Antrieb der Variabilität

Die holozäne Temperatur- und
Niederschlagsvariabilität in Europa
(Quelle: NASA)
Programm
1.Motivation
2.Grundlagen
3.Stand des Wissens
Holozäne Temperaturvariabilität Europas
Holozäne Niederschlagsvariabilität Europas
4. Mögliche Ursachen der Variabilität
1. Motivation
• Globale Erwärmung: Überlagerung vom anthropogenen Treibhauseffekt und
natürlicher Variabilität (zB Änderung der Sonnenaktivität)
• Trennung dieser Effekte um menschlichen Anteil dieser Erwärmung zu
bestimmen
• im vorindustriellen Holozän natürliche Einflüsse dominant
• holozäne Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktion liefert Abschätzung
über
-Größenordnung
-Geschwindigkeit
-Häufigkeit
-(Ir-)Reularität
von natürlichen Klimavariationen einer Warmzeit
 Schluss auf anthropogenen Anteil
2. Grundlagen
Temperatur
• Maß für die mittlere kinetische Energie der Luftmoleküle
• Definition der World Meteorological Organization (WMO) für die
Tagesmitteltemperatur:
Messung in weißen Klimahütten, die:
• sich 2m über einer Grasfläche befinden
• mindestens 10m vom nächsten Baum entfernt sind
• ungehindert vom Wind getroffen werden können
Klimahütte (Quelle: Heribert Fleer)
Niederschlag
Niederschlag: Regen, Schnee, Hagel, aber auch Nebel und Tau
Niederschlagsmenge: Höhe der Wasserschicht, die sich durch
Niederschlag auf ebener Fläche gebildet hätte
Messstandards:
Regenmesser mit 200qcm Auffangöffnung, an
windarmer aber freier Stelle
Probleme:
Regenmesser
(Quelle: Hellmann)
• keine zufriedenstellende Methode zur quantitativen
Erfassung
• Frage der Übertragbarkeit auf die Umgebung
• Ablenkung der Niederschlagspartikeln bei Starkregenereignissen durch Messaufbau
• Schnee, Hagel, Tau, Nebel besonders schlecht zu
messen, nur in gesonderten Geräten (unterschiedliche
Messfehler!)
Zusammenhang zwischen Niederschlag und Temperatur
- Transport latenter Wärme
• mehr Niederschlag
höhere Temperatur
• aber: Umkehrschluss
höhere Temperatur
gesteigerte Verdunstung
im allgemeinen noch nicht gezeigt
Wärmeaufnahme
mehr Niederschlag
Wärmeabgabe
Verdampfungsenthalpie
von Wasser: ~2450kJ/kg
Bei 800mm Jahresniederschlag entspricht das:
 ~2GJ/(qm*y)
 ~ 60W/qm
Messreihen
Anforderungen:
• Standort der Messstationen weitab von urbanen Gebieten um
wechselnden anthropogenen Einfluss zu vermeiden
Stichwort Stadtklima:
 höhere Temperatur
 niedrigere Luftfeuchte
 länger anhaltender Starkregen (viele Kondensationskeime)
• homogene Messverfahren wegen Vergleichbarkeit
Heterogenität zB durch:
 Verwendung der Messergebnisse verschiedener Stationen von
verschiedenen Perioden als eine Messreihe
 Ortsänderung von Stationen
 Austausch von Messinstrumenten
• wünschenswert: hohe räumliche Dichte an Messstationen
Räumliche Temperaturvariabilität in Europa
(Quelle: Sweklim)
Jahresmitteltemperaturen gemittelt über die WMO-Standardperiode 1961-1990
Räumliche Jahresniederschlagsvariabilität in Europa
(Quelle: IIASA)
Jahresniederschläge gemittelt über die WMO-Standardperiode 1961-1990
Verlängerung der Messreihen
• verlässliche Messreihen reichen nur etwa 100-150 Jahre zurück
•„Verlängerung“ der Messreihen durch Proxies
• Kalibrierung der Proxies anhand der Messreihen)
• Rekonstruktion von T&P aus (Multi-)Proxydaten
Mögliche Paläoarchive:
 Eisbohrkerne
 Baumringdicken
 Baumgrenzen
 Sedimente
 Grundwasser
 Stalagmiten
 Seespiegel
und viele mehr …
Sedimentkerne (Quelle:
Pier der Wissenschaft)
Eisbohrkern
(Quelle: L. Augustin)
3. Stand des Wissens
Holozäne Temperaturvariabilität in Europa
Holozäne Temperaturvariabilität der Nordhemisphäre
Vergleich mit den Temperaturvariationen vor dem Holozän
wärmer
kälter
 weit geringere Temperaturschwankungen im Holozän als in der Zeit davor
 hohe Anforderung an zeitliche Auflösung von Proxy-Daten
Gemittelte Anomalien europäischer Temperaturaufzeichnungen
(Quelle: Brohan et al.)
• Hälfte des Anstiegs von 1890-1950 möglicherweise durch Verstädterung
• Trends in Zusammenhang mit Variabilität
 regionaler Zirkulationsmuster der oberen Atmosphäre
 des europäischen Luftdrucks
 der North Atlantic Oscillation
Temperaturtrend pro Dekade gemittelt über die Periode
von 1851-1991, auf Monate aufgeschlüsselt
(Quelle: Balling et al.)
Holozäne Niederschlagsvariabilität in Europa
Pollen aus Sedimenten
(österr. und schweiz. Alpen)
Baumringe Eisbohrkern Seeleveländerungen
(Schweiz)
(Grönland)
(Polen)
Sedimentationraten
2000BP
(Deutschland)
Relative feuchte
Zeiträume (in grau):
 3000 - 2500 BP
 3600 - 3400 BP
 4100 - 3900 BP
 5400 - 4800 BP
 6400 - 6000 BP
 7500 - 7000 BP
 8200 - 7900 BP
 9500 - 8600 BP
10500-13000BP
11000BP
(Quelle: Haas et al. und Zolitschka 1998)
Vergleich mit einer anderen Niederschlagsstudie
Phasen höhere
von Eisbergen transportierter Trockenphasen
Winterniederschlag
Seespiegel
in
in Westnorwegen
Gletscherschutt im N-Atlantik in Südspanien Mitteleuropa
0BP
11000BP
nach Norden nach Süden
(Quelle:
Magny et al.)
kalt/trocken warm/feucht
Niederschlagstrends in holozänen Kältephasen
Grenzen des
niederschlagsreicheren
Bereichs während
schwächerer
Kältephasen
Feuchterer Bereich
beim 8,2k Event
(Quelle: Magny et al.)
 Variation der niederschlagsreichen Zone wahrscheinlich Ergebnis von
wechselnder Stärke der Westlagen (Änderungen im Temperaturgradienten
zwischen hohen und niederen Breiten)
Flächengemittelte Niederschlagsaufzeichnungen Deutschlands
(Quelle: Schönwiese
und Trömel)
4. Ursachen der
Klimaschwankungen im Holozän
Auslöser von Temperaturschwankungen :
Externe Variabilität:
Interne Variabilität
Solare Variabilität
Änderung der
Sonnenaktivität
Änderung der
atmosphärischen
Zusammensetzung
Änderungen in der
Zirkulation
(Wärmetransport!)
Treibhausgase
Aerosole
(Vulkanausbrüche)
Änderung der Erdbahnparameter
(Exzentrizität, Neigung und
Ausrichtung der Rotationsachse)
Atmosphärische Zirkulation
(zB North Atlantic Oscillation)
Ozeanische Zirkulation
(Thermohaline Zirkulation)
Variabilität der Sonnenaktivität
• Zusammenhang zwischen Temperaturschwankungen und Variabilität der
Sonnenaktivität
• Effekte der Variationen alleine zu schwach
 Verstärkung dieser Effekte durch Klimasystem
Thermohaline Zirkulation (THZ)
Strahlungsbilanz
Strahlungsbilanz erfordert Wärmetransport
nach Norden, dort Wärmeabgabe an die
Atmosphäre
Wärmetransport von 1,2 PW im Atlantik nach
Norden (deutsche Kraftwerke: 122 GW)
Massenbilanz erfordert Rückströmung nach
Süden
Tiefenwasserbildung
(Quelle: Bundesministerium für Umwelt)
Tiefenwasserbildung im Nordatlantik
(Quelle: Rick Williams)
• ozeanische Zirkulation von Erwärmung der Atmosphäre beeinflusst
• Störung der Dichtezunahme hat Abnahme der Zirkulation zur Folge
• Stärke der THZ im Nordatlantik hat an Stärke verloren:
1957: 20Sv
2004: 14Sv
Hysteresisverhalten der THZ
• Verschiedene Gleichgewichtszustände der THZ:
 mehr oder minder Starke Zirkulation
 Zirkulation hört komplett auf
• werden gewisse Grenzwerte überschritten, kann System sprunghaft in
anderen Zustand übergehen
• beim 2-4fachen der vorindustriellen Konzentration an CO2 wird die THZ
komplett aufhören, Übergang möglicherweise irreversibel
Aber: Nicht nur Endkonzentration entscheidender Parameter bezüglich der
Irreversibilität, sondern auch die Rate des Anstiegs.
Atmosphäre
Atmosphäre
erwärmte
Wasserschicht
kühleres Wasser
(Quelle: T.F. Stocker)
Mögliche Störungen der THZ im Holozän
• 8,2ky Event:
 Aufgestautes Schmelzwasser des restlichen kan. Eisschildes fließt in den NA ab
„leichtes“ Süßwasser verhindert Tiefenwasserbildung
 Ende der THZ für mehrere hundert Jahre
• 6ky Coldevent:
 nicht durch Schmelzwasser erklärbar, Tiefensedimentkerne aber weisen auf
verminderte Tiefenwasserbildung hin
• Little Ice Age ?
North Atlantic Oscillation (NAO)
NAO+
(Quelle: Visbeck&Cullen, NOAA)
 stark neg. SST Anomalien vor Grönland
und positive bei den Azoren
 starkes Islandtief und Azorenhoch
NAO-
 positive SST Anomalien vor Grönland
negative bei den Azoren
 Druckzentren nicht voll entwickelt
NAO - Index
NAO-Index = Differenz der normierten Luftdruckanomalien von Islandtief
und Azorenhoch gemittelt über die Wintermonate (DJF)
NAO in der Vergangenheit
Zusammenfassung
• Holozän Zeitraum mit langzeitigen Temperaturschwankungen von ungefähr
bis zu 1°C (viel geringer als in Kaltzeiten)
• Temperaturamplituden der teilweise noch strittig, Trends einigermaßen
sicher
• über Niederschlag meist eher qualitative Aussagen möglich
• Antrieb der Variabilität:
 genaue Ursachen noch unklar (Wechselwirkungen der verschiedenen
Klimaantriebe)
 Ansatz: Änderungen der solaren Aktivität, verstärkt durch terrestrische
Zirkulationen (wohl am zutreffensten, trotzdem Vereinfachung)
 aber auch: Vulkanausbrüche, Wechsel in der Flächennutzung…
• viele unterschiedliche Meinungen und Ansätze zu den Schwankungen
 Ziel noch nicht erreicht, den anthropogenen Treibhauseffekt von den
Effekten natürlicher Variabilität zu trennen
• Zukunft ? (NAO, THC, Flächennutzung…)