem TAR existieren mehrere AOGCM (atmosphere-ocean general circulation models) Simulationen. Diese Simulationen zeigen im LGM eine globale Abkühlung von 3,5°C – 5,2°C und einen stark gedämpften Wasserkreislauf mit geringer Verdunstung über den Meeren.

18 Im mittleren Holozän breitete sich der Wald weiter in den Norden aus, was ein Indiz für den Klimawandel in dieser Zeit ist (wärmere Sommer als heute). Die Simulationen zeigen eine Verstärkung des mittleren saisonalen Temperaturzyklus. Perioden wie das LGM und das mittlere Holozän werden als sog. „Benchmarks“ verwendet.

19 Für die Klimadatenreproduktionen der letzten tausend Jahre stehen uns viele Proxy-Daten zur Verfügung, dennoch existieren einige Unsicherheiten. Diese entstehen dadurch, dass verschiedene Studien verschiedene Proxy-Daten verwenden. Dennoch steht fest, dass die mittlere Temperatur auf der Nordhalbkugel in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wärmer war, als in allen anderen 50 Jahres Zyklen.

20 Alle Simulationen zeigen relativ kalte Perioden um – 1715 als Reaktion auf natürliche Antriebe, was mit den Proxy-Rekonstruktionen sehr gut übereinstimmt. Die Simulationen zeigen auch, dass ohne den anthropogenen Einfluss die starke Erwärmung der letzten Jahrzehnte nicht erklärbar wäre.

21 Lufttemperaturänderungen während des industriellen Zeitalters

22 Seit dem TAR ist jede mittlere jährliche Temperatur unter den 10 wärmsten Jahren seit Beginn der instrumentalen Aufzeichnungen. Die Geschwindigkeit der Erwärmung der letzten 50 Jahren ist fast doppelt so hoch, als die in den letzten 100 Jahren (0,13°C vs 0,07°C). Durch die größere Anzahl von Proxy-Daten seit dem TAR hat man erkannt, dass die zweite Hälfte des 20ten Jahrhunderts sehr wahrscheinlich die wärmste Periode der letzten 1300 Jahren war.

23 Seit der Mitte der 70er Jahre hat sich das Land schneller erwärmt als das Meer, während die Erwärmung des frühen 20. Jahrhunderts über Land und Meer gleich hoch war. Die Erwärmung auf der Südhalbkugel war schwächer, als die auf der Nordhalbkugel.

24 Figure 9.5. Comparison between global mean surface temperature anomalies (°C) from observations (black) and AOGCM simulations forced with (a) both anthropogenic and natural forcings and (b) natural forcings only.

25 Seit dem TAR wurde auch verstärkt auf den Anstieg der Treibhausgaskonzentration und dessen Wirkung auf die Erwärmung geachtet. Es wurden aber auch kühlende Faktoren wie Aerosole (anthropogen) bzw. Vulkanausbrüche (natürlich) untersucht.

26 Figure 9.9. Estimated contribution from greenhouse gas (red), other anthropogenic (green) and natural (blue) components to observed global mean surface temperature changes, based on ‘optimal’ detection analyses (Appendix 9.A). (a) 5 to 95% uncertainty limits on scaling factors (dimensionless) based on an analysis over the 20th century, (b) the estimated contribution of forced changes to temperature changes over the 20th century, expressed as the difference between 1990 to 1999 mean temperature and 1900 to 1909 mean temperature (°C) and (c) estimated contribution to temperature trends over to 1999 (°C per 50 years). The horizontal black lines in (b) and (c) show the observed temperature changes from the Hadley Centre/Climatic Research Unit gridded surface temperature data set (HadCRUT2v; Parker et al., 2004). The results of full space-time optimal detection analyses (Nozawa et al., 2005; Stott et al., 2006c) using a total least squares algorithm (Allen and Stott, 2003) from ensembles of simulations containing each set of forcings separately are shown for four models, MIROC3.2(medres), PCM, UKMO- HadCM3 and GFDL-R30. Also shown, labelled ‘EIV’, is an optimal detection analysis using the combined spatio-temporal patterns of response from three models (PCM, UKMO-HadCM3 and GFDL-R30) for each of the three forcings separately, thus incorporating inter-model uncertainty (Huntingford et al., 2006).

27 Es ist wahrscheinlich, dass der Anstieg der Treibhausgase alleine eine höhere Erwärmung zur Folge gehabt hätte. Dem wirkte aber die abkühlende Wirkung der Aerosole entgegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass der Anstieg der Treibhausgase in den letzten 50 Jahren eine höhere Erwärmung verursacht hat, als jeder andere Antrieb.

28 Die meisten Studien lassen zwei Antriebe weg, die aber Auswirkungen im regionalen Bereich haben können: Kohlenstoffartige Aerosole Änderungen in der Landnutzung

29 Die Veränderung der Bodenalbedo durch die Veränderung der Landnutzung ist weltweit negativ, obwohl die Abholzung der Regenwälder die Verdunstung erhöht. Die albedobedingte Kühlung ist aber sehr klein.

30 Globale Analysen verwenden Raum-Zeit Muster und bekräftigen den anthropogenen Einfluss auf das globale Klima den 20. Jahrhunderts. Eine Reihe von Studien wurden erweitert, um subglobale Ebenen zu überprüfen. Hierfür gibt es zwei Ansätze: Eine beurteilt in wieweit globale Studien Informationen über subglobale Ebenen geben können Die andere beurteilt den Einfluss externer Antriebe auf das Klima in bestimmten Regionen

31 Dabei wurde herausgefunden, dass der Treibhauseffekt auch auf subglobaler Ebene nachweisbar ist.
AGCM Modelle (atmosphere only general cirrculation) können den anthropogenen Einfluss in subglobalen Ebenen erkennen, haben aber die Schwäche, die Änderungen nicht erklären zu können.

32 Figure Comparison of multi-model data set 20C3M model simulations containing all forcings (red shaded regions) and containing natural forcings only (blue shaded regions) with observed decadal mean temperature changes (°C) from 1906 to 2005 from the Hadley Centre/Climatic Research Unit gridded surface temperature data set (HadCRUT3; Brohan et al., 2006). The panel labelled GLO shows comparison for global mean; LAN, global land; and OCE, global ocean data. Remaining panels display results for 22 sub-continental scale regions (see the Supplementary Material, Appendix 9.C for a description of the regions). This figure is produced identically to FAQ 9.2, Figure 1 except sub-continental regions were used; a full description of the procedures for producing FAQ 9.2, Figure 1 is given in the Supplementary Material, Appendix 9.C. Shaded bands represent the middle 90% range estimated from the multi-model ensemble. Note that the model simulations have not been scaled in any way. The same simulations are used as in Figure 9.5 (58 simulations using all forcings from 14 models, and 19 simulations using natural forcings only from 5 models). Each simulation was sampled so that coverage corresponds to that of the observations, and was centred relative to the to 1950 mean obtained by that simulation in the region of interest. Observations in each region were centred relative to the same period. The observations in each region are generally consistent with model simulations that include anthropogenic and natural forcings, whereas in many regions the observations are inconsistent with model simulations that include natural forcings only. Lines are dashed where spatial coverage is less than 50%.

33 Können einzelne Extremereignisse durch den Treibhauseffekt erklärt werden

34 Analysen zeigen, dass die Wahrscheinlichkeit von Extremereignissen wie Hitzewellen aufgrund des Treibhauseffekts angestiegen sind, und jene für Frost, bzw. extrem kalte Nächte abgenommen haben. Eine aktuelle Studie schätzt, dass der menschliche Einfluss das Risiko eines sehr heißen europäischen Sommers (z.b. 2003) verdoppelt hat

35 FAQ 9.1, Figure 1. Summer temperatures in Switzerland from 1864 to 2003 are, on average, about 17°C, as shown by the green curve. During the extremely hot summer of 2003, average temperatures exceeded 22°C, as indicated by the red bar (a vertical line is shown for each year in the 137-year record). The fitted Gaussian distribution is indicated in green. The years 1909, 1947 and 2003 are labelled because they represent extreme years in the record. The values in the lower left corner indicate the standard deviation (σ) and the 2003 anomaly normalised by the 1864 to 2000 standard deviation (T’/σ). From Schär et al. (2004).

36 Temperatur der freien Atmosphäre

37 Durch die Radiosondendaten konnte ein signifikanter anthropogener Einfluss auf die Temperatur in der freien Atmosphäre nachgewiesen werden. Alle Daten zeigen, dass die globale mittlere Temperatur von 1958 bis heute stärker ansteigt, als die Oberflächentemperatur. Es ist auch sehr wahrscheinlich, dass seit die Erwärmung der Troposphäre stärker ist, als auf der Erdoberfläche und das die Stratosphäre sich abgekühlt hat.

38 Es wurde auch herausgefunden, dass sich die Tropopause erhöht hat.
Verschiedene Modelle zeigen, dass die Erhöhung der Tropopause Ozon induziert ist, und die Abkühlung der Stratosphäre bzw. die Erwärmung der Troposphäre durch den Anstieg der Treibhausgase verursacht wird.

39 Figure Comparison between reanalysis and climate-model simulated global monthly mean anomalies in tropopause height. Model results are from two different PCM (Table 8.1) ensemble experiments using either natural forcings, or natural and anthropogenic forcings (ALL). There are four realisations of each experiment. Both the low-pass filtered ensemble mean and the unfiltered range between the highest and lowest values of the realisations are shown. All model anomalies are defined relative to climatological monthly means computed over 1890 to Reanalysis-based tropopause height anomalies estimated from ERA-40 were filtered in the same way as model data. The ERA-40 record spans 1957 to 2002 and was forced to have the same mean as ALL over 1960 to After Santer et al. (2003a) and Santer et al. (2004).

40 Kann die Erwärmung des 20. Jahrhundert nur durch natürliche Schwankungen erklärt werden?

41 Es ist sehr unwahrscheinlich, dass die Erwärmung des 20
Es ist sehr unwahrscheinlich, dass die Erwärmung des 20. Jahrhunderts durch natürliche Ursachen erklärt werden kann. Nur Modelle, in denen der zunehmende Einfluss der Treibhausgase (neben natürlichen Einflüssen) mitberechnet wird, liefern gute Simulationen.

42 FAQ 9.2, Figure 1. Temperature changes relative to the corresponding average for (°C) from decade to decade from to 2005 over the Earth’s continents, as well as the entire globe, global land area and the global ocean (lower graphs). The black line indicates observed temperature change, while the coloured bands show the combined range covered by 90% of recent model simulations. Red indicates simulations that include natural and human factors, while blue indicates simulations that include only natural factors. Dashed black lines indicate decades and continental regions for which there are substantially fewer observations. Detailed descriptions of this figure and the methodology used in its production are given in the Supplementary Material, Appendix 9.C.

43 Weitere Veränderungen während des industriellen Zeitalters

44 Beobachtete Veränderungen der Meerestemperaturen haben gezeigt, dass diese Veränderungen mit Modellen, die nur natürliche Einflüsse beinhalten nicht übereinstimmen. Jedoch mit denen die natürliche und anthropogene Einflüsse beinhalten. In den Modellen erkennt man, dass der Anstieg des Meeresspiegels durch anthropogene Einflüsse verursacht wird, jedoch unterschätzen sie den aktuellen Anstieg

45 Es konnte kein anthropogener Einfluss auf tropische bzw
Es konnte kein anthropogener Einfluss auf tropische bzw. außertropische Stürme festgestellt werden. Der anthropogene Einfluss hat zu einem Anstieg des gesamten atmosphärischen Wasserdampfes geführt, jedoch wird der globale Niederschlag nicht durch die Verfügbarkeit des Wasserdampfes gesteuert. Beobachtungen deuten aber darauf hin, dass sich die Häufigkeit von starken Niederschlägen erhöht hat.

46 Es wurde eine Abnahme der Ausdehnung des arktischen Meereises beobachtet, die nicht durch interne Schwankungen erklärbar ist. Jedoch hat die Meereisbedeckung auf der Südhalbkugel nicht abgenommen. Das Schmelzen der globalen Schneedecke und der Gletscher ist bedingt durch die Erderwärmung.

47 Figure Global mean (ocean-only) anomalies relative to 1987 to 2000 in column-integrated water vapour (%) from simulations with the GFDL AM2-LM2 AGCM forced with observed SSTs (red), and satellite observations from SSM/I (black, Wentz and Schabel, 2000). From Soden et al. (2005).

48 Gleichgewichtsklima- Sensitivität

49 Sie ist ein Maß für die Reaktion des Klimasystems auf einen anhaltenden Strahlungsantrieb.
Sie ist definiert als die mittlere globale Erwärmung an der Erdoberfläche aufgrund einer Verdopplung der Kohlendioxidkonzentration. Ihre Bandbreite liegt zwischen 2°C – 4°C mit dem besten Schätzwert von 3°C Änderungen des Wasserdampfes repräsentieren die stärkste Rückkopplung bezüglich der Klimasensitivität. Die größte Unsicherheitsquelle bildet dabei die Rückkopplung durch Wolken.

50 Schlussfolgerungen

51 Der Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen alleine hätte wahrscheinlich eine stärkere Erwärmung hervorgerufen. Durch vulkanische und anthropogene Aerosole wurde die Erwärmung etwas abgeschwächt. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass die Klimaänderung der letzten 50 Jahre ohne äußeren Antrieb erklärt werden kann.

52 Das beobachtete Muster von troposhärischer Erwärmung und stratosphärischer Abkühlung ist sehr wahrscheinlich durch die kombinierten Einflüsse der Treibhausgaszunahme und des stratosphärischen Ozonabbaus verursacht. Wahrscheinlich hat im Durchschnitt über jedem Kontinent, außer der Antarktis, in den letzten 50 Jahren eine signifikante anthropogene Erwärmung stattgefunden.

53 Der anthropogene Antrieb hat wahrscheinlich zu den Änderungen der Windmuster beigetragen, welche die außertropischen Zugbahnen der Stürme und Temperaturmuster in beiden Hemisphären beeinflussen. Die Temperaturen der extremsten heißen Nächte, kalten Nächte und kalten Tage haben wahrscheinlich aufgrund des anthropogenen Antriebs zugenommen.

54 Die Analyse von Klimamodellen, kombiniert mit Randbedingungen aus den Beobachtungen, ermöglicht zum ersten Mal die Angabe einer geschätzten wahrscheinlichen Bandbreite der Klimasensitivität. Der größte Teil des beobachteten Anstiegs der mittleren globalen Temperatur seit Mitte des Jahrhunderts ist sehr wahrscheinlich durch den beobachteten Anstieg der anthropogenen Treibhausgaskonzentrationen verursacht.

55 Danke für die Aufmerksamkeit