Klimawandel im Industriezeitalter

Klimawandel
im Industriezeitalter
•D
Beobachtungsindizien
und Ursachen
Christian-D. Schönwiese
Universität Frankfurt/Main
Institut für Atmosphäre und Umwelt
© ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG – multi channel artificial composite colour image, 23-5-2003, 12:15 UTC
Gletscher als Klimaänderungsindikatoren
Pasterze, Hohe Tauern, Großglocknerregion
um 1900
2000
Seit 1850 haben die Alpengletscher ca. 50 % ihres Volumens verloren
(Häberli et al., 2001).
Gesellschaft für ökologische Forschung, Gletscherarchiv, Nr. 11-202006
Industriezeitalter, globale Perspektive
1998
Global-Temperatur (bodennah)
Jahresanomalien 1856 – 2004
(relativ zu 1961 – 1990)
1990
1944
1976
1956
1864
1907
Datenquelle: Jones et al., 2005; IPCC, 2001 (erg.); Analyse: Schönwiese, 2004
Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.
Global-Temperatur (bodennah)
Jahresanomalien 1856 – 2004
1998
(relativ zu 1961 – 1990)
1990
1944
1976
1956
Trendanalyse
1856-2000: +0,6 °C (0,04/Dek.)
1864
1907
Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.
Global-Temperatur (bodennah)
Jahresanomalien 1856 – 2004
1998
(relativ zu 1961 – 1990)
1990
1944
1976
1956
Trendanalyse
1856-2000: +0,6 °C (0,04/Dek.)
1901-2000: +0,7 °C (0,07/Dek.)
1864
1907
Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.
Industriezeitalter, globale Perspektive
1998
Global-Temperatur (bodennah)
Jahresanomalien 1856 – 2004
(relativ zu 1961 – 1990)
1990
1944
1976
1956
1864
1907
Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.
Trendanalyse
1856-2000: +0,6 °C (0,04/Dek.)
1901-2000: +0,7 °C (0,07/Dek.)
1981-2000: +0,3 °C (0,17/Dek.)
Ein Blick in die Stratosphäre
Global gemittelte Temperatur der Stratosphäre (16 - 24 km)
Anomalien 1960-2002
(relativ zu
Globaltemperatur
Stratosphäre
(161958-1977)
- 24 km),
Anomalien
1960
- 2002 (relativ
zu 1958 - 1977)
und einige
explosive
Vulkanausbrüche
und einige explosive Vulkanausbrüche
1
Temperaturanomalien in °C
K
Agung(1963+1)
Fernandia (1968+2)
0,5
Trend: - 1.89 °C
Trend:
- 1,9 °C
St. Augustine (1976)
El Chichón (1982)
0
Pinatubo (1991+1)
-0,5
-1
-1,5
-2
1960
1965
1970
1975
1980
1985
Zeit in Jahren
Datenquelle: Angell, 2004
1990
1995
2000
Langzeitaspekt: Nordhemisphäre - Temperatur
Rekonstruktionen
Modellsimulationen
Modellsimulationen
Mann und Jones, 2003
... und noch eine Alternative:
Jahr
Temperaturtrends 1891 - 1990
K
Datenquelle: Jones et al., 2002; Analyse: Schönwiese, 2002
Niederschlagtrends 1900 - 1999
IPCC, 2001
Übersicht beobachteter Klimatrends
in Deutschland
Klimaelement
Frühling
Sommer
Herbst
Winter
Jahr
Temperatur, 1901 - 2000
+ 0,8 °C
+ 1,0 °C
+ 1,1 °C
+ 0,8 °C
+ 1,0 °C
1981 - 2000
Niederschlag, 1901 - 2000
+ 1,3 °C
+ 13 %
+ 0,7 °C
-3%
- 0,1 °C
+9%
+ 2,3 °C
+ 19 %
+ 1,1 °C
+9%
1971 - 2000
+ 13 %
+4%
+ 14 %
+ 34 %
+ 16 %
Quellen: Rapp, 2000; Schönwiese, 2003; ergänzt
Übersicht beobachteter Klimatrends
in Deutschland
Klimaelement
Frühling
Sommer
Herbst
Winter
Jahr
Temperatur, 1901 - 2000
+ 0,8 °C
+ 1,0 °C
+ 1,1 °C
+ 0,8 °C
+ 1,0 °C
1981 - 2000
Niederschlag, 1901 - 2000
+ 1,3 °C
+ 13 %
+ 0,7 °C
-3%
- 0,1 °C
+9%
+ 2,3 °C
+ 19 %
+ 1,1 °C
+9%
1971 - 2000
+ 13 %
+4%
+ 14 %
+ 34 %
+ 16 %
Quellen: Rapp, 2000; Schönwiese, 2003; ergänzt
Vergleich Sommer-Temperatur/Niederschlag
Temperatur Deutschland, Sommer, Flächenmittel 1900-2003 (Anom.)
Temperaturanomalien in °C C
4
2003
°C
3
1947
2
1911
1983
1950
1917
1905
1992 1994
1976
1959
1964
1
1921
0
16,2
-1
-2
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
Zeit in Jahren
Korrelation: - 0,464 (21,5 %)
Niederschlag Deutschland, Som m er, Flächenm ittel 1901-2003
400
mm
350
1927
1954
1931
1956
1910
1966
1980
1987
2002
300
250
200
1921
150
1904
1964
1949
1947
1976
2003
1983
1911
100
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
Zeit in Jahren
1970
1980
1990
2000
DWD, Schönwiese et al., 2003
Temperaturanomalien Sommer (JJA) 2003
relativ zu 1961-1990 in K (Farben) bzw. in Vielfachen der Standardabweichung
(Isolinien), nach Schär et al., 2004
Todesopfer (Europa): 27000 (F 14800, I 4000, D 3500, ...)
Volkswirtschaftl. Schäden (Europa): 13 Mrd. EURO
(Quelle: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Topics 2003)
Wahrscheinlichkeitsanalyse zur Änderung der
Sommertemperatur in Deutschland 1761-2003
2003
1761
1880
3,4 °C Ereignis
(Sommer 2003)
Temperaturanomalien in °C
Trömel, 2004
Zeitabhängige Wahrscheinlichkeitsanalyse für das
Eintreten/Überschreiten des 2003-Ereignisses (3,4 °C)
(Sommertemperatur Deutschland)
p = 0,0022
entsprechend
1/455 Jahre
p < 0,0001
entsprechend
1/10000 Jahre
Jahr
Trömel, 2003 / Schönwiese et al., 2004
Impressionen vom Elbe-Hochwasser, August 2002
Todesopfer: E 37, D 22; Volkswirt. Schäden: E 13,5 Mrd. €, D 9,2 Mrd. €
(Quelle: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, 2003)
Jahreshöchstabflüsse in m3/s (Pegelmessungen)
6000
6000
Dresden/Elbe
4000
4000
2000
2000
0
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Jahr
10000
10000
Köln/Rhein
8000
8000
6000
6000
4000
4000
2000
2000
0
0
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Jahr
Menzel (PIK), 2005
Jahreshöchstabflüsse in m3/s (Pegelmessungen)
6000
6000
Dresden/Elbe
4000
4000
2000
2000
0
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Jahr
10000
10000
Köln/Rhein
8000
8000
6000
6000
4000
4000
2000
2000
0
0
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Jahr
Menzel (PIK), 2005
Beobachtete Niederschlagtrends in Deutschland
Jahr 1971 - 2000
Jahr 1901 - 2000
Schönwiese u. Janoschitz, 2005
Beobachtete Niederschlagtrends in Deutschland
Winter 1971 - 2000
Sommer 1971 - 2000
Schönwiese u. Janoschitz, 2005
Zeitliche Entwicklung der Wahrscheinlichkeit für
das Eintreten extremer monatlicher Niederschläge
Überschreitung des Perzentils 95 %
120 mm
130 mm
p=0,09  11 J.
p=0,15  7 J.
p=0,07  14 J.
Trömel 2004
Große Naturkatastrophen 1960-1999
und Schäden in Mrd. US $
Information
Anzahl
Volkswirt. Schäden
Versicherte Schäden
A
B
C
D
Faktor
1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 D:A
27
76,7
6,2
47
140,6
13,1
63
217,3
27,4
91
670,4
126,0
3,4
8,7
20,3
Ergänzung: Ereignisklassen 1980-2003
Ereignisklasse
Erdbeben
Stürme
Überschwemmungen
Sonstiges
a
22 %
32 %
30 %
16 %
b
10 %
73 %
10 %
7%
a = volkswirtschaftliche Schäden
b = versicherte Schäden
(Alle Schadensangaben in Werten von 2003)
Quelle: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft
Ergänzung: Berz, 2004 (G. Berz et al.), Topics 2003
Quelle: MüRück (G. Berz et al.), Topics 2003; Ergänzung: G. Berz, 2004
Der Weg zur Ursachendiskussion
Cubasch und Kasang, 2000
Strahlungsantriebe (troposphärisch, nach IPCC, erg.)
Industriezeitalter (ca. 1750/1800 bis 2000)
Klimafaktor
Vorz. Strahlungsantrieb Signal Signalstruktur
„Treibhausgase“, TR *
Troposphär. Sulfat, SU
+ a 2,2 - 2,7 Wm-2
-2
 a 0,2 - 0,8 Wm
Kombiniert, TR + SU
Albedo (Landnutzung)
+ a (1,4 - 2,5 Wm-2)
0 - 0,4 Wm-2
+/ a
Flugverkehr (Ci u.a.)
Vulkaneruptionen
+ a
Sonnenaktivität
El Niño (ENSO)
2 x CO2, Gleichgewicht
< 0,1 Wm-2 *

max.  3 Wm-2 **
+
0,1 - 0,5 Wm-2
+
(interne Wechselw.)
+ a
4,4 Wm-2
?
progressiver Trend
uneinheitlicher Trend
uneinheitlicher Trend
(Trends?)
(Trend?)
episodisch (1 - 3 Jahre)
fluktuativ
episodisch (Monate)
progressiver Trend
Vorzeichen: + Erwärmung, - Abkühlung; a = anthropogen
* CO2 ca. 1,5 Wm-2, O3 zusätzl. troposph. ca. 0,3 Wm-2, stratosph. ca. - 0,1 Wm-2
** Pinatubo: 1991  2.4 Wm-2, 1992  3.2 Wm-2, 1993  0.9 Wm-2; nach McCormick et al. (1995)
Quelle: IPCC, 2001, ergänzt; hier nach Schönwiese, 2003
Anomalien der globalen Mitteltemperatur:
Klimamodellsimulationen im Vergleich zu den
Beobachtungsdaten (IPCC, 2001)
0,8
Temperaturanomalien in °C
in
Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale
0,6
Neuronales Netz (Backpropagation)
0,4
0,2
0
Beobachtung
-0,2
-0,4
-0,6
2000
1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Zeit in Jahren
Quelle: A. Walter, 2001
0,8
Temperaturanomalien in °C
in
Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale
0,6
Neuronales Netz (Backpropagation)
0,4
0,2
0
Beobachtung
-0,2
Simulation
-0,4
-0,6
2000
1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Zeit in Jahren
Quelle: A. Walter, 2001
0,8
Temperaturanomalien in °C
in
Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale
0,6
Neuronales Netz (Backpropagation)
0,4
TR
0,2
0
Beobachtung
-0,2
Simulation
-0,4
-0,6
2000
1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Zeit in Jahren
Quelle: A. Walter, 2001
0,8
Temperaturanomalien in °C
in
Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale
0,6
Neuronales Netz (Backpropagation)
0,4
TR
0,2
0
Beobachtung
-0,2
Simulation
SU
-0,4
-0,6
2000
1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Zeit in Jahren
Quelle: A. Walter, 2001
0,8
Temperaturanomalien in °C
in
Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale
0,6
Neuronales Netz (Backpropagation)
0,4
TR
0,2
0
TR + SU
Beobachtung
-0,2
Simulation
SU
-0,4
-0,6
2000
1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Zeit in Jahren
Quelle: A. Walter, 2001
200
180
Sonnenflecken-Relativzahlen 1761-2003
1980
(Quelle: SIDC, Brüssel)
SRZ (Indexwerte)
160
140
120
Flecken als
Indikatoren
der Sonnenaktivität
100
80
60
Wie groß
ist der
Strahlungseffekt?
Satellitenmessungen der Sonneneinstrahlung
40
20
0
1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
0,1%
Zeit in Jahren
Parallel zu den Sonnenflecken schwankt die
Sonneneinstrahlung
(„Solarkonstante“) im
Promillebereich
(Quelle: Weltstrahlungszentrum, Davos)
Jahr
Jahr
Strahlungsantriebe und Klimasignale
Klimafaktor
Strahlungsantrieb TGL-Signal TDH-Sig.
Treibhausgase, TR
Sulfataerosol, SU
Kombiniert, TR+SU
Vulkaneruptionen
Sonnenaktivität
ENSO (SOI)
**
NAO
***
Multiple Korrelation
+ 2,1 - 2,8 Wm-2
- 0,4 - 1,5 Wm-2
+ (0,6 - 2,4 Wm-2)
- max. 1-3 Wm –2 *
+ 0,1 - 0,5 Wm-2
-
0,9 - 1.3 K
0,2 - 0,4 K
0,5 - 0,7 K
0,1 - 0,2 K
0,1 - 0,2 K
0,2 - 0,3 K
-
1,5 K
0,6 K
0,8 K
0,2 K
0,6 K
1,1 K
Signalstruktur
Progressiver Trend
Uneinheitl. Trend
Uneinheitl. Trend
Episodisch (1-3 a)
Fluktuativ (+Trend?)
Episodisch (n mon)
Quasi-fluktuativ
rm: 0.91 (83%) 0.62 (39%)
* Pinatubo-Ausbruch 1991: 2,4 Wm-2, 1992: 3,2 Wm-2, 1993: 0,9 Wm-2 (McCormick et al. 1995)
** El Niño / Southern Oscillation (Southern Oscillation Index)
*** Nordatlantik-Oszillation
IPCC, 2001; McCormick et al., 1995; Walter und Schönwiese, 1999, 2002
Folgerungen
• Im Industriezeitalter ist, global gemittelt, eine markante
bodennahe Erwärmung aufgetreten. Ursache ist, vor
allem in den letzten Jahrzehnten, höchstwahrscheinlich
der Mensch ( „anthropogener Treibhauseffekt“).
• Dies trifft auch auf die stratosphärische Abkühlung zu.
• Die Struktur dieser Klimaänderung ist jedoch räumlichjahreszeitlich sehr differenziert.
• Dies gilt noch weit ausgeprägter für den Niederschlag.
• In Deutschland ist vor allem ein Trend zu wärmeren und
niederschlagsreicheren Wintern erkennbar, aber auch
ein Trend zu heißeren (und trockeneren?) Sommern.
• Zum Teil sind diese Klimaänderungen mit häufigeren
Extremereignissen verbunden, jedoch wiederum in sehr
unterschiedlicher regional-jahreszeitlicher Ausprägung.
• Die sich daraus ergebenden Risiken für die Zukunft
erfordern baldigen und effektiven Klimaschutz
• sowie weitere intensive Klimaforschung.
Vielen Dank
für Ihr Interesse
Homepage des Autors:
http://www.geo.uni-frankfurt.de/iau/klima