Klimawandel_03_Beobachtungen

CO2 (ppm)
Klimawandel
WS 05/06
Joachim Curtius
Institut für Physik der Atmosphäre
Universität Mainz
Inhalt
1. Überblick
2. Grundlagen
3. Klimawandel heute: Beobachtungen
4. CO2
5. Andere Treibhausgase
6. Aerosole und Wolken
7. Solare Variabilität
8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel
9. Klimageschichte
10. Klimaschutz
Strahlungshaushalt
[IPCC,2001]
kurzwellig
langwellig
einfaches Glashausmodell:
2 TA4   TB4  0
Fläche A:
IK
Fläche B:  T   T  0,7  0
4
IK
4
Bilanz:
 TA  0,7  0
4
4
A
[Kraus, 2004]
Modell:
 Atmosphäre = eine Fläche
 Erdoberfläche habe Albedo von 30%
 keine anderen Energietransporte
 natürlicher Treibhauseffekt qualitativ
4
B
Ergebnis:
TA= -18°C, TB= 30°C
TA entspricht Teff,Erde
Erweiterung des einfachen Glashausmodells:
Fläche A:
2 A TA4   A TB4  0
Fläche B:
IK
 A T   T  1  ag   0
4
4
A
[Kraus, 2004]
4
B
Ergebnis:
für TB= 288 K, folgt TA= 242 K
und A=0,78
Modell:
 Atmosphäre = eine Fläche
 Erdoberfläche habe Albedo ag
für
 keine anderen Energietransporte
 langwelliges "Fenster" mit Hilfe von A
 Wirkung von zusätzlichen Treibhausgasen
TB= 289 K, folgt TA= 243 K
und A=0,79
[IPCC,2001]
Strahlungsantrieb F:
"Änderung der Strahlungsbilanz an der Tropopause durch
Störung der Energieflüsse im Subsystem ErdoberflächeAtmosphäre" (nach Schönwiese, IPCC-Def. komplizierter).
negativer Strahlungsantrieb: Abkühlung
positiver Strahlungsantrieb: Erwärmung
semi-empirische Verknüpfung mit Temperatur
der Erdoberfläche:
d 
c
  F  T
dt
Zeitverzögerung
Klimaantwort
Strahlungsantrieb
Im langfristigen Gleichgewicht:
Änderung der
Oberflächentemperatur
Parameter:
Sensitivität
(Rückkopplungen etc.)
 F  T
Inhalt
1. Überblick
2. Grundlagen
3. Klimawandel heute: Beobachtungen
4. CO2
5. Andere Treibhausgase
6. Aerosole und Wolken
7. Solare Variabilität
8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel
9. Klimageschichte
10. Klimaschutz
anthropogener Klimawandel:
zwei Teile:
A) Detektion
B) Ursachen zuordnen
Fragestellungen:
 Um wieviel hat sich die Erde erwärmt?
 Ist diese Erwärmung ungewöhnlich?
 Haben Wasserdampf und Niederschlag zugenommen?
 Haben die Klimaextreme zugenommen?
 Sind die Beobachtungen von Klimaänderungen
untereinanderkonsistent?
3. Klimawandel heute: Beobachtungen
 Temperaturentwicklung Erdoberfläche: "Hockeystick"
 Temperaturentwicklung Ozeane, Stratosphäre etc.
 Entwicklung von Eisflächen und Gletschern
 Entwicklung Niederschlag
 Regionale Entwicklungen, Stadtklima
 Entwicklung der Extremereignisse:
 Tropische Wirbelstürme
 Hitzewellen
 Überschwemmungen
Messnetz für bodennahe atmosphärische Daten
[Schönwiese, 2003]
[IPCC,2001]
 1991-2000 wahrscheinlich wärmstes Jahrzehnt im letzten Jahrtausend
 Erwärmung im 20. Jahrhundert ist wahrscheinlich die größte im letzten Jts.
[IPCC, 2001]
Rekonstruktion für NH nach Mann et al.,1999, aus Multi-Proxy-Analyse von
Baumjahresringen, Korallen, Eisbohrkerne, Bohrlöchern, Aufzeichnungen, etc.
Weitere Rekonstruktionen
[IPCC, 2001]
Vergleich:
Simulationen von Storch et al., Science, 2004,
mit Rekonstruktionen Mann, Bradley, Hughs, Nature, 1998 (MBH)
MBH-Rekonstruktionen
geben langfristige
Schwankungen
nicht richtig wieder?
Temperaturrekonstruktion aus Bohrkernen 1500-2000
a)
c)
b)
a) Prinzip
b) 862 Rekonstruktionen
weltweit
c) gemittelte Rekonstruktion
und Vergleich mit Messung
Temperaturtrends 1901-2000 nach Zeitphasen
[IPCC,2001]
Temperaturtrends 1976-2000 nach Jahreszeiten
[IPCC,2001]
Wärmegehalt und Temperaturen der Ozeane
Links: Beobachtete (strichpunktiert, Levitus et al., Science, 2000) und modellierte
(durchgezogene Linie, Barnett et al., Science, 2001) Zunahme des Wärmegehalts
der Ozeane (obere 3000 m).
Rechts: Temperaturzunahme der Ozeane, modelliert, (Barnett et al., Science, 2001)
1.5e22 J entspricht 1 W yr m-2
Wärmegehalt der Ozeane
Hansen et al., Science 2005
 Derzeit: Nichtgleichgewicht der Energiebilanz
 Erde nimmt ~0.85 W/m2 mehr auf als sie abgibt
 Temperatur der Erdoberfläche wird weiter steigen (+0.6°C),
selbst wenn ab sofort keine weiteren Änderungen der
atmosphärischen Konzentrationen!
Trend der Änderung
der Tag-Nacht-Temperaturschwankungen:
Tages-Minimumtemperaturen allgemein stärker gestiegen als
Tages-Maximumtemperaturen
[IPCC,2001]
Maximale Temperaturabweichungen Stadtzentrum - Umland
[Schönwiese, 2003]
Mittlere Temperaturabweichung: 0.5-1.5°C
Temperaturentwicklung
Stratosphäre:
Ursachen:
Ozonrückgang
Wasserdampfzunahme
[Schönwiese, 2003]
Temperaturentwicklung obere Stratosphäre: 50 km
[Shindell]
Trend: minus 3-6°C in 20 Jahren
Zunahme von Wasserdampf am Erdboden
[IPCC, 2001]
Zunahme von
Wasserdampf
in der Stratosphäre
Ursachen:
vielfältig,
Methan
H2O-Transport
Änderung des Niederschlags nach Regionen

Zunahme des Niederschlags um 0.5 - 1%/Dekade
über Land in mittleren Breiten der NH
[IPCC, 2001]
Rhonegletscher
Pasterzegletscher
Gletscherrückgang
[IPCC, 2001]
IPCC, 2001: Arktis

Zunahme der Frühjahrstemperaturen

in geringerem Maße Zunahme der Sommertemperaturen

arktisches Meereis hat seit den 1950er Jahren im Frühling
und Sommer um 10 bis 15% abgenommen

Satellitenbeobachtungen zwischen 1978 und 1996 zeigen
eine Abnahmen um 2,8% pro Dekade

Ausdehnung der sommerlichen Schmelzperiode:
von 57 Tagen im Jahre 1979 auf 81 Tage im Jahre 1998

durchschnittliche Eisdicke seit ca. 1960 von 3,1 auf 1,8 m
oder um 42% verringert
wissenschaftliche Hintergründe: Strahlungshaushalt
[IPCC, 2001]
Abnahme der Eisflächen um mind. 10% auf der Nordhalbkugel
Zusammenfassung:

Zunahme der globalen mittleren Temperatur am Boden von 1901 bis 2000: +0.6°C
mit 95%-Vertrauensintervall: 0.2°C

drei Perioden: 1910-1945, 1946-1975, 1976-2000

Zunahme des Wärmegehalts der Ozeane; T-Zunahme um 0.037°C/Dekade in obersten 300 m

Ungleichgewicht der Erd-Energiebilanz: 0.85 W/m2, weitere 0.6°C auch bei null Emissionen

Rückgang von Gletschern und Landeis

Arktisches Packeis in Ausdehnung und Dicke stark zurückgegangen

bisher kein deutlicher Rückgang in antarktischen Temperaturen und Packeisausdehnung

positive Temperaturtrends in der freien Troposphäre, aber kleiner als am Boden

negative Temperaturtrends in der Stratosphäre

Das letzte Jahrzehnt des 20. Jht. war das wärmste Jahrzehnt des letzten Jahrtausend. (P>90%)

"Kleine Eiszeit" und "Mittelalterliche Warmzeit" nur in Europa und Nordost-Atlantik

Zunahme der Bewölkung um ~2% über Land in mittleren Breiten der NH

Zunahme des Niederschlags um 0.5 - 1%/Dekade über Land in mittleren Breiten der NH

Zunahme des Niederschlags in den Tropen

Extreme...
[IPCC, 2001]
Änderung der
Wetterextreme
[IPCC, 2001]