Klimaforschung im Institut für Küstenforschung des Helmholtzzentrum Geesthacht Hans von Storch 16. Juni 2011.

Präsentation zum Thema: "Klimaforschung im Institut für Küstenforschung des Helmholtzzentrum Geesthacht Hans von Storch 16. Juni 2011."—  Präsentation transkript:

1 Klimaforschung im Institut für Küstenforschung des Helmholtzzentrum Geesthacht Hans von Storch
16. Juni 2011

2 Das Institut für Küstenforschung des Helmholtz Zentrums Geesthacht
Die zentralen drei Fragen des Forschungsprogramms des sind: Welche Folgen hat der globale Wandel für die Küsten? In welchem Zustand sind Küste heute, und wie ändert sich dieser kurz- und langfristig? Wie können Veränderungen an der Küste zuverlässig und kostengünstig überwacht werden?

3 Klima Ökosysteme Überwachung
DKRZ Klima, Physik Küsten-anwendungen als Teil eines Netzwerks der Küstenforschung

4 „Klimafragen“ im IfK@HZG
Wie ändert sich das maritime Klima im Küstenraum, vor allem Nord- und Ostsee, aber auch Ostasien, Arktis? Simulationen von Vergangenheit (Jahrzehnte) und möglicher Zukünfte mit Klimamodellen. Extremereignisse in Bezug auf Stürme, Seegang, Sturmfluten . Konsistenz derzeitiger Änderungen mit zukünftig möglichen Änderungen. Klimastatistik – Methodenkritik und Anwendungen Kritik von empirischen Methoden zur Rekonstruktion vergangener Zustände (Hockeyschläger, Meeresspiegel) Entwicklung von Methoden (regionaler Meeresspiegeländerung; Konsistenz von Vergangenheit und angenommener Zukunft) Modellentwicklung: regionale Modelle von Atmosphäre (CCLM) und Ozean (TRIM) incl. Seegang (WAM) Kulturelle Darstellung von Klimarisiken und Klimawandel in der Öffentlichkeit; Postnormalität der Klimaforschung Klimaservice – Wechselwirkung mit Öffentlichkeit und Stakeholdern.

5 STORMS IN NORTHERN EUROPE – CHANGES, PERSPECTIVES, AND IMPACTS

6 Counting storms in weather maps – steady increase of NE Atlantic storms since the 1930s ….
45 min‘s · Ideally a review of the methods employed in your field to detect and analyze change and feedbacks, finishing off with what the state of the art is in the methods and suggestions for newer methods that might be transferable to hydrologic extremes · We are most interested in the methods you employ rather than a possible synthesis with hydrology · Summarize the challenges you are facing detecting and analyzing change and feedbacks and assigning causality to them

7 Popular argument When it is getting warmer, then we have more water vapor in the atmosphere, and mid-latitude storms become more intense („more fuel“). However at mid latitudes, intense storms are baroclinic, and thus driven by temperature differences – explaining, why we have more storms in the cold season that in the warm season. Unchanging extratropical storm conditions are not inconsistent with a rise in temperature

8 Homogeneity of local observations (Wind speed measurement; SYNOP Measuring net of German Weather service; Coastal stations at the German Bight; Observation period: ) Causes of inhomogenities: Changes in Instruments Sampling frequencies Measuring units Environments (e.g. trees, buildings) Station relocations (Dotted lines) Lindenberg et al., 2011

9 Representativity of near surface wind speed measurements

10 The major problem for applying statistical analysis in climate change studies is related
to the assumptions of a stationary sampling process, and to the assumption of representativity. The local data change their statistics because of changing observational practices and conditions (inhomogeneity); also their representativity for a larger area is often compromised. Usage of weather analyses, incl. re-analyses and proxies such as damages are generally not suitable.

11 For assessing recent and ongoing changes of mid-latitude storm conditions, principally two approaches are possible: Use of proxies derived from air pressure readings. Simulation by empirical or dynamical downscaling of large scale information.

12 A proxy of storminess: Intraseasonal statistics of daily geostrophic winds (pressure gradients)
Air pressure readings are mostly homogenous The scaled pressure gradient is called “geostrophic wind”. The tropospheric wind is to first order approximation proportional to atmospheric pressure gradient We use annual/seasonal percentiles (e.g., 95 or 99%iles ) of geostrophic wind derived from triangles of pressure readings as proxies for annual /seasonal storminess. Schmidt and von Storch, 1993

13 Testing the robustness of the link seasonal percentiles of geostrophic wind speed and of surface wind speeds in the virtual reality of a 50 years regional simulation Correlations between time series of geostrophic wind speed percentiles and wind speed percentiles Krueger and von Storch, 2011 Triangles used

14 Geostropic wind stats N Europe
99%iles of annual geostrophic wind speeds for a series of station triangles in the North Sea regions and in the Baltic Sea region. Alexandersson et al., 2002

15 Regionales Klima Wie sehen der bisherige und zukünftig mögliche Klimawandel regional und lokal aus? Simulation mit TRIM Modell Katja Woth Globales Geschehen Dynamisches Downscaling Pegel St. Pauli Empirisches Downscaling Zusammenarbeit u. a. mit BAW, BSH, ALR Husum, FSK Norderney, Hamburg Port Authority u.a. Hamburg, 8. Februar 2006

16 Dynamical (process based model) downscaling cascade for constructing variable regional marine weather statistics Dynamical downscaling to obtain high-resolution (10-50 km grid; 1 hourly) description of weather stream- with spectral nudging constraint - use of NCEP or ERA re-analysis allows reconstruction of regional weather in past decades ( ) - when global scenarios are used, regional scenarios with better description of space/time detail can be derived. Meteorological data are fed into dynamical models of weather-sensitive systems, such as ocean waves, catchment hydrology, long-range pollution etc.

17 Extreme value analysis of wind speed at platform K13 (southern North Sea)
January 1980-January 1997 Weisse, pers. comm.

18 Stormcount 1958-2001 t ≥ T t ≤ T Change of # Bft 8/year
Weisse et al., J. Climate, 2005 45 min‘s · Ideally a review of the methods employed in your field to detect and analyze change and feedbacks, finishing off with what the state of the art is in the methods and suggestions for newer methods that might be transferable to hydrologic extremes · We are most interested in the methods you employ rather than a possible synthesis with hydrology · Summarize the challenges you are facing detecting and analyzing change and feedbacks and assigning causality to them Change of # Bft 8/year

19 Red: buoy, yellow: radar, blue: wave model run with REMO winds
Skill in representing wave conditions significant wave height [days] wave direction [days] Red: buoy, yellow: radar, blue: wave model run with REMO winds Gerd Gayer, pers. comm., 2001

20 Der CoastDat Datensatz
Regionales Klima Der CoastDat Datensatz Detaillierte Rekonstruktionen des regionalen Wetters (1948-heute) in Nordeuropa und der marinen Bedingungen in Nord- und Ostsee. Vor allem Wind, aber auch Seegang, Sturmfluten, Strömungen; Transport von Substanzen. Plausible (IPCC) Szenarien möglicher Zukünfte des Klimas in Nordeuropa, insbesondere im Bereich von Nord- und Ostsee. Derzeit Ausbau in Richtung auf ökologische Variablen, andere Gebiete (Ostasien, Laptev See) Kunden: Ämter und Behörden mit Verantwortung im Küstenbereich (z.B. ALR) Firmen, die an Risiken (FSG Flensburg) und Möglichkeiten des Klimas (Windkraft: Butendiek) interessiert sind. Allgemeine Öffentlichkeit, Medien.

21 Some applications of Navigational safety Offshore wind
Ship design Navigational safety Offshore wind Interpretation of measurements Oils spill risk and chronic oil pollution Ocean energy Scenarios of storm surge conditions Scenarios of future wave conditions Wave Energy Flux [kW/m] Currents Power [W/m2] 21

22 Szenarien für Norddeutschland
Szenarien für Norddeutschland (gerundet): 2030: Temperaturen +1 ±0.4 Grad; Starkwind +2%±1% (Winter); Niederschlag –10% Sommer, +10% Winter (±5%); : Temperaturen +3 ±1.2 Grad; Starkwind +8%±4%; (Winter) Niederschlag –30% Sommer, +30% Winter (±10%);

23 Polar lows Spitz-bergen Scandinavia
© Dundee Satellite Receiving Station ~300 km Mesoscale (< 1000 km) sized maritime storms intense/ strong winds , severe weather occur polewards of the Polar Fronts in both hemispheres during winter typically induced by disturbances in the air flow typically driven by convective processes Here: only Northern North Atlantic Spitz-bergen Scandinavia

24 Past annual frequencies of polar lows
PLS: Polar Low Season (July-June) Zahn and von Storch, 2008

25 Downscaling scenarios
Downscaling scenarios and simulations C20 ( ) A2, B1, A1B1 ( ) … run with ECHAM5/MPIOM1 … downscaled with CLM, employing spectral nudging.

26 Projected changes in polar low frequency and vertical atmospheric stability
Differences of the area and time-averaged ice-free SST and T500hPa over the maritime northern North Atlantic as proxy for frequency of favorable polar low conditions (CMIP3/IPCC AR4) A2 C20 A1B B1 Zahn and von Storch, 2010

27 Past and future occurrence of North Atlantic Polar Lows
Past changes according to dynamical downscaling of NCEP/NCAR re-analysis Strong inter annual variability Frequency remains on a similar level – no systematic trend Polar lows become less frequent in the Northern North Atlantic in the coming 100 years according to regional modeling (dynamical downscaling) - control and scenario simulations with one GCM, and by analysis of vertical stability in a large set of (CMIP3) global climate simulations; all simulations show an increase in projected stability. The genesis regions shift northward.

28 Conclusion: Usage of proxies
Monitoring extra-tropical storminess may be based on air pressure proxies. This allows assessments for 100 and more years. Decades long upward and downwards trends have been detected in recent years in the Northern European and other regions. These trends are not sustained and have show recent reversals in all considered regions. Recent trends are not beyond the range of natural variations, as given by the historical past, but are more of intermittent character. Regional temperatures rose significantly at the same time.

29 Conclusion: Usage of dynamical downscaling
Dynamical downscaling for describing synoptic and mesoscale variability is doable. Analysis of 60 year simulations point to strong year-to-year variability, to less decade-to-decade variability and no noteworthy trend in the region of the North Atlantic/European Sector – both in terms of baroclinic storms and polar lows. Similar study done for North Atlantic Polar Lows , E Asian typhoons and medicanes. (work in progress)

30 Mediterranean hurricanes are strong mesoscale cyclones with some resemblance with tropical cyclones and polar lows (warm core, cloud-free eye, winds up to hurricane speed) that develop occasionally over the Mediterranean Sea. Medicanes 15 Jan 1995 Dynamically downscaled Leone Cavicchia, pers. comm

31 Summary: Storms Baroclinic storms and polar lows represent key climatic risks in Northern Europe. In the past, no noteworthy systematic changes have been detected, when homogeneous, sufficiently long times series of evidence has been considered. For the futures, scenarios describe the possibility for a weak intensification of strong wind cases (baroclinic storms) in winter, and a reduction and northward shift of polar low activity. Scenarios are consistent with ongoing change. The methodology, based on dynamical downscaling and the usage of proxies for storminess are well developed. They may be employed for analyzing conditions in other parts of the world.

32 Medial-kuturelle Konstruktion
Das “Klimaproblem” wird durch zwei Konstruktionen beschrieben – die medial-kulturelle und die wissenschaftliche Konstruktion. Die medial-kulturelle Konstruktion treibt den Entscheidungsprozeß, der damit suboptimal wird. Wirtschaftliche und politische Interessen treiben die mediale Konstruktion. Die medial-kulturelle Konstruktion beschädigt die wissenschaftliche Konstruktion.

33 Medial-kuturelle Konstruktion
Angenommener Meeresspiegelanstieg: 5 m 33

34 Medial-kuturelle Konstruktion

35 Der Anstieg im Umfang der wetterbedingen Schäden ist massiv – aber liegt das an einer Zunahme der extremen Wetterereignisse? Schäden durch Atlantische Hurrikane Eher nicht. “Great Miami”, 1926, Florida, Alamaba – Schäden in Nutzung wie 2005 : 139 b$ Katrina, 2005: 81 b$ Pielke, Jr., R.A., Gratz, J., Landsea, C.W., Collins, D., Saunders, M., and Musulin, R., Normalized Hurricane Damages in the United States: Natural Hazards Review Medial-kuturelle Konstruktion

36 Zwei verschiedene, wirkmächtige Konstrukte des Klimawandels – das mediale Konstrukt und das wissenschaftliche Konstrukt Medial: Klimakatastrophe Wissensschaftlich: Wandel, der einerseits verminderbar ist, andererseits Anpassung erfordert Lund und Stockholm Stürme Medial-kuturelle Konstruktion

37 Das Norddeutsche Klimabüro bei HZG
Norddeutsches Klimabüro Eingerichtet in 2006 für die Kommunikation zwischen Wissenschaft und “Stakeholdern” im Bereich des regionalen (norddeutschen) Klimawandels. Seit 2008 co-finanziert durch CliSAP. In 2009 wurden ähnliche regionale Büros eingerichtet in einem HGF Netzwerk bei AWI, FZK und UFZ. Aufgabe: Bestimmung der Bedarfe (Fragen, Sorgen) bei den Stakeholdern. Überprüfung, ob die wissenschaftlichen Antworten (und Fragen) verständlich und bedarfsgerecht sind. Aufgabe: Aufbau eines Dialogs Werkzeug: Klimaatlas Typische Stakeholder: Küstenschutz, Landwirtschaft, off-shore Aktivitäten, Tourismus, Wassermanagement, Fischerei und Stadtplanung

38 Zusammenfassung des Wissensstands für die Deutsche Nordseeküste
Wesentliche Faktoren, die Sturmflutwasserstände langfristig ändern können Änderungen bisher (1907 bis 2006) Mögliche Änderungen bis 2030 Mögliche Änderungen bis 2100 Globaler mittlerer Meeresspiegelanstieg ca. 2 dm ca. 1 – 2 dm ca. 2 – 8 dm Meteorologisch bedingter Anteil des Sturmflutwasserstandes keine ca. 0 – 1 dm ca. 1 – 3 dm Regionaler und lokaler Meeresspiegelanstieg Bisher unbekannt Wellenauflauf Gezeitenregime Regional sehr unterschiedlich Topographie 38

39 Zusammenstellung des Wissens über Klima, -wandel und -wirkung
Ostseeeinzugsgebiet – BACC #1 in 2008 fertig gestellt, gemeinsam mit HELCOM publiziert. #2 – wird derzeit vorbereitet. Metropolregion Hamburg – mit CliSAP, und Senat HH, MLUR Schleswig Holstein; Erste öffentliche Präsentation Nov Buchpublikation November 2010 Nordseeeinzugsgebiet, im Rahmen von PACES gemeinsam mit AWI; Vorbereitungen begonnen. Norddeutsches Klimabüro

40 Regionale Wahrnehmung