Statistisches Downscaling

Großes Projekt
im Master Klima-Umweltwissenschaften
Statistisches Downscaling
Sommersemester 2014
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
1
Einführung in die
Thematik des Klimawandels
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
2
Fragen
1.
Wie funktioniert der Treibhauseffekt?
natürlich und anthropogen verstärkt
2.
Welche Veränderungen zeigten sich in der jüngeren
Vergangenheit?
Temperatur und Niederschlag, global und regional
2.
Wie erhält man Abschätzungen des Klimawandels?
Szenarien, Klimamodelle, Regionalisierung
3.
Mit welchen Veränderungen ist in Mitteleuropa in der
Zukunft zu rechnen?
Temperatur, Niederschlag, Extreme
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3
Wie funktioniert der
Treibhauseffekt?
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CO2-Konzentrationen
Global gemittelte CO2-Konzentrationen 1958-2011
Hawaii + Südpol (rot)
NOAA/ESRL/GMD quasi-weekly time resolution (blau)
1960
1970
1980
1990
2000
2010
IPCC 2013
1750: 278 ± 2 ppm (Etheridge et al., 1996)
2011: 390.5 ppm (IPCC 2013)
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Schematische Darstellung
des Klimasystems
verändert nach Lemke 20036
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Strahlungseigenschaften
ausgewählter Planeten
r(109m)
Q(Wm-2)
α
Te(K)
Ts(K)
Venus
108
2623
0.75
232
760
Erde
150
1360
0.30
255
288
Mars
228
589
0.15
217
227
r: Distanz zur Sonne
255K = -18.15°C
Q: Solare Strahlung in Distanz r zur Sonne
288K = 14.85°C
α: Planetarische Albedo
Te: Temperatur im Strahlungsgleichgewicht
Ts: Oberflächentemperatur
Solare Strahlung pro Flächeneinheit (aufgrund der Erde als
kugelförmiger Planet mit Oberfläche 4πa2):
Qπa2/4πa2 = Q/4 = 1360/4 = 340 Wm-2
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PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt:
Downscaling“,
2014
Wells,„Statistisches
N. (2012): The
AtmosphereSS
and
Ocean. Wiley-Blackwell.
Energiebilanz
≈30% Rückstrahlung durch Wolken, Schnee, Eis,
atmosphärische Gase, Aerosole, Landoberfläche
≈70% Erwärmung der Atmosphäre,
des Ozeans und der Erdoberfläche
IPCC AR4
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8
Temperatur im
Strahlungsgleichgewicht
Erdsystem im thermischen Gleichgewicht (Stefan´s Gesetz):
Q
4
(
)
1
−
α
=
σ
T
 
e = 255 K ( ≈ −18°C )
4
σ = 5.67 x 10-8 Wm-2K-4 (Stefan-Boltzmann Konstante)
α = 0.3 und Q/4 = 340Wm-2
Strahlungstemperatur ≠ beobachtete Oberflächentemperatur
…da der größte Teil der planetarischen Strahlung von der
Atmosphäre ausgestrahlt wird, nur ein geringer Teil von der
Oberfläche.
Wells, N. (2012): The Atmosphere and Ocean. Wiley-Blackwell.
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Energiebilanz
Großteil der planetarischen Strahlung (outgoing longwave radiation)
von Atmosphäre emittiert, nur geringer Anteil von Oberfläche
IPCC AR4
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Temperatur im
Strahlungsgleichgewicht
Atmosphärischer Temperaturrückgang 6.5K/km von der Oberfläche
bis zur Tropopause (10km) – Strahlungsgleichgewichtstemperatur entspricht der Temperatur in 5km Höhe.
Aus dem Wienschen Verschiebungsgesetz folgt: Wellenlänge der
maximalen Strahlung λmax=11µm (mit Te=255K).
Dies entspricht dem mittleren Teil des Infrarotspektrums, in dem
Wasser und Kohlenstoffdioxid hohe Absorptionsbanden
aufweisen.
Folglich absorbieren und reemittieren alle Substanzen die Wasser
enthalten (Wolken, flüssiges Wasser, Wasserdampf) Strahlung
zurück zur Erdoberfläche.
Daraus resultieren die höheren beobachteten mittleren
Oberflächentemperaturen.
Wells, N. (2012): The Atmosphere and Ocean. Wiley-Blackwell.
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Energiebilanz
IPCC AR4
Absorption and Rückstrahlung zur Erdoberfläche
-> beobachtete Oberflächentemperatur > Strahlungsgleichgewichtstemperatur
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Thermische Strahlung
http://www.atmosphere.mpg.de
Absorptionsbanden
Methan (CH4)
Lachgas (N2O)
Ozon (O3)
Kohlendioxid (≈ 30% / 60%)
Wasserdampf (≈ 66%)
langwelliges atmosphärisches Fenster
Zahlen in Klammern:
Bedeutung im
natürlichen/
anthropogenen
Treibhauseffekt
Latif, M. (2009):
Im Zentrum von Linien und Banden optische Dicke sehr hoch → weitere Erhöhung der
Absorbermenge kein zusätzlicher Effekt.
Aber in den fernen Flügelbereichen mit geringem Absorptionskoeff. wächst optische
Dicke und damit aus Atmosphäre austretende Strahlung proportional zur
13
Vergrößerung
derGeogr.
Absorbermasse!
weitere
CO2-Erhöhung
= weitere
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A. Beck: Großes →
Projekt:
„Statistisches
Downscaling“,
SS 2014 Erwärmung!
Treibhauseffekt
Die Fähigkeit der Atmosphäre eine höhere
Oberflächentemperatur beizubehalten, als die
Temperatur im Strahlungsgleichgewicht, wird als
„Treibhauseffekt“ bezeichnet.
Die Oberflächentemperatur wird durch die Distanz zur
Sonne, die Masse und den Bestandteilen der
Atmosphäre bestimmt.
Wells, N. (2012): The Atmosphere and Ocean. Wiley-Blackwell.
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Strahlungsantrieb
Strahlungsantrieb:
Quantifiziert als Energieveränderung pro Flächeneinheit,
gemessen am oberen Rand der Atmosphäre und
in Watt pro Quadratmeter ausgedrückt.
Veränderung der Nettostrahlung (abwärts minus
aufwärts; solar plus langwellig).
(IPCC AR4)
Der Strahlungsantrieb kann verwendet werden, um die
folgende Veränderung der Gleichgewichtstemperatur an
der Erdoberfläche abzuschätzen (ΔTs):
∆Ts = λ ∆F
mit
λ: Klimasensitivität in K/(W/m2)
ΔF: Strahlungsantrieb
Ein typischer Wert für λ ist 0.8 K/(W/m2). Dies führt zu
einer
Erwärmung von 3K bei einer CO2-Verdopplung.
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SS 2014
Strahlungsantrieb
IPCC AR5
(2013)
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Welche Veränderungen zeigten sich
in der jüngeren Vergangenheit?
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Globale Erwärmung
im Beobachtungszeitraum
Mittel der globalen Lufttemperatur
Anomalien bezogen auf das Mittel 1946-1954
ednär ut ar ep me T
)ºC
Mittlere
Temperaturerhöhung
1900-2010:
0,75°C (GISS)
bis
0,84°C (NOAA)
Jahr
Wigley & Santer (Clim. Dyn., 2013)
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Trend der Jahresmitteltemperaturen
1901-2012
Linearer Trend der Jahresmitteltemperaturen
(schwarze Kreuze für 90% Signifikanz) IPCC 2013: WG1-AR5
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Temperaturtrends regional
Temperaturtrends Mittelmeerregion
Winter 1951-2000
Jacobeit et al. (2006)
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Globale Niederschlagstrends
1900-2005
Land
Trend:
0,03 mm/Tag
in 100 Jahren
Ozean
Trend:
0,04 mm/Tag
in 100 Jahren
Land & Ozean
et al.
(J. Geophys.
Res., 2013)
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: GroßesRen
Projekt:
„Statistisches
Downscaling“,
SS 2014
Hydrologische
Sensitivität
auf
Temperaturerhöhung:
2,1%K-1
22
Niederschlagstrends
regional
-1 0 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 1 0 mm/Jahr
S ig n ifik a n t e r T r e n d ( 9 5 % - N iv e a u )
Datengrundlage: E-OBS Version 7.0 (Haylock et al. , J. Geophys. Res., 2008)
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Indikatoren des
Klimawandels
Überblick über
beobachtete
Indikatoren des
Klimawandels
rot: Temperatur
blau: Hydrologie
schwarz: andere
IPCC AR5, 2013
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Wie erhält man Abschätzungen des
globalen Klimawandels?
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Abschätzungen des
anthropogenen Treibhauseffekts
3 mögliche Vorgehensweisen:
Globale Klimamodelle (kein Downscaling)
Regionale Klimamodelle (gekoppelt), dynamisches
Downscaling
Statistisches Downscaling
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IPCC- Szenarien (TAR+AR4)
www.hamburger-bildungsserver.de
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Representative concentration
pathways (AR5)
Representative concentration pathways (RCPs):
Vier RCPs:
• ein hohes Szenario, in dem der Strahlungsantrieb
>8.5 W/m2 bis 2100 erreicht und sich danach für eine
gewisse Zeit noch weiter erhöht.
• zwei mittlere “stabilization pathways”, bei denen
sich der Strahlungsantrieb bei ungefähr 6 W/m2 und
4.5 W/m2 nach 2100 stabilisiert.
• ein niedriges Szenario, in dem der Strahlungsantrieb
bei ungefähr 3 W/m2 vor 2100 gipfelt und danach
zurückgeht.
Die Szenarien enthalten die zeitliche Entwicklung der
Emissionen und Konzentrationen aller Treibhausgase,
Aerosole und chemisch aktiver Gase, sowie
Landnutzung und –bedeckung.
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CMIP5
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30
CMIP5
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Globale Temperaturentwicklung
für verschiedene Szenarien
Temperaturänderung
relativ zu 1986–2005
Multimodell-Mittel
und 5 bis 95% Spanne
(±1.64 Standardabweichung)
über die Verteilung der
Einzelmodelle
IPCC WG1 Fifth Assessment Report, 2013
1850
2100
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32
Winter
Temperaturänderungen
2081-2100 geg. 1986-2005
hohes RCP8.5-Szenario
Temperaturänderung (°C)
kleine Punkte: gute Übereinstimmung
große Punkte: sehr gute Übereinstimmung
Sommer
Knutti &Sedláček
(Nature Clim. Change, 2013)
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33
Winter
Niederschlagsänderung
2081-2100 geg. 1986-2005
hohes RCP8.5-Szenario
Niederschlagsänderung (%)
kleine Punkte: gute Übereinstimmung
große Punkte: sehr gute Übereinstimmung
Schrägsignatur: geringe Übereinstimmung
weiße Signatur: kein signifikantes
Änderungssignal
Sommer
Knutti &Sedláček
(Nature Clim. Change, 2013)
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34
Welche Fortschritte sind in der
Klimamodellierung zu verzeichnen?
Bessere Repräsentanz zahlreicher Prozesse
Multimodell- Ensemble- Simulationen
höhere räumliche Auflösung
1990
2001
1995
2007
IPCC 2007
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35
Höhere räumliche Auflösung
AR5 2013
Hochaufgelöstes GCM
RCM-Auflösung
IPCC 2013
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Bessere Repräsentanz
zahlreicher Prozesse
Größe Zylinder: Komplexität and
Anzahl der Prozesse
IPCC 2013
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37
Welche Unsicherheiten bestehen in
der zukünftigen Entwicklung?
Strahlungsantrieb
Allgemeine
Merkmale
„Representative
Concentration
Pathways“
RCP8.5
RCP6.0
RCP4.5
RCP2.6
Emissionen und
Konzentrationen
Treibhausgase
und Aerosole,
Landnutzungsänderungen
Sozio-ökonomische Szenarien,
Emissionsszenarien,
Vulnerabilitätsstudien
Adaption
Mitigation
Stabilisierung
…
Klima-Szenarien
Klimasensitivität:
Rückkoppelungen
Kippelemente
…
Zirkulationsmodelle:
Parametrisierung
…
Regionalisierung:
Instationaritäten
…
Integration
sozioökonomische
Szenarien
und
KlimaSzenarien
Integrierte
Szenarien
nach Moss et al.
(Nature, 2010)
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Schema zur Abschätzung der Nähe
zu einem Kipp-Punkt
„tipping point“
‘‘tipping points’’: at a
particular moment in time,
a small change can have
large, long-term
consequences for a
system, i.e., ‘‘little things
can make a big
difference’’
Lenton et al. 2008
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Tipping elements (KippElemente) im Klimasystem
Lenton et al. 2008
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41
Tipping elements
in Relation zu
1980-1999
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
Lenton et al. 2008
42
Mit welchen Veränderungen ist
in Mitteleuropa zu rechnen?
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43
Temperaturänderungen
für Europa
Jakob et al. (2014)
2071-2100 minus 1971-2000
alle Änderungen robust und signifikant
A1B:EU-FP6 ENSEMBLES multi-model ensemble,
25km Auflösung
RCP: EURO-CORDEX scenario simulations,
12.5km Auflösung
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Hitzewellen
2071-2100 minus 1971-2000
RCP8.5
Perioden mit min. 3 Tage > 99% Perzentil der täglichen
Maximumtemperaturen Mai-September im Kontrollzeitraum
1971-2000.
Jakob et al.
(2014)
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Niederschlagsänderungen
für Europa
2080–2099 minus 1986–2005
SRES A1B-Szenario
mit 24 CMIP3 Modellen (links)
RCP4.5 Szenario
mit 39 CMIP5 Modellen (rechts)
Leichte (starke) Schraffur:
> 66% (> 90%) der Modelle
gleiches Vorzeichen der Veränderung
IPCC 2013
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46
Niederschlagsänderungen
für Europa
Jakob et al. (2014)
2071-2100 minus 1971-2000
\ robuste Änderung
/ signifikante Änderung
A1B:EU-FP6 ENSEMBLES multi-model ensemble,
25km Auflösung
RCP: EURO-CORDEX scenario simulations,
12.5km Auflösung
47
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
Starkregen (95% Perzentil)
2071-2100 minus 1971-2000
RCP8.5
Jakob et al.
(2014)
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
48
Änderung Starkniederschläge
im Winterhalbjahr
Swiss Climate
Change
Scenarios
CH2011
Links: Veränderung von RX5DAY November-März bis zum Jahr 2085.
RX5DAY: über 5 Tage akkumulierte maximale Niederschlagssumme.
Gepunktete Gebiete: Signifikante Veränderungen (95% Konfid.niveau) in mehr
49
alsDr.
66%
der /Modelle.
Individuelle
Modellzeitreihen
für NO-Schweiz.
PD
E. Hertig
Dipl. Geogr.Rechts:
A. Beck: Großes
Projekt: „Statistisches
Downscaling“,
SS 2014
Trockenperioden
2071-2100 minus 1971-2000
RCP8.5
Änderung des 95% Perzentils der Trockenperioden (min. 5
aufeinanderfolgende Tage mit Niederschlag < 1mm)
Jakob et al.
(2014)
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
50
Änderung des
Wasserhaushalts
Niederschlagsänderung
Evapotranspirationsänderung
Seite 51
Abflussänderung
2036-2060 minus 1971-2000
GLOWA Danube Atlas, 2009
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
51
Szenario zur Entwicklung des
Hochwassers an der Oberen Donau
Seite 52
Quotient aus zukünftigem 100-jährlichem
Spitzenabfluss HQ100 für den Zeitraum
2011-2035
< 1 = Abnahme
> 1 = Zunahme des Hochwasserabflusses
GLOWA Danube Atlas, 2009
PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014
52