Statistisches Downscaling
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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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 3 Wie funktioniert der Treibhauseffekt? PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 4 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 5 Schematische Darstellung des Klimasystems verändert nach Lemke 20036 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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 7 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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. PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 9 Energiebilanz Großteil der planetarischen Strahlung (outgoing longwave radiation) von Atmosphäre emittiert, nur geringer Anteil von Oberfläche IPCC AR4 10 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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. PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 11 Energiebilanz IPCC AR4 Absorption and Rückstrahlung zur Erdoberfläche -> beobachtete Oberflächentemperatur > Strahlungsgleichgewichtstemperatur 12 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. 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. PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 14 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. 16 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 Strahlungsantrieb IPCC AR5 (2013) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 17 Welche Veränderungen zeigten sich in der jüngeren Vergangenheit? PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 18 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 19 Trend der Jahresmitteltemperaturen 1901-2012 Linearer Trend der Jahresmitteltemperaturen (schwarze Kreuze für 90% Signifikanz) IPCC 2013: WG1-AR5 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 20 Temperaturtrends regional Temperaturtrends Mittelmeerregion Winter 1951-2000 Jacobeit et al. (2006) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 21 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 23 Indikatoren des Klimawandels Überblick über beobachtete Indikatoren des Klimawandels rot: Temperatur blau: Hydrologie schwarz: andere IPCC AR5, 2013 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 24 Wie erhält man Abschätzungen des globalen Klimawandels? PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 25 Abschätzungen des anthropogenen Treibhauseffekts 3 mögliche Vorgehensweisen: Globale Klimamodelle (kein Downscaling) Regionale Klimamodelle (gekoppelt), dynamisches Downscaling Statistisches Downscaling PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 26 IPCC- Szenarien (TAR+AR4) www.hamburger-bildungsserver.de PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 27 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. 28 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 CMIP5 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 30 CMIP5 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 31 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 35 Höhere räumliche Auflösung AR5 2013 Hochaufgelöstes GCM RCM-Auflösung IPCC 2013 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 36 Bessere Repräsentanz zahlreicher Prozesse Größe Zylinder: Komplexität and Anzahl der Prozesse IPCC 2013 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 38 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 40 Tipping elements (KippElemente) im Klimasystem Lenton et al. 2008 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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? PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 44 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) PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 45 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 PD Dr. E. Hertig / Dipl. Geogr. A. Beck: Großes Projekt: „Statistisches Downscaling“, SS 2014 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
