„Golfstrom“ um? Stabilitätskriterien für die Nordatlantik Strömung

Arbeitskreis Energie der DPG • Bad Honnef • 27. April 2006
Kippt der “Golfstrom” um?
Stabilitätskriterien für die
Nordatlantikströmung
Thomas Bruckner* und Kirsten Zickfeld**
*Institut für Energietechnik,
Technische Universität Berlin
**School of Earth and Ocean Sciences,
University of Victoria, Canada
Gliederung
Einleitung
► Stabilität des Nordatlantikstromes
► Integrierte inverse Analyse des globalen Klimawandels
Integrierte inverse Analyse der Stabilität des Nordatlantikstromes:
das Integrated-Assessment-Modell dimrise
►
►
►
►
Überblick
Dynamisches Modell des Nordatlantikstromes
Vereinfachtes Klimamodell
Aggregiertes Weltwirtschaftsmodell
Modellanwendung und exemplarische Ergebnisse
► Kosteneffektivitätsanalyse
► Leitplankenansatz
Stabilität des Nordatlantikstromes
Globale thermohaline Zirkulation
- THC (thermohaline circulation)
Golfstrom
Nordatlantikstrom
Quelle: Rahmstorf, Nature, 2002
Der Nordatlantikstrom:
die „Warmwasserheizung“ Europas
Abweichung der Durchschnittstemperatur
vom breitenkreisabhängigen Mittelwert [°C]
Quelle: Rahmstorf, PIK
Der Einfluss der globalen Erwärmung auf die
Stärke des Nordatlantikstromes
Quelle: D. Kasang, MPI, Hamburg
Zusammenbruch des Nordatlantikstromes
Süßwassertransport
T1
W
T2
W
q
Box 1
Box 2
Volumen V
V
q
T1, S1
Äquatorregion
T2, S2
Polarregion
Nordatlantik
Stabilitätsdiagramm des
Nordatlantikstromes
(NADW = North Atlantic Deep Water Formation)
Stommel Modell (1961)
Quelle: Rahmstorf, 1996
Zusammenbruch des Nordatlantikstromes
Quelle: Rahmstorf, PIK
Einfluss der globalen Erwärmung
auf die Stärke des Nordatlantikstromes
Unsicherheitsursachen
anfängliche THCStärke
minit
Klimasensitivität
T2xCO2
Hydrologische
Sensitivität
h
Definition von h:
DF(t) = h.DTNH(t)
Simulierte Stärke der Atlantischen Zirkulation
(relativ zum Mittelwert der Jahre 1961–1990)
für das IS92a Business-as-usual Emissionsszenario
1 Sv = 1 Sverdrup = 106m3/s
DF(t) = zusätzlicher
Süßwassereintrag in den
Nordatlantik
DTNH(t) = Veränderung der
Atmosphärentemperatur
der Nordhemisphäre
Quelle: IPCC, TAR, 2001
Einfluss der globalen Erwärmung
auf die Stärke des Nordatlantikstromes
Klimamodelle:
PIK: CLIMBER2 (Potsdam)
GFDL: R15 (Princeton)
CSIRO: GM version (Melbourne)
CCC: GCM2/MOM1.1 (Victoria)
Hadley: HADCM2 (Bracknell)
MPI: ECHAM4/OPYC (Hamburg)
Quelle: Rahmstorf, Nature, 1999
Langfristige Entwicklung
ppm
CO2-Konzentration
Globale Mitteltemperatur
0
0.2
Kontrolllauf
Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999
Langfristige Entwicklung
C
Sv
0
Stärke des
Nordatlantikstromes
0.15
0.1
(als Funktion der
hydrologischen Sensitivität)
0.2
Nordatlantiktemperatur
0
0.2
Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999
Integrierte inverse Analyse
des globalen Klimawandels
Leitplankenansatz (Tolerable Windows Approach)
► Informierte, explizit normative Vorgabe von Leitplanken zum
Ausschluss von
►intolerablen Klimafolgen sowie von
►sozio-ökonomisch nicht-akzeptablen
Emissionsminderungsmaßnahmen
► Wissenschaftliche Analyse der Wechselwirkungen
zwischen den problemrelevanten Subsystemen
(globale Volkswirtschaft, Klima, Ökosysteme)
► Ermittlung der Gesamtheit aller unter Beachtung der normativ
gesetzten Grenzen zulässigen Klimaschutzstrategien durch den
Einsatz eines dafür geeigneten Integrated-Assessment-Modells
Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU, 1995)
Konzeptionelle Betrachtung
Sozioökonomische
Folgen von
Klimaschutzmaßnahmen (SF)
1
0
Toleranzgrad
Klimafolgen (KF):
Toleranzgrad
► Normative Leitplankensetzung:
1
0
Klimawandel
Klimawandel
► Wissenschaftliche Analyse:
Emissionsreduktion
Emissionsreduktion
1
0
Emissionsreduktion
Toleranzgrad
Toleranzgrad
Toleranzgrad
► Ermittlung der Gesamtheit aller zulässigen Klimaschutzstrategien:
1
0
Emissionsreduktion
1
0
Emissionsreduktion
Quelle: Bruckner et al., Environmental Modeling and Assessment (1999)
Demographie
Technischer Fortschritt
Wirtschaftsmodell
Energiesystemmodell &
Agrarmodell
Spurengasmodelle
Klimamodell
Klimafolgenmodell 1
Klimafolgenmodell 2
Klimafolgenmodell 3
Klimaschäden
Leitplanken (Grenzwerte)
Staatliche
Rahmenbedingungen
Integrated-Assessment Modelle
Integrierte inverse Analyse der
Stabilität des Nordatlantikstromes
Das Integrated-Assessment-Modell dimrise
dimrise – dynamic integrated model of
regular impacts and singular events
Komponenten
► Dynamisches Modell des Nordatlantikstromes
► Vereinfachtes Klimamodell
► Aggregiertes Weltwirtschaftsmodell
Dynamisches Modell der THC
► Dynamisches Boxmodell
(Erweiterung des klassischen,
statischen Stommel-Modells)
►Kalibriert an Ergebnissen des
m
·
T 1 = ------   T 4 – T 1  +  1   T1  – T 1 
V1
S0  F1
m
·
S 1 = ------   S4 – S1  + ---------------V1
V1
m
·
T 2 = ------   T 3 – T 2  +  2   T2  – T 2 
V2
S0  F2
·
m
S 2 = ------   S3 – S2  – ---------------V2
V2
m
·
T 3 = ------   T 1 – T 3  +  3   T3  – T 3 
V3
S0   F1 – F2 
m
S·3 = ------   S1 – S3  – -------------------------------V3
V3
m
·
T 4 = ------   T 2 – T 4 
V4
·
m
S 4 = ------   S2 – S4 
V4
k   2 – 1 
m = ----------------------------- = k      S2 – S1  –    T 2 – T 1  
0
Zirkulationsstärke [Sv]
CLIMBER 2 Klimamodells
(Potsdam-Institut für
Klimafolgenforschung)
Gleichgewichtslösung (rot)
CLIMBER 2
(durchgezogen)
Box-Modell
(gestrichelt)
Süßwassereintrag [Sv]
Quelle: Zickfeld und Bruckner, Integrated Assessment, 2003; Zickfeld, Slawig, und Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)
Einfluss der hydrologischen Sensitivität h
Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der
hydrologischen Sensitivität h (gemessen in Sv °C-1)
Quelle: Zickfeld, Slawig, and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)
Einfluss der Temperaturänderungsrate
Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes
für verschiedene Werte der hydrologischen
Sensitivität
('SS' markiert die Stabilitätskurve von
Stocker and Schmittner, Nature, 1997)
Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der
Temperaturänderungsrate (gemessen in °C/Dekade)
(Hydrologische Sensitivität h = 0.046 Sv °C-1)
Quelle: Zickfeld, Slawig and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)
Recheneffizientes Klimamodell
► ICLIPS Klimamodell (ICM)
► Komponente des ICLIPS-Modells
(Integrated Assessment of Climate
Protection Strategies)
► CO2-Kreislauf:
Nichtlineare Erweiterung der
differentiellen Darstellung der
Impulsantwort des 3-dim.
HAMOCC Modells
(MPI für Meteorologie, Hamburg)
► Klimasystem:
Differentielle Darstellung der
Impulsantwort des gekoppelten
Ozean-Atmosphären-Modells
(GCM) ECHAM 3
(MPI für Meteorologie, Hamburg)
► Weitere Treibhausgase: CH4,
N2O, FCKW + Ersatzstoffe, SF6
und Aerosole
Quelle: Bruckner et al., Climatic Change (2003)
Aggregiertes Modell des Weltwirtschaftssystems
DICE – Dynamic Integrated model of Climate and the Economy
► Intertemporales Modell des optimalen Wachstums (Ramsey-Modell)
mit endogenen Investitionsentscheidungen und
Abbildung der Kapitalakkumulation
► Abbildung der Wertschöpfung durch eine Cobb-Douglas-Produktionsfunktion
mit exogenem technologischen Wandel
► Darstellung der sozioökonomischen Emissionsminderungskosten
durch Quantifizierung der globalen Wohlfahrtsverluste
► Konzeptionelles Modell (Proof-of-Concept,
zu ersetzen durch ein multiregionales Weltwirtschaftsmodell mit endogenem
technologischen Wandel)
Quelle: Nordhaus, Science, (1992), Nordhaus und Boyer (2000)
Quantifizierung von Vermeidungskosten
Globale Wohlfahrt: Abdiskontierter globaler Nutzenstrom
W   (11i )t U (c(t ), L(t ))
t
CO2-Emissionen:
E (t )  [1  m (t )]   (t )  Q( A(t ), K (t ), L(t ))
aktive Emissionsreduktion
abhängig von der Wertschöpfung
Prozentualer Wertschöpfungsverlust durch aktive Emissionsreduktion:
DQ / Q  b1  m (t )b2
Steuergrößen:
Emissionsreduktionsniveau m (t); Pro-Kopf-Konsum c(t)
Normative Leitplankensetzung (Constraints)
Klimaleitplanke: Verhinderung eines THC Zusammenbruchs
►Zirkulationsstärke
m(t )  mmin  10 Sv
Sozioökonomische Leitplanken:
►Maximaler prozentualer Wohlfahrtsverlust relativ zur Referenzentwicklung
(RC)
WRC  W
 lmax
WRC
►Maximale Anstiegsrate des Emissionsreduktionsniveaus
0  m (t )  m max
Modellanwendungsmöglichkeiten
Oberste Zielsetzung:
Erhaltung der THC
Kosten-Effektivitäts-Analyse
Leitplankenansatz

W W
Min RC
s.t. m(t )  mmin
WRC
Kosteneffiziente
Emissionspfade


m(t )  mmin
WRC  W
 lmax
WRC
0  m (t )  m max
Emissionskorridore
Perzeption des globalen Klimawandels
Normative Sichtweise:
Intoleranzbereich
Unentscheidbarkeit
Toleranzbereich
1
Toleranzniveau
Katastrophale Impakts
Signifikante, aber nicht
singuläre Impakts
Nicht signifikante Impakts
Klimafolgen
Wissenschaftliche Sichtweise:
0
Klimawandel
”Critical Level“
”Critical Threshold“
Klimawandel
“Critical Level”
Leitplanke
< ”Critical Threshold“
Exemplarische Modellanwendung
Modellkalibrierung
Klimasensitivität T2xCO2
Hydrologische Sensitivität h
Normative Leitplanken
Standard
“Worst Case“
2.5 °C
4.5 °C
0.03 Sv°C-1
0.05 Sv°C-1
Standardsetzungen
Zirkulationsstärke mmin
10 Sv
Wohlfahrtsverlust Imax
2.0 %
Maximale Anstiegsrate des .
μ
Emissionsreduktionsniveaus max
1.33 %-Punkte/a
Globale CO2-Emissionen [GtC/a]
Emissionskorridor unter Standardbedingungen
Jahr
Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)
Globale CO2-Emissionen [GtC/a]
Variation der Klimasensitivität
Jahr
Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)
Globale CO2-Emissionen [GtC/a]
Emissionskorridore (“Worst Case“)
Jahr
Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)
Zusammenfassung
dimrise
► ein vollständig gekoppeltes Integrated-Assessment-Modell
zur Analyse potentieller Instabilitäten der THC
► ermöglicht die Bestimmung kosteneffizienter Emissionspfade
sowie die Berechnung von Emissionskorridoren (Proof of Concept)
Standardbedingungen (“Best guess”)
► Kosteneffizienter Pfad entspricht dem ”Business-as-usual”-Szenario
► „weite“ Emissionskorridore
► große Unsicherheit
“Worst-case” Bedingungen
► das ”Business-as-usual”-Szenario verlässt den Emissionskorridor
innerhalb der nächsten zwei Dekaden
Ausgewählte Literatur
Petschel-Held, G, H-J Schellnhuber, T Bruckner, F.L Tóth, K Hasselmann: The Tolerable Windows Approach:
Theoretical and Methodological Foundations, Climatic Change 41, 303-331 (1999).
Bruckner, T, G Petschel-Held, F.L Tóth, H-M Füssel, C Helm, M Leimbach, H J Schellnhuber: Climate Change
Decision-Support and the Tolerable Windows Approach. Environmental Modeling and Assessment 4, 217-234
(1999).
Tóth, F.L, T Bruckner, H-M Füssel, M Leimbach, G Petschel-Held, H-J Schellnhuber: Exploring Options for Global
Climate Policy: A New Analytical Framework, Environment 44/5, 22-34 (2002).
Tóth, F.L., T Bruckner, H-M Füssel, M Leimbach, G Petschel-Held: Integrated Assessment of Long-Term Climate
Policies: Part 1 - Model Presentation, Climatic Change 56, 37-56 (2003).
Bruckner, T, G Petschel-Held, M Leimbach, F.L Tóth: Methodological Aspects of the Tolerable Windows Approach,
Climatic Change 56, 73-89 (2003).
Bruckner, T, G Hooss, H-M Füssel, K Hasselmann: Climate System Modeling in the Framework of the Tolerable
Windows Approach: The ICLIPS Climate Model, Climatic Change 56, 119-137 (2003).
Zickfeld, K, T Bruckner: Reducing the Risk of Abrupt Climate Change: Emissions Corridors Preserving the Atlantic
Thermohaline Circulation, Integrated Assessment 4, 106-115 (2003).
Kriegler E, T Bruckner: Sensitivity Analysis of Emissions Corridors for the 21st Century, Climatic Change
66, 345-387 (2004).
Zickfeld, K, T Slawig, S. Rahmstorf: A Low-order Model for the Response of the Atlantic Thermohaline Circulation to
Climate Change. Ocean Dynamics 54(1), 8–26 (2004).
Bruckner, T, K Zickfeld: Low Risk Emissions Corridors for Safeguarding the Atlantic Thermohaline Circulation,
Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change (2006, accepted).
Kontakt:
Dr. Thomas Bruckner
Institut für Energietechnik
Technische Universität Berlin
Marchstrasse 18
D-10587 Berlin
Tel.: ++49/30/31424763
Email:
[email protected]
WWW:
http://www.iet.tu-berlin.de/~bruckner