Klimaforschung im 21.Jahrhundert

Interdisziplinäres Zentrum für
nachhaltige Entwicklung
IZNE
Universität Göttingen
Klimaforschung im 21. Jahrhundert
Prof. Dr. Martin Kappas
Universität Göttingen
Gliederung des Vortrags
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Fakten der Klimaforschung – Was ist die Ausgangssituation (Basis IPCC
2007 und post IPCC-Forschung)
Indikatoren des Klimawandels (global bis regional)
Klima-Kippelemente (Tipping Points)
Welche Schlüsselthemen ergeben sich für die Klimaforschung im 21.
Jahrhundert (Wasser, Ernährung, Gesundheit)
Regionalisierung des Klimawandels in Deutschland
Fazit
Fakten der Klimaforschung
• Aufzeichnungen von Klimaelementen, Proxy-Daten,
Klimamodelle
• Kennwerte der Bevölkerungsentwicklung
• Gesellschaftliche Entwicklungsszenarien der Emissionen
auf unserer Erde in historischer und aktueller Sicht
• Wiss. beobachtbare Dynamik der CO2- und weiteren
Emissionsentwicklung
Das Problem der Bevölkerungsentwicklung
Entwicklung der menschlichen Zivilisation im Holozän
Quelle: Vortrag H.J. Schellnhuber, Berlin 2010
27 Regionen und Mega-Cities, die von mehr als 10 Mio. Menschen
bewohnt werden:
Rot:
> 20 Mill. Menschen
Orange: > 15 Mill. Menschen
Gelb:
> 10 Mill. Menschen
Quelle: www.oekosystem-erde.de
Weltweite Urbanisierung
?
Quelle:
UN World UrbanizationProspects:
The2009 Revision Population Database und www.oekosystem-erde.de
Umweltaspekte der Ressourcennutzung
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Klimawandel
Verlust an Artenvielfalt
Bodenerosion
Produktion von Abfällen
Luftemissionen, etc.
Ursache: zunehmende Nutzung von natürlichen
Ressourcen (Rohstoffe, Energie, Land, Wasser)
für Produktion, Transport und Konsum
Globale Perspektive: Übernutzung trotz
weitverbreiteter materieller Armut in vielen
Weltregionen
Steigende globale Ressourcenentnahme
WRF Hauptargumente:
Der Mensch verändert Stoff- und Energieflüsse des Erdsystems nachhaltig!
Zusammenfassung der Rückkopplungen und wesentlichen Flüsse im Klimasystem der Erde am Bespiel der CO2-Flüsse
(Angabe der CO2-Reservoire in Gt auf Basis der1990er-Jahre)
Kohlenstoffkreisllauf / Kohlenstoffzyklus
Die schwarzen Pfeile dokumentieren die geschätzten vor-industriellen Kohlenstoffflüsse,
die blauen Pfeile zeigen die anthropogen induzierten Flüsse. Der terrestrische Nettoverlust von -39 GtC resultiert
aus den kumulativen Emissionen der Verbrennung fossiler Energieträger (minus dem atmosphärischen
Anstieg und der Speicherung im Ozean). Der Verlust von -140 Gt C durch Vegetation, Böden und Detritus
steht für die kumulativen Emissionen allgemeiner Landnutzungsveränderungen und erfordert einen Senkenanteil
von 101 Gt C in der terrestrischen Biosphäre.
Quelle: Kappas, M., 2009, S. 158
ca.389 ppm in 2010
Oszillationen zeigen die Aktivitä
Aktivität der Biosphä
Biosphäre:
Sommerhalbjahr: Aufnahme von CO2
Winterhalbjahr: Freisetzung von CO2 durch Verrottung der Pflanzen;
50 Gt C werden jä
jährlich zw. Atmosphä
Atmosphäre und Biosphä
Biosphäre ausgetauscht
Zusammenfassung der globalen
Kohlendioxidflüsse in Gt C /Jahr
(Quelle: Kappas, 2009, S. 160)
Die positiven Werte in Gt C / Jahr
stehen für CO2-Flüsse in die Atmosphäre,
die negativen Werte stehen für CO2-Senken.
Die Emission einer Gt C entspricht
der Freisetzung von 3,67 Gt CO2
Wie reagiert unsere Atmosphäre auf zusätzliche
Emissionen?
• Die Troposphäre wird im infraroten Spektralbereich undurchsichtiger
• Der Netto-Energiestrom zur Troposphäre wächst und zwingt das
Klima in einen neuen Gleichgewichtszustand
• Primitive Erwärmung, da keine Rückkopplungseffekte
(Wechselwirkungen oder sog. Feedbacks) eingeschlossen sind
Unser Klima in paläoklimatologischer Perspektive
Projizierte globale Durchschnittstemperaturen und Meeresspiegelanstiege bis
zum Jahr 2100 basierend auf sechs SRES-Szenarien (Quelle: Kappas, M., 2009).
ENSEMBLES-Projekt
Szenario A1B
• Viele GCMs (ENSEMBLES: Multimodelansatz)
• Viele GCMS, ein RCM (ENSEMBLES: GCM-RCMMatrix, Beobachtungen)
• Ein GCM, viele RCMs (PRUDENCE, Multimodel)
• Ein GCM, ein RCM (ENSEMBLES: interne Var.,
Ensemblekalkulationen)
• Viele GCMs/RCMs hydrol. Modelle (KLIWAS)
Ergebnisse des EU-Projektes Ensembles
Schlussfolgerung aus dem aktuellen Ensembles-Projekt:
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Das Klima über Europa und Deutschland wird sich ändern, auch wenn das
2°Ziel erreicht wird!
•
Es wird eine Erwärmung bis 3°erwartet, aber nur ge ringe Veränderungen
im Gesamtniederschlag ( P < 10%)
•
Der Anstieg der Temperatur ist regional unterschiedlich mit bis zu
– 4 °C im Winter in Skandinavien und
– 3 °C im Sommer in Süd-Europa
•
Weniger Eis- und kalte Tage (~20-30),
– Mehr heiße Tage ( ~20 bis > 40 in A1B)
– Mehr trockene Tage (~10 bis > 25 in A1B)
– Keine signifikante Veränderung der Anzahl feuchter Tage
Gliederung des Vortrags
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Fakten der Klimaforschung – Was ist die Ausgangssituation (Basis IPCC
2007 und post IPCC-Forschung)
Indikatoren des Klimawandels (global bis regional)
Klima-Kippelemente (Climate Tipping Points)
Welche Schlüsselthemen ergeben sich für die Klimaforschung im 21.
Jahrhundert (Wasser, Ernährung, Gesundheit)
Regionalisierung des Klimawandels in Deutschland
Fazit
Zeitreihen globaler Klimaindikatoren
Zeitreihen einer Reihe von Indikatoren, die
eng mit der Entwicklung der globalen
Temperatur korrelieren.
Die stratosphärische Temperatur nimmt,
wie erwartet, bei steigendem Treibhausgas
gehalt in der Troposphäre ab.
Quelle: www.ncdc.noaa.gov/bams-stateof-climate/.
Arndt, D. S., M. O. Baringer, and M. R.
Johnson, Eds., 2010: State of the Climate in
2009. Bull. Amer. Meteor. Soc., 91 (6), S 1- S
224.
Was können wir aus dem vierten IPCC-Bericht und
neueren Klimaforschungsprojekten lernen ?
Offene wiss. Fragen (IPCC AR4)
• Identifikation der Regionen, in denen Gesellschaften die größte
Verwundbarkeit durch den Klimawandel erfahren („Klima-HotSpots“)
• Identifikation von Grenzwerten (thresholds), jenseits derer
potenzielle Gefahren für die Gesellschaften entstehen
(„Climate tipping points“)
• Erstellung einer verlässlichen Informationsgrundlage für
politische Entscheidungen über Anpassungsmaßnahmen
Gliederung des Vortrags
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Fakten der Klimaforschung – Was ist die Ausgangssituation (Basis IPCC
2007 und post IPCC-Forschung)
Indikatoren des Klimawandels (global bis regional)
Klima-Kippelemente (Climate Tipping Points) und Grenzwerte
Welche Schlüsselthemen ergeben sich für die Klimaforschung im 21.
Jahrhundert (Wasser, Ernährung, Gesundheit)
Regionalisierung des Klimawandels in Deutschland
Fazit
Die Wirkung von Kippelementen (Tipping Points) im Klimasystem
Quelle: Vortrag H.J. Schellnhuber, Berlin 2010
Klima-Kippelemente (Tipping Points)
Klima-Kippelemente mit direkten und großen Folgen
für die Menschheit:
• Instabilität des grönländischen Eisschildes aufgrund nichtlinearer
Abschmelzprozesse
• Instabilität des west-antarktischen Eisschilds aufgrund nichtlinearer
Abschmelzprozesse
• Instabilität/Schwächung des Golfstroms aufgrund des erhöhten
grönländischen Schmelzwassereintrags und sinkender Salzkonzentration
• Verstärkung/Persistenz des El-Nino-Phänomens
• Instabilität des Amazonas-Regenwaldes, unter anderem aufgrund von
Landnutzungswandel
Klima-Kippelemente (Tipping Points)
Klima-Kippelemente mit positiver Rückkopplung auf
die Temperatur:
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Auflösung der arktischen Schelfeisgebiete und Verminderung der Albedo
•
schmelzende Gletscher im Himalaya und Verminderung der Albedo im tibetanischen
Hochplateau
•
Methanfreisetzung durch Auftauen des sibirischen Permafrostbodens und mögliche
Loslösung mariner Methanhydrate
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Bistabilität des indischen Sommermonsuns: Abschwächung aufgrund von
Luftverschmutzung oder Verstärkung aufgrund globaler Erwärmung
•
Bistabilität der Sahel-Zone: zuerst Ergrünung, dann deutlich trockenere Tendenz
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Versauerung der Meere und Abnahme der CO2-Pufferkapazität
2°C - Leitplanke
Kopenhagen Accord
• 2°C Leitplanke soll eingehalten werden
• Finanzielle Zugeständnisse:
2010-12: 30 Mrd. US$
Danach jedes Jahr: 100 Mrd. US$
• Copenhagen Green Climate
Fund
• Technologieinitiative
Länderbezogene Einsparungen (Versprechen) an die UNFCCC
76 Länder gaben Reduktionsversprechen an die UNFCCC (Stand April 2010)
z.B.:
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EU-27: 20-30% bis 2020, 80-95% bis 2050 (Bezugsjahr 1990)
USA: 17% (3%) bis 2020, 42% bis 2030, 83% bis 2050 (Bezugsjahr 2005, (1990))
Kanada: 20% (3%) bis 2020, 60-70% bis 2050 (Bezugsjahr 2006, (1990))
Australien: 5-25% (+13%) bis 2020 (Bezugsjahr 2000, (1990))
Japan: 25% bis 2020 (Bezugsjahr 1990), 60-80% bis 2050 (Bezugsjahr 2005)
Russland: 20% bis 2020 (Bezugsjahr 1990)
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Indien: „National Action Plan on Climate Change“
China: Reduktion der CO2 Intensität in der Produktion (CO2/BIP), 40% bis 2020
(Bezugsjahr 2005)
Mexiko: 50% bis 2050
Malediven: klima-neutral bis 2020
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Pro-Kopf-CO2-Emissionen in 2005, differenziert nach Ländern
Ein entscheidender Faktor: Zeit (time matters!)
Beispielhafte Emissionspfade, um ein CO2 Budget von etwa 750 Gt im Zeitraum
2000 – 2050 zu ereichen. Für dieses Emissionsniveau besteht eine 67%
Wahrscheinlichkeit, dass der Temperaturanstieg < 2° C bleibt.
Quelle: WBGU Special Report 2009
Warum ist eine schnelle Begrenzung der CO2-Emissionen notwendig?
Kernaussage:
Begrenzung der kumulativen
CO2 Emissionen auf 1000 Gt
(1150 Gt) über den Zeitraum
2000 – 2050 eröffnet eine 75%
(67%) Wahrscheinlichkeit, dass
der globale Temperaturanstieg
unter 2°C bleibt.
Übereinkunft zum 2°C Ziel in Kopenhagen, aber Tende nz in Richtung > 3°C
Rogelj et al., Nature, in print
Übereinkunft zum 2°C Ziel, aber Tendenz in Richtung > 3°C
Quelle: http://www.climateactiontracker.org/
Gliederung des Vortrags
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Fakten der Klimaforschung – Was ist die Ausgangssituation (Basis IPCC
2007 und post IPCC-Forschung)
Indikatoren des Klimawandels (global bis regional)
Tipping Points
Welche Schlüsselthemen ergeben sich für die Klimaforschung im 21.
Jahrhundert (Wasser, Ernährung, Gesundheit)
Regionalisierung des Klimawandels in Deutschland
Fazit
Klimaforschung als Teilbereich der übergeordneten
„Global-Change-Forschung“
Schlüsselthemen:
nachhaltige Betrachtung der
Bereiche
• Wasser,
• Nahrung,
• Kohlenstoff und
• menschliche Gesundheit
Grenzen der Anpassung
Ist die Kuh in den
Niederlanden bereit für den
Meeresspiegelanstieg ?
29% der Niederlande liegen
unter dem Meeresspiegel !
Weltbevölkerungswachstum und Verlust der Biodiversität
eine enge Korrelation!
Quelle: http://www.ufz.de/data/grafik_biodiversitaet_zoom12104.jpg
Quelle: Dr Carsten Neßhöver, Heidi Wittmer & Christoph Schröter-Schlaack, UFZ
Mitigation / Adaptation Schlüsselthemen der Klimaforschung
Klimaforschung im Zyklus von
Bevölkerung - Landnutzung - natürlichen Ressourcen
Gliederung des Vortrags
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Fakten der Klimaforschung – Was ist die Ausgangssituation (Basis IPCC
2007 und post IPCC-Forschung)
Indikatoren des Klimawandels (global bis regional)
Tipping Points
Welche Schlüsselthemen ergeben sich für die Klimaforschung im 21.
Jahrhundert (Wasser, Ernährung, Gesundheit)
Regionalisierung des Klimawandels in Deutschland
Fazit
Wie könnte sich der projizierte Klimawandel in Deutschland
darstellen ?
Objektiv ermittelte
regionale Klimatypen für
Deutschland 1901
bis 1915 (links) und
1986 bis 2000
(rechts),
verändert nach Gerstengarbe
& Werner 2003)
Stand der Forschung zur Klimamodellierung Deutschland
Aktuelle regionale Klimaszenarien für Deutschland
• 2006 wurden im Auftrag des Umweltbundesamtes (UBA) zwei
regionale Klimamodellierungen für ganz Deutschland mit drei
unterschiedlichen Emissionsszenarien A2, A1B, B1 angefertigt, um
Ensemble-Szenarien zu erhalten.
• Hierzu wurden das dynamische regionale Klimamodell REMO (MPI
2007) sowie das statistische Modell WETTREG (CEC Potsdam)
verwendet.
• Beide bedienen sich der Ergebnisse des globalen Modells ECHAM
5/ MPI-OM. Der Vergleich beider Regionalisierungsmethoden erhöht
auch den Umfang des Ensembles.
• Somit liegt für ganz Deutschland eine aktuelle, einheitliche
Datenbasis vor, die in der Klimafolgenforschung genutzt werden
kann. Hinzu kommen regionale Klimaszenarien in einzelnen
Bundesländern mit dem Vorläufermodell ECHAM 4.
• Datenbasis ist wichtig für Anpassungsstrategien (DAS)!
Basis:
Wetterlagenorientierte Regionalisierungsmethode
WettReg
Niederschlag im Winter
Kontrolllauf 1961 - 1990
Basis:
Wetterlagenorientierte Regionalisierungsmethode
WettReg
Emissionszenario A1B
Niederschlag im Winter
• Höhere mittlere Niederschläge sind auf den
–
–
–
–
–
–
Nordseiten von Harz,
Rheinischem Schiefergebirge,
Thüringer Wald,
Erzgebirge, Spessart, Odenwald und
der Schwäbischen Alb sowie
im gesamten Schwarzwald und dem Alpenbereich zu erkennen.
• Die Validierung ergab, dass WETTREG die winterlichen
Niederschläge im westlichen Teil Deutschlands und an der
Nordseeküste leicht unterschätzt und im Nordosten leicht
überschätzt.
Niederschlag im Winter
• Die Änderung des winterlichen Niederschlags bis zum Zeitraum
2071 – 2100 wird – je nach Emissionsszenario – mit einer Zunahme
im Mittel von 20 bis 30 % simuliert.
• Für das höhere Emissionsszenario (A1B) ist das Änderungssignal
deutlich stärker ausgeprägt als für das niedrigere Emissionsszenario
(B1).
• Das A1B-Szenario zeigt die stärkste Zunahme in der Westhälfte
Deutschlands, besonders im Bereich von Eifel und Hunsrück (bis
zu 80 %), Odenwald, Spessart und Rhön sowie Unterfranken
(stellenweise über 70 %). Auch eine Zunahme an der SchleswigHolsteinischen Nordseeküste und im Donautal ist erkennbar.
• Relativ geringe Änderungen werden für die winterlichen
Niederschläge im Osten Deutschlands, besonders in Brandenburg
und Sachsen sowie für den Alpenraum projiziert.
Basis:
Wetterlagenorientierte Regionalisierungsmethode
WettReg
Niederschlag im Sommer
Kontrolllauf 1961-1990
Basis:
Wetterlagenorientierte Regionalisierungsmethode
WettReg
Emissionsszenario A1B
Dürren
Das Flussbett des Rheins in Düsseldorf,
Sommer 2003:
Extreme Trockenheit wird zunehmen
Niederschlag im Sommer
• Gebiete mit relativ niedrigem Niederschlag erstrecken
sich im Nordosten und Osten Deutschlands sowie am
Niederrhein.
• Gebiete mit hohem Niederschlag werden besonders im
Südwesten, dem Voralpenraum und den Alpen
erkennbar.
Niederschlag im Sommer
• WETTREG simuliert eine deutliche Abnahme des mittleren
sommerlichen Niederschlags bis zum Ende des 21. Jahrhunderts
in der Größenordnung von 20%.
• Der stärkste Rückgang ist im Nordosten Deutschlands erkennbar
und beträgt gemäß höherem Emissionsszenario (A1B) in
Vorpommern verbreitet mehr als 40 %.
• Das niedrigere Emissionsszenario (B1) ergibt eine geringere
Abnahme: Hier liegt der Rückgang in Mecklenburg-Vorpommern bei
etwa 25 %.
• Damit projiziert das Modell einen Rückgang der mittleren
sommerlichen Niederschläge für Gebiete, in denen bereits der
Kontrolllauf relativ geringe Niederschläge aufweist!
• Tendenz: Verschärfung der bereits bestehenden defizitären
Gebiete.
Fazit aus dem Vergleich der aktuellen regionalen
Klimaszenarien für Deutschland
•
Über alle Klimaszenarien (Wettreg, CLM, Remo, Star) hinweg, bleiben die
Jahresniederschlagshöhen weitgehend unverändert, es wird aber zu einer
saisonalen Umverteilung zu trockeneren Sommern und zu
niederschlagreicheren Wintern kommen.
•
Saisonale Umverteilung und Extremwerte (Dürre als auch
Starkregenereignisse) kennzeichnen die Auswirkungen des Klimawandels
in Deutschland.
•
Erfordern Anpassungsstrategien an Klimatrends und Extremwetter und
Maßnahmen für ein nachhaltiges Landschaftsmanagement
Quelle: Hagemann, S. und Jacob, D. 2006
Quelle: Rockström et al. 2009, Nature
Was erfordert der Klimawandel
von der Klimaforschung im 21. Jahrhundert ?
• auf die gesellschaftliche Relevanz der Klimaforschungsergebnisse
hinzuweisen und dabei verständlich zu sein!
• Voraussetzungen für Vermeidungs- und Anpassungsstrategien
schaffen
Der Klimawandel erfordert von uns eine
globale Gesellschaftsrevolution,
bei der das Stadt- und Landleben der Menschen sowie deren
Ressourcenverhältnis neu definiert werden muss !