Mit welchen Klimaänderungen müssen wir rechnen? Eine aktuelle

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
Vortragsübersicht
• Klimabegriff
• Klimainformationen
• Übersicht des globalen Klimawandels
• Klimawandel in Europa bzw. Deutschland
• Klimawandel und Extremereignisse
• Ursächliche Hypothesen (statistisch)
• Folgerungen
Zur Unterscheidung von Wetter und Klima
Klima,
Häufigkeit
z.B. 30-jährige Statistik
Klimawandel
Mittelwert 2
Streuung
Mittelwert 1
Messgröße
Wetterereignisse
Zeitskalen in der Meteorologie/Klimatologie
106 a
103 a
Klimabegriff:
1. Klima ist die
Statistik der
Klimaelemente
(Temperatur,
Niederschlag ...)
über eine relativ
große Zeitspanne
(i.a. mindestens
30 Jahre; WMO*).
2. Klima betrifft
Langzeitzustände
der Atmosphäre
(Skala nach oben offen).
----------------------------------------*) Weltmeteorolog. Org., UN)
Schönwiese, 2008
Die „Dimensionen“ der Klimainformationen (Daten)
5-10×103 J.
3,8×109 J.
Zur historischen Entwicklung der
neoklimatologischen Informationen
• 1659: Beginn der längsten Messreihe
(Temperatur-Monatswerte „Zentral-England“)
• 1761: Beginn der „Deutschland“-Temperaturreihe
• 1780/81: Einrichtung des ersten internat. Messnetzes
(Societas Meteorologica Palatina, 39 Stationen)
• Um 1850: Weltweit ca. 300 Beobachtungsstationen
• 1863: Gründung des ersten nat. Wetterdienstes (Frankr.)
• 1872: Gründung der Internat. Meteorolog. Organisation
(IMO, seit 1950 Weltmeteorolog. Org., WMO)
• 1901: Erster Wetterballonaufstieg (R. Aßmann)
• 1938: Erste praktikable Radiosonde (unbemannter
Ballon mit Funkübertragung der Messdaten)
• Ab ca. 1950: Globales Radiosonden-Messnetz
Globales Beobachtungsnetz für bodennahe atmosphär. Daten
ca. 10 000 Stationen
+ ca. 1000 Radiosondenstationen
DWD: 634 Stationen (Niederschlag 3994 Messstellen)
WMO, 1981; Sw, 2008
Probleme der Neoklimatologie
• Die Neoklimatologie beinhaltet zwar den enormen
Vorteil, direkt gemessene und somit besonders
zuverlässige Daten in hoher räumlicher und zeitlicher
Auflösung bereitzustellen. Trotzdem gibt es einige
Probleme:
• Messfehler (bei Temperatur gering, beim Niederschlag
ggf. erheblich, z.B. auf See oder Schneefall bei Wind).
• Inhomogenitäten der Messreihen (durch Wechsel der
Messgeräte bzw. deren Handhabung, Stationsverlegungen und Veränderungen im Umfeld der Stationen,
einschließlich „Stadteffekt“).
• Repräsentanz der Messdaten, zeitlich und insbesondere
räumlich, die bei den einzelnen Messgrößen sehr
unterschiedlich ist und bei der Dichte der Messnetze
berücksichtigt werden muss. Dies ist u.a. wichtig bei der
Abschätzung von flächenbezogenen Mittelwerten (durch
geeignete Interpolations-Algorithmen).
Klimawandel der letzten ca. 2000 Jahre
(rel. zu 1961-1990)
Unsicherheit
0
200
400
600
800
1000
1200
Zeit in Jahren
1400
1600 1800 2000
Jahr
Dazu gibt es 11 Alternativen→Balkenbereich
(Unsicherheit; IPCC,2007)
Klimawandel der letzten ca. 160 Jahre
0,6
1998
Temperaturanomalien in °C
Globaltemperatur, Jahresanomalien 1850 - 2011
0,4
(CRU, relativ zu 1961-1990)
0,2
20-jähr. Glättung
1944
1878
0
Polynomialer Trend
-0,2
1964
-0,4
1976
1956
Linearer Trend 1901-2000: + 0,7 °C
-0,6
1850
1911
1862
1875
1900
1925
1950
1975
2000
Zeit in Jahren
CRU: Climatic Research Unit, University of Norwich, UK; aktuell 5583 Stationen
Temperaturanomalien in °C
0,8
Globaltemperatur, Jahresanomalien 1880-2011
0,6
CRU (Univ. Norwich, UK)
GISS (NASA, USA)
GHCN (NOAA, NCDC, USA)
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
Referenzperiode: 1951-1980
-0,6
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Zeit in Jahren
Aktuelle Stationsbasis: CRU 5583, GISS ca. 6300, GHCN 7280 Stationen
GISS: Goddard Institute for Space Studies; GHCN: Global Historical Climate Network, NOAA:
National Oceanic and Atmospheric Administration, NCDC: National Climate Data Center
Ein Blick in die Stratosphäre
Globaltemperatur Stratosphäre
(100-30 hPa, entspr. 16-24 km Höhe)
Anomalien 1960 - 2010 (relativ zu 1958 - 1977)
und einige explosive Vulkanausbrüche
1,0
°C
0,5
Agung(1963+1)
Trend: - 2,2 °C
Temperaturanomalien in
°C
Fernandia (1968+2)
St. Augustine (1976)
El Chichón (1982)
0,0
Pinatubo (1991+1)
-0,5
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
Zeit in Jahren
Datenquelle: Angell, 2011
1995
2000
2005
2010
Regionale Aspekte des Klimawandels
Temperaturtrends 1901-2000 (Jahreswerte)
Datenquelle: Jones et al., 2005; Analyse: Schönwiese et al, 2005
Klimatrends Europa
1951-2000
Temperatur in K
Sommer
Schönwiese u. Janoschitz, 2008
Klimatrends Europa
1951-2000
Temperatur in K
Winter
Schönwiese u. Janoschitz, 2008
Jährl. Niederschlagsanomalien der Landgebiete
mm
Anomalien 1901-2005 und geglättete Daten nach verschiedenen Quellen
IPCC, 2007
Absoluter Niederschlagstrend (mm) 1951-2000
Beck, Grieser, Rudolf, Schönwiese, Staeger, Trömel, 2007
Klimatrends Europa
1951-2000
Niederschlag in %
Sommer
Schönwiese u. Janoschitz, 2008
Klimatrends Europa
1951-2000
Niederschlag in %
Winter
Schönwiese u. Janoschitz, 2008
Übersicht der jahreszeitlichen Klimatrends in Deutschland
(Flächenmittelwerte, nach Schönwiese und Janoschitz, 2005)
Klimaelement, Zeitintervall
Frühling
Sommer
Herbst
Winter
Jahr
Temperatur,
1901 – 2000
+ 0,8 °C
+ 1,0 °C
+ 1,1 °C
+ 0,8 °C
+ 1,0 °C
1951 – 2000
+ 1,4 °C
+ 0,9 °C
+ 0,2 °C
+ 1,6 °C
+ 1,0 °C
Niederschlag, 1901 – 2000
+ 13 %
-3%
+9%
+ 19 %
+9%
1951 – 2000
+ 14 %
- 16 %
+ 18 %
+ 19 %
+6%
Winter
Sommer
Niederschlagtrends
1901-2000 in Prozent
.
2,0
Deutschland-Temperatur, Jahresanomalien 1761-2011
(relativ zu 1961-1990) *
Temperaturanomalien in °C
1,5
1,0
1822 1834
1779
2007
2000
1994
1989/90
1934
1868
0,5
0,0
-0,5
-1,0
1962/63
-1,5
1940
-2,0
-2,5
-3,0
1799
1805
1996
1956
30-jährige Glättung
polynomialer Trend
1829
1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Zeit in Jahren
Datenquelle:
Rapp, 2000; DWD;
Analyse:
Schönwiese
* Mittelwert 1961-1990: 8,3 °C
Mittelwert (1961-1990): 8,3 °C; 2000, 2007: 9,9 °C
Deutschland-Temperatur, Winteranomalien 1761-2012
Temperaturanomalien in °C .
6
(relativ zu 1961-1990)
4
1796
1975
1834
2007
1990
1998
2
0
2010
-2
1970
-4
1929 1940 1947
-6
-8
1985 1996
1963
1830
1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Zeit in Jahren
Datenquelle: Rapp,
2000; DWD; Analyse:
Schönwiese
Mittelwert (1961-1990): 0,2 °C: 2006/07: 4,3 °C
Deutschland-Temperatur, Sommeranomalien 1761-2011
Temperaturanomalien in °C .
4
(relativ zu 1961-1990)
2003
3
2
1826 1834
1781
1947
1859
1992/94
1983
1
0
1993
-1
-2
1821
1805
1816
1916
1913
1987
1962 1978
1956
-3
1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Zeit in Jahren
Datenquelle: Rapp,
2000; DWD; Analyse:
Schönwiese
Mittelwert (1961-1990): 16,2 °C; 2003: 19,6 °C
Auswirkungen des Klimawandels
• Kryosphäre (Meereis, Landeis,
Gebirgsgletscher)
• Meeresspiegelhöhe
• Wasserversorgung (Menge und Qualität)
• Ökosysteme und Biodiversität
• Landwirtschaft (Erträge)
• Forstwirtschaft, Fischerei, …
• Gesundheit
• Todesfälle und ökonomische Schäden
durch Extremereignisse
Wird das Klima extremer?
Düsseldorf, Aug. 2003
Dresden,
Aug. 2002
Motten (Rhön), Okt. 2005
New Orleans, Aug. 2005
Febr. 2003
NatCatSERVICE
Naturkatastrophen weltweit 1980 – 2010
Anzahl
Anzahl der Ereignisse pro Naturgefahr mit Trends
500
Erdbeben, Tsunamis, Vulkanausbrüche
450
Stürme, Unwetter, Hagel, Hitze, Kälte; Waldbrände
400
Überschwemmungen, Hangrutsch, Murenabgänge
350
300
250
200
150
100
50
1980
1982
1984
1986
Geophysikalische Ereignisse
(Erdbeben, Tsunami,
Vulkanausbruch)
1988
1990
1992
1994
Meteorologische Ereignisse
(Sturm, Unwetter, etc.)Jahr
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Hydrologische Ereignisse
(Überschwemmung,
Massenbewegung)
© 2011 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, GeoRisikoForschung, NatCatSERVICE – Stand Januar 2011
Berz, 2011
Mrd. US$
Schäden durch sog. Großkatastrophen
volkswirtschaftlich
versichert
2011: volkswirt. Schäden 380 Mrd. US$, versichert 105 Mrd. US$
Volkswirtschaftliche und versicherte Schäden in Mrd. US Dollar
Dekade
1950/59
1960/69
1970/79
1980/89
1990/99
2000/2009
Faktor *)
Anzahl
13
16
29
44
74
28
1,8
Schäden
59,9
72,4
100,8
156,1
525,5
435,2
6,0
Versich.
1,8
8,1
15,0
29,1
125,7
193,8
23,9
*) 2000/2009 gegenüber 1960/1969; Quelle: MüRück, Wirtz, 2010
Schema möglicher Änderungen von Verteilungen
Hier gezeigt am
Beispiel der
Normalverteilung
Nach IPCC, 2001;
dt. nach Hupfer u.
Börngen, 2004.
Niederschlag, Trends der Extremwert-Wahrscheinlichkeit
Überschreitung des 95%-Perzentils
Januar
August
Monatsdaten 1901-2000
Trömel 2005, Schönwiese u. Trömel 2007
Ursachen des Klimawandels (Industriezeitalter)
Cubasch und Kasang, 2000
Datenbasis, natürliche Antriebe
1366,8
Einstrahlung in W/m2 .
1366,6
Solare Einstrahlung (nach Lean)
1981
1957
1989
2000
(1860 - 2008)
1366,4
1969
1366,2
1366,0
1365,8
2008
1365,6
1986
1975
1365,4
1365,2
1996
1901
1365,0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
Quelle: J. Lean, pers. Mitt., 2009
1980
2000
Datenbasis, natürliche Antriebe
Zeit in Jahren
Strahlungsdantrieb in W/m2 .
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
-1
2008
Kasatochi
-2
1963
Agung
1983 (+1)
El Chichón
-3
-4
1992(+1)
Pinatubo
-5
-6
-7
1903 (+1)
Santa Maria
1884 (+1)
Krakatau
Vulkanismus (global, nach Grieser)
(1860-2008)
Quelle: J. Grieser, C.-D. Schönwiese, 1999; erg. nach US Smiths. Inst., 2009
Datenbasis, anthropogene Antriebe
500
ppm
465,2 ppm
Treibhausgase (GHG)
Konzentration .
450
400
CO2 -Äquivalente
350
385,6 ppm
CO2
300
290 ppm
250
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
Quelle: CDIAC (Internet), 2009; bearbeitet; RF ca. 3 Wm-2.
2000
Datenbasis, anthropogene Antriebe
0,7
Sulfatbildung, untere Atmosphäre
Emission in mg/m2 .
0,6
(Schätzung aufgrund von anthropogener SO2-Emission)
0,5
1980
0,4
0,3
0,2
1950
0,1
0
1860
1880
1900
1920
1940
1960
1980
2000
Quelle: R.J. Charlson et al., 1992; MPIM (Cubasch), extrapoliert; RF ca. 1,2 Wm-2.
Zur statistischen Ursachenanalyse (neuronales Netz)
Temperaturanomalien in °C .
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,2
Explosive Vulkanausbrüche:
Kr = Krakatau (1883)
SM = Santa Maria (1902)
Ag = Agung (1963)
SA = St. Augustine (1976)
EC = El Chichon (1982)
Pi = Pinatubo (1991)
Ka = Kasatochi (2008)
Globaltemperatur 1860-2008
Beobachtung und statistische
Simulation (neuronales Netz)
• mittleres bis starkes El Niño
Sim.
•
•
●
• •
●
●
●
●
Beob.
•
●
TR = Treibhausgassignal
SU = Sulfatpartikelsignal
TR+SU kombiniert
● sehr starkes El Niño
SU
TR
•
•
●
• •
•
TR + SU
•
EC
-0,4
Kr
1860
Ag
SM
-0,6
1880
1900
1920
• •
1940
Zeit in Jahren
1960
Pi
Ka
SA
1980
2000
Schönwiese et al., 2010
Erklärte Varianzen: anthropogen
61 %, natürlich
Schönwiese
et al. 2010 27 % (unerklärt 12 %)
Mittlere globale troposphärische Strahlungsantriebe (ca. 1750-2000; IPCC, 2007)
und empirisch-statistisch geschätzte bodennaheTemperatursignale 1860-2008
(nach Schönwiese, Walter und Brinckmann, 2010)
Klimafaktor
Signal
in °C
Signalstruktur
(zeitlich)
Art
Strahlungsantrieb
in Wm-2
„Treibhausgase“
anthr.
+ 3,0 (2,7 - 3,6)
0,9 ↔ 1,5 progressiver Trend
Troposphär. Sulfat
anthr.
- 1,2 (0,4 - 2,7)
- 0,2 ↔ 0,5 uneinheitlicher Trend
Kombiniert
anthr.
-
0,7 ↔ 1,0 uneinheitlicher Trend
Vulkaneruptionen
natürl.
ca. - (1 - 7) *)
- 0,2 ↔ 0,3 episodisch (1-3 Jahre)
Sonnenaktivität
natürl.
+ 0,1 (0,06 - 0,3)
El Niño (ENSO)
natürl.
(intern) **)
0,1 ↔ 0,2 fluktuativ
0,1 ↔ 0,2 episodisch (Monate)
*) Pinatubo: 1991 → 2.4 Wm-2, 1992 → 3.2 Wm-2, 1993 → 0.9 Wm-2, nach McCormick et al. (1995);
Reichweite nach Grieser und Schönwiese (1999); **) atmosphärisch-ozeanische Wechselwirkung
Folgerungen
• Seit ca. 1900 hat im globalen Mittel eine deutliche
Erwärmung der bodennahen Atmosphäre stattgefunden.
• Seit ca. 1960 hat sich die Stratosphäre abgekühlt.
• Regional und jahreszeitlich sind die Temperaturtrends
(der bodennahen Atmosphäre) jedoch sehr unterschiedlich, wobei in Deutschland die Erwärmung etwas
stärker gewesen ist als im globalen Mittel.
• Beim Niederschlag dominieren die Umverteilungen,
wobei in Deutschland die Sommer niederschlagsärmer
und die anderen Jahreszeiten feuchter geworden sind.
• Weltweit haben die Anzahl und Schäden durch Extremereignisse drastisch zugenommen. In Deutschland
werden die „Warmereignisse“ (milde Winter, heiße
Sommer) häufiger, beim Niederschlag z.T. sowohl
extrem viel als auch extrem wenig .
• Statistische Abschätzungen weisen auf die immer
größere Bedeutung des Klimafaktors Mensch hin.
Vielen Dank
für Ihr Interesse
Homepage des Autors:
http://www.geo.uni-frankfurt.de/iau/klima