Deutscher Wetterdienst - Akademie für Raumforschung und

Deutscher Wetterdienst
Vortrag fürAbt.
die Akademie
für Raumforschung
und Landesplanung
Klimaund Umweltberatung
Landesarbeitsgemeinschaft Hessen / Rheinland-Pfalz / Saarland
Datum: 22. März 2010
Ort: Planungsverband Ballungsraum
Frankfurt / Rhein-Main
Dr. Meinolf Koßmann
Deutscher Wetterdienst
Zentrales Gutachtenbüro
Offenbach am Main
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet
und die Wirkmodelle des Deutschen Wetterdienstes
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen
und Wirkmodelle
1 Einführung
2 Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet
3 Wirkmodelle des DWD
4 Schlussbemerkungen
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 2
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Einführung – das Wichtigste in Thesenform:
Î Das Klima ist nicht konstant
• Klimawandel im LAG-Gebiet ist bereits nachweisbar durch das Klima-Monitoring
des DWD
• „state-of-the-art“ Klimaprojektionen lassen für dieses Jahrhundert noch sehr starken
Klimawandel erwarten
Î Klimaprojektionen für die Zukunft sind mit Unsicherheiten behaftet
• bedingt durch Unsicherheiten in den zukünftigen Emissionen (Treibhausgase,
Aerosole), aber auch durch Grenzen in der Genauigkeit von Klimamodellen
• Unsicherheiten sind besonders hoch bezüglich extremer Witterungsereignisse
• Ensemble Methoden, Modell-Bias-Korrekturen und evtl. Downscaling notwendig
Î Anpassungsmassnahmen sollen später nicht bedauert werden
• Konsistenzen in den Ergebnissen von Ensembles vieler Klimaprojektionen stellen
eine gute Ausgangsbasis dar
• Beginnen mit „no-regret“-Maßnahmen (z.B. Gebäudeisolation, nachhaltige
Wasserwirtschaft)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 3
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen
und Wirkmodelle
1 Einführung
2 Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet
3 Wirkmodelle des DWD
4 Schlussbemerkungen
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 4
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Globale Temperaturzunahme im 20ten Jahrhundert
hat mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit menschliche Ursachen
Quelle: IPCC
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 5
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
CO2 (ppm)
IPCC Szenarien (wenn …, dann …)
Jahr
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
Konzentration von Kohlendioxid in ppm
Quelle: http://www.ipcc.ch/
pub/un/syreng/spm.pdf
03/2010 - 6
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Klimaprojektionen – von der globalen zur regionalen Skala
Emissionsszenario
IS92a
B1
Globalmodelle
GCM 1
Modell-Lauf
…
Regionalmodelle
B2
ECHAM5
RUN 1
REMO
CLM
A1B
GCM 3
RUN 2
WETTREG
numerische Modelle
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
A1T
A1FI
…
GCM 4
…
RUN 3
…
STAR
…
statistische Modelle
03/2010 - 7
A2
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen / Jahres-Temperatur
Änderungen im Vergleich zu 1971-2000
2071 - 2100
2021 - 2050
Änderung
(mittleres Emissionsszenario A1B, Antrieb durch globales Klimamodell ECHAM-5)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
2021-2050
2021-2050
Anstieg
Anstieg um
um 0,5°C
0,5°C
bis
bis 2°C
2°C
(WETTREG
(WETTREG mit
mit
geringster,
geringster, STAR
STAR
mit
mit höchster
höchster
Erwärmung)
Erwärmung)
2071-2100
2071-2100
Anstieg
Anstieg um
um 2°C
2°C bis
bis
4°C
4°C (Numerische
(Numerische
Modelle
Modelle mit
mit NordNordSüd-Gradient)
Süd-Gradient)
03/2010 - 8
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen / Sommer-Niederschlag
Änderungen im Vergleich zu 1971-2000
2071 - 2100
2021 - 2050
Änderung
(mittleres Emissionsszenario A1B, Antrieb durch globales Klimamodell ECHAM-5)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
2021-2050
2021-2050
leichte
leichte Abnahme
Abnahme
um
um bis
bis zu
zu 15%,
15%,
STAR
STAR mit
mit bis
bis über
über
25%
25%
2071-2100
2071-2100
starke
starke Abnahme
Abnahme
um
um bis
bis über
über 40%
40%
(besonders
(besonders
betroffen:
betroffen:
Südwesten)
Südwesten)
03/2010 - 9
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen / Winter-Niederschlag
Änderungen im Vergleich zu 1971-2000
2071 - 2100
2021 - 2050
Änderung
(mittleres Emissionsszenario A1B, Antrieb durch globales Klimamodell ECHAM-5)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
2021-2050
2021-2050
Nur
Nur nach
nach
WETTREG
WETTREG im
im
Westen
Westen leichte
leichte
Zunahme
Zunahme bis
bis
über
über 25%
25%
2071-2100
2071-2100
deutliche
deutliche
Zunahme
Zunahme um
um bis
bis
über
über 40%,
40%, nach
nach
WETTREG
WETTREG bis
bis
über
über 70%
70%
03/2010 - 10
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 11
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen
und Wirkmodelle
1 Einführung
2 Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet
3 Wirkmodelle des DWD
4 Schlussbemerkungen
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 12
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimamodellierung und
Klimafolgenabschätzung
Z usammenstellung von
Projekt: ZWEK
Z usammenstellung von
W
W irkmodellirkmodellE
E ingangsdatensätzen
ingangsdatensätzen zur
zur
K
K limafolgenabschätzung
limafolgenabschätzung
Regionale Klimaprojektionen für die Klimaberatung
Bereitstellung:
ƒ Ensemble-Bildung
ƒ Statistische Analysen
ƒ Evaluierung
ƒ Postprocessing
ƒ Downscaling / Regionalisierung
ƒ Koordinaten-Transformation
ƒ…
Impaktforschung:
ƒ Bioklima (Klima-Michel-Modell)
ƒ Stadtklima (MUKLIMO_3, UBIKLIM)
ƒ Agrarmeteorologie (AMBER)
ƒ Hydrologie (KLIWAS-Projekt)
ƒ Katastrophenvorsorge (Extremwertprojekt)
ƒ Technische Klimatologie (TRY, Gradtage)
ƒ…
Beratung zu möglichen Auswirkungen des Klimawandels
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 13
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Wärmebilanzmodell des Menschen
(Klima-Michel)
• berücksichtigt die relevanten
Mechanismen des Wärmeaustausches
• standardisierte Umgebung
Strahlung
• standardisierte Person
Ausgabe: gefühlte
Temperatur (°C)
direkte
Solare
Strahlung
von der
Hautoberfläche
M
Feuchtefluss
(perceived temperature)
Wärmefluss
Standardmensch 35 Jahre alt,
75 kg Gewicht,
175 cm groß,
männlich
veränderliche Bekleidung
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 14
reflektierte
Strahlung
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Klima-Michel-Modell als Wirkmodell mit REMO Daten
Tage mit mindestens moderater Wärmebelastung (gefühlte Temperatur ≥ 26°C)
1971-2000
Beobachtungen
etwa 10 bis 50 Tage
2021-2050 ↔ 1971-2000
Änderung
etwa +5 bis +10 Tage
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
2071-2100 ↔ 1971-2000
Szenario
A1B
03/2010 - 15
Änderung
etwa +15 bis +40 Tage
Tinz et al. 2010
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Kaltluftabflussmodell KLAM_21
Î Fragestellungen zur nächtlichen Durchlüftung während windschwacher
Stahlungsnächte
Î Typische horizontale Auflösung von 10 bis 500 m
mit bis zu 1500 x 1500 Gitterpunkten
Î Wo sind Kaltluftabflüsse von Bedeutung?
Î Wird sich die Häufigkeit und Andauer windschwacher
Strahlungwetterlagen ändern?
⇒ Nutzung von Klimaprojektionsdaten
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 16
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Frankfurt
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 17
KLAM_21
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Stadtklimamodell MUKLIMO_3:
Mikroskaliges urbanes Klima-Modell, 3-dim. Version
Dynamik
Î Lösung der Bewegungsgleichung über Stromfunktions-Vorticity Methode
Î nicht-hydrostatisches Modell
Î Tagesgang entsprechend den Anfangsbedingungen
Physik
Î
Î
Î
Î
Î
Wärmegleichung
Strahlung
Vegetation
nicht-aufgelöste Bebauung
kein Niederschlag oder horizontaler Abfluss
Modellgebiet
Î Stufenförmige Orographie
Î Rotation des Modellgebietes gegen Nord möglich
Î Nichtäquidistantes Modellgitter ist möglich
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 18
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
MUKLIMO_3
o
Bad Homburger Kreuz
Taunus
Modellgebiet
Frankfurt a. M.
ca. 25 x 17 km²
N
o NW-Kreuz
o W-Kreuz
hier:
Geländehöhe
mit Main
und
Hauptverkehrslinien
Berger Rücken
Innenstadt
o Frankfurter Kreuz
5 km
o Offenbacher Kreuz
geplante Erweiterung
bis Mitte 2010
Auflösung 100 m Raster
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 19
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
19 Flächennutzungsklassen
Siedlung (dicht)
Siedlung (locker)
Wald
Park
Gewerbe (dicht)
Gewerbe (locker)
Freiflächen
Wasser
Bankenviertel
Ein-, Mehrfam.haussdlg.
Dorfkern
Reihenhaussiedlung
Zeilenbebauung
Zeilenbeb. + Hochhäuser
Blockbebauung
City
Mittelalterl. Stadt
Gleise
Kleingärten
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
Innenstadt
25 km
03/2010 - 20
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Bebauungsstrukturen nach BBR (1980)
Park
Zeilenbebauung (dicht)
und Hochhäuser
Blockbebauung
Freifläche
Zeilenbebauung
(mittel)
Mittelalterliche Stadt
City Mitte 19. Jh.
Bankenviertel
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 21
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Eingabedaten für das Stadtklimamodell MUKLIMO_3
¾ Geländehöhe
¾ Flächennutzung / Bebauungsstrukturen
¾ Meteorologische Anfangsbedingungen
für windschwache Strahlungswetterlagen
9Temperatur
9Windgeschwindigkeit und –richtung
9relative Feuchte
• Beobachtungen
• Modellrechnungen
• Vergangenheit
• Zukunft
Start des Stadtklimamodells MUKLIMO_3
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 22
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
MUKLIMO_3: Lufttemperatur
15. Juli
04 MESZ
Anströmung NO
5 m Höhe
Anfangsbedingungen
T
rh
v
=
=
=
15°C
42%
0.7 ms-1
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
Innenstadt
03/2010 - 23
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Klimawandel in Städten – Wärmebelastung
Zeitreihen
Beobachtungen
Vergangenheit
Klimaprojektionen
Vergangenheit
Klimaprojektionen
Zukunft
Wärmeinselintensität
Stadtklimamodell
UBIKLIM oder MUKLIMO_3
mobile
mobile Messungen
Messungen
Evaluation
Hitze- / Wärmetage
Anzahl der Tage
Regionalmodell-Bias
Regionalmodell-Bias
Hitze- / Wärmetage
Anzahl der Tage
Änderungssignal
Änderungssignal
Hitze- / Wärmetage
Anzahl der Tage
Signifikanztest
Î Kooperationen mit Berlin, Frankfurt a.M., Köln und Wien (ZAMG)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 24
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Downscaling der Klimaprojektionen
Globales Klimamodell
ECHAM5 A1B
Ensemble 4 regionale
Klimamodelle:
REMO, CLM,
WETTREG, STAR
Stadtklimamodell
MUKLIMO_3
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 25
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Verfahren zur Abschätzung der Klimaänderung in Städten
- Übersicht Zeitreihen
T, r.F., v
Interpolation
Auswertung
Quaderansatz
Statistik
Änderungssignal
Vergangenheit
Messungen,
Klimaprojektionen
Zukunft
Klimaprojektionen
Momente
Verteilungen
Trend, Korrelation,
Indizes…
MUKLIMO_3
Stadklimamodell
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 26
Differenz
beider Zeiträume
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
55
50
45
+
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
N
43.3 d/a
46.1 d/a
o
Modell
Station
85
(1971-2000)
34
Flughafen Frankfurt
80
48.8 d/a
49.6 d/a
Innenstadt
34
Modell
Station
75
(1971-77 & 1980-95)
34
Offenbach
70
Antrieb: Beobachtungen
1971 – 2000
34
Tmax ≥ 25°C
40
Anzahl der Sommertage
55
55
20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65
Days/Year
MUKLIMO_3
Evaluierung
03/2010 - 27
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
FRANKFURT: Heiße Tage (Tmax mind. 30 °C) - Zunahme
im Vergleich zu 1971-2000 - Regionales Klimamodell REMO, Wirkmodell MUKLIMO
2021 - 2050
++77 dd
.
a
c
.
t
a
d
c
SSttaadt d caa.. ++66 dd
lannd c
UUm
mla
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
2071 - 2100
++3300 dd d
.
a
c
.
t
a
d
c
SSttaadt d caa.. ++2244 d
lannd c
UUm
mla
03/2010 - 28
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Mittlere Anzahl der Sommertage 1971 - 2000
OBS
REMO
CLM
55
50
34
70
70
70
34
34
80
80
80
avg
min
max
75
75
34
35.5 d/a
19.3 d/a
42.0 d/a
34
34
75
avg
min
max
+
+
+
34
43.7 d/a
21.9 d/a
58.4 d/a
o
o
o
34
34
34
85
85
85
N
N
N
STAR
WETTREG
55
50
45
40
55
55
50
45
40
55
55
55
34
34
70
70
75
34
34
80
80
o
o
46.3 d/a
24.5 d/a
58.7 d/a
34
75
avg
min
max
+
+
34
45.6 d/a
22.1 d/a
57.9 d/a
85
85
03/2010 - 29
N
N
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
avg
min
max
34
34
+62 d/a
+59 d/a
+56 d/a
+53 d/a
+50 d/a
+47 d/a
+44 d/a
+41 d/a
+38 d/a
+35 d/a
+32 d/a
+29 d/a
+26 d/a
+23 d/a
+20 d/a
45
40
50
45
34
34
45.3 d/a
24.7 d/a
56.5 d/a
55
55
55
55
50
45
40
55 40
55
55
55
avg
min
max
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Änderung der Sommertage 2021 – 2050 (A1B) zu 1971 - 2000
CLM
REMO
70
+
75
34
34
80
80
34
34
85
85
N
N
WETTREG
STAR
55
55
45
50
40
50
55
55
45
40
55
55
34
34
70
70
+
+
75
75
34
34
80
80
N
N
03/2010 - 30
85
85
Roos und die Wirkmodelle des DWD –
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet
34
34
+10 d/a
+8 d/a
avg +11.6 d/a
min
+9.2 d/a
max +13.3 d/a
o
o
avg +25.9 d/a
min +20.3 d/a
max +27.9 d/a
34
34
+12 d/a
avg +13.1 d/a
min
+9.4 d/a
max +15.0 d/a
o
o
avg +13.0 d/a
min +10.8 d/a
max +14.9 d/a
34
75
+14 d/a
50
34
+
34
+22 d/a
+20 d/a
+16 d/a
55
40
70
+28 d/a
+18 d/a
45
55
50
34
+30 d/a
+26 d/a
+24 d/a
55
55
45
40
55
55
+34 d/a
+32 d/a
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Box-WhiskerDiagramm
95 %
75 %
50 %
25 %
5%
Anzahl Sommertage / Jahr
Ensemble-Ergebnis für das Gebietsmittel 1971 – 2000
50
40
REMO
CLM
Beobachtung
WETTREG
STAR
30
90%-Konfidenzintervalle
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 31
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Box-WhiskerDiagramm
95 %
75 %
50 %
25 %
5%
Änderung Anzahl Sommertage / Jahr
Ensemble-Ergebnis für die Änderungen des Gebietsmittels
2021 – 2050 zu 1971 - 2000
25
20
REMO
CLM
WETTREG
STAR
15
10
5
0
90%-Konfidenzintervalle
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 32
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Regionale Klimaprojektionen
und Wirkmodelle
1 Einführung
2 Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet
3 Wirkmodelle des DWD
4 Schlussbemerkungen
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 33
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Schlussbemerkungen
Î Klimawandel in Deutschland ist bereits nachweisbar durch
das Klima-Monitoring des DWD
Î Die Spannbreite möglicher zukünftiger Klimaänderungen in
Deutschland lässt sich durch Analyse vieler Klimamodelle und
Klimaszenarien abschätzen
Î Modellungenauigkeiten (z.B. durch Modellbias und Modellauflösung)
erfordern sogenannte Postprocessing- und Downscaling-Verfahrenen
Î Die Abschätzung der Klimafolgen erfordert die Kopplung von
Wirkmodellen mit Ergebnissen regionaler Klimaszenarienrechnungen
(Stadtklimamodelle, Bioklimamodelle, hydrologische Modelle,
agrarmeteorologische Modelle, …)
Î Weitere Verbesserung der Klimamodelle ist notwendig,
insbesondere für die Modellierung von Extremereignissen
(Hitze- / Trockenperioden, Starkniederschläge, …)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
03/2010 - 34
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Vielen Dank für Ihr Interesse
www.dwd.de/klimawandel
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
[email protected]
03/2010 - 35
Deutscher Wetterdienst
Abt. Klima- und Umweltberatung
Quaderansatz
(25°C, 3ms-1, 80%)
Tmax, vmax, rhmax
Interpolation statt Simulation
KONZEPT:
target
T, v, rh
rhmax
1. MUKLIMO_3 Simulationen
der meteorologischen Felder
von T, v, und rh für jeden
Eckpunkt
Vmax
rh
rhmin
Vmin T
min
v
T
Tmax
Tmin, vmin, rhmin
(15°C, 0.7ms-1, 42%)
Regionale Klimaprojektionen für das LAG-Gebiet und die Wirkmodelle des DWD –
2. Lineare Interpolation zu
gewünschten Zielpunkten
T, v, rh
Vorteil: Nur 8 Simulationen bei
beliebiger Anzahl
von Interpolationen
(z. B. nRCM x 30a x 365d)
03/2010 - 36