Millimeter, Milligal, Gigatonnen und Terawatt wie Schwerefeldmissionen den Klimawandel beobachten

Transkript

1 Intergeo 2013, Essen Millimeter, Milligal, Gigatonnen und Terawatt wie Schwerefeldmissionen den Klimawandel beobachten 1 Jürgen Kusche Professur für Astronomisch-Physikalische und Mathematische Geodäsie, IGG, Uni Bonn

2 CHAMP, GRACE, GOCE, 1970: Kameramessungen 1980: Laserdistanzmessungen : GPS-LEO Tracking, LEO-LEO Ranging, Gradiometrie

3 CHAMP, GRACE, GOCE, Fragen Was haben wir, mit inzwischen >10 Jahren CHAMP/GRACE/GOCE, über Veränderungen im Klimasystem gelernt? 3 Chancen und Grenzen

4 CHAMP, GRACE, GOCE, DFG-Schwerpunktprogramm SPP1257 ( ) Massentransporte und Massenverteilungen im System Erde : SPP-Abschlußkolloquium und GRACE Science Team Meeting

5 Massentransporte und Massenverteilungen: Größenordnungen Biomasse M = Gt Luftmasse M = Gt 5 Marine Evaporation M = Gt/a Gletscher Negative Massenbilanz M = 200 Gt/a? 0,023 % der Erde bestehen aus Wasser: M = 1, Gt

6 Thema des Vortrags Fragen Was haben wir, mit inzwischen >10 Jahren CHAMP/GRACE/GOCE, über Veränderungen im Klimasystem gelernt? 6 Chancen und Grenzen

7 Trends ( ) aus GRACE Schwerefeldmodellen Alaskagletscher Negative Positive Massenbilanz Landwirtschaft Grundwasserspiegel fällt Erdbeben 7 Zunahme Wasserspeicherung Reservoir Negative Massenbilanz Niederschlagszunahme

8 Massenbilanzen und Meeresspiegelanstieg IPCC AR5 (Summary for Policymakers) In allen Szenarien wird sich die Erwärmung der Ozeane über Jahrhunderte fortsetzen, selbst wenn die Treibhausgasemissionen konstant bleiben oder gesenkt werden : Anstiege um weitere 26 bis 55 cm, auch wenn beträchtliche Klimaschutzanstrengungen unternommen werden Ohne Emissionsbeschränkungen: 45 bis 82 cm Könnte auch deutlich höher ausfallen Neue Projektionen höher als im AR4, weil der Beitrag der polaren Eisschilde besser berücksichtigt ist (negative Massenbilanzen Grönland und Antarktik)

9 Meeresspiegelanstieg Mittlerer Anstieg (Rekonstruktion aus Pegeln und Satellitenaltimetrie, Wachsmuth et al.) 9 1 )

10 Meeresspiegelanstieg Mittlerer Anstieg (Satellitenaltimetrie, Stammer et al.) 10 1 )

11 Meeresspiegelanstieg Projektion vs (mit RCP8.5, Slangen et al.) 11 1 )

12 [Antarktik aus GRACE etc ] Massenbilanzen und Meeresspiegelanstieg Beitrag der Eisschilde zum Meeresspiegelanstieg /- 0.20mm/a (Shepherd et al., 2012) mm/jahr

13 Massenbilanzen und Meeresspiegelanstieg Beitrag der Eisschilde zum Meeresspiegelanstieg In verschiedenen geodätischen Beobachtungstechniken (Shepherd et al., 2012) 13 IO-Methode Radaraltimetrie Satellitengravimetrie

14 Massenbilanzen und Meeresspiegelanstieg Beitrag der Eisschilde zum Meeresspiegelanstieg In verschiedenen geodätischen Beobachtungstechniken (Eicker et al.,) A GRACE B ICESAT 14 EWH [m/year] Satellitengravimetrie EWH [m/year] Laseraltimetrie

15 Massenbilanzen und Meeresspiegelanstieg Beitrag der Gletscher zum Meeresspiegelanstieg /- 0.08mm/a (Jacob et al., 2012) mm/jahr

16 Massenbilanzen und Meeresspiegelanstieg Dynamische Topographie, geostrophische Strömungen, und der Golfstrom (1 Sv = km 3 /s) GRACE 16 GOCE GOCE Willis (2010) Bingham et al In-situ

17 Intensivierung des Wasserkreislaufs? IPCC AR5 (Summary for Policymakers) Ein ungebremster Ausstoß von Treibhausgasen könnte das Klimasystem derart verändern, wie dies in den vergangenen hunderttausenden Jahren nicht vorgekommen ist. Vielfältige und deutliche Veränderungen wären zu erwarten, wie etwa bei Niederschlägen, Eis und Schnee, einigen Extremwetterereignissen, [ ] 17 Bei vielen extremen Wetterereignissen wurden Veränderungen beobachtet. [ ] In Europa, Asien und Australien traten häufiger Hitzewellen auf. Mehr und intensivere Starkregenereignisse in Nordamerika und Europa. Häufigere und längere Hitzewellen (sehr wahrscheinlich). 2100: Starkniederschläge werden über den meisten Landgebieten der mittleren Breiten und über den feuchten Tropen sehr wahrscheinlich intensiver und häufiger auftreten

18 Intensivierung des Wasserkreislaufs? Hydrologische Messgröße: Abfluß (Pegelmessung + Ganglinie) Integriert über Einzugsgebiet Runoff 18 Niederschlag Milliman et al., 2008

19 Intensivierung des Wasserkreislaufs? 19 Milliman et al., 2008

20 Intensivierung des Wasserkreislaufs? 20 Milliman et al., 2008

21 Intensivierung des Wasserkreislaufs? Beitrag der terrestrischen Grund- und Oberflächen zum Meeresspiegel aus GRACE und RA: -0.2 mm/a (Riva et al., 2012, Jensen et al., 2013) mm/jahr

22 Intensivierung des Wasserkreislaufs? Fasullo et al., MSL de-trended Beschleunigungen in GRACE

23 Intensivierung des Wasserkreislaufs? 23 Elbe-Hochwasser Mai/Juni 2013

24 Intensivierung des Wasserkreislaufs? Elbe-Hochwasser Mai/Juni 2013 in GRACE Niederschlag Mai 2013 (BfG) 100 mm EWH 17.8 km 3 24 Gesamtwassermenge im Ems-Weser-Elbe Einzugsgebiet Anne Springer, Uni Bonn

25 Massenbilanzen in numerischen Modellen Wasserbilanz in Modellen Wasserspeicherung in Balance mit Niederschlag, Verdunstung, Abfluß? 25 W S S O

26 Massenbilanzen in numerischen Modellen 26 K. Trenberth

27 Anthropogene Effekte Hydrologische Massenbilanzen Anthropogene Grundwasserentnahmen / Landwirtschaft 27 Absinken des Grundwasserniveaus um 20mm/Jahr im Central Valley (52.000km 2 ), 20.3km 3 in 6.5 Jahren (Famiglietti et al. 2011)

28 Thema des Vortrags Fragen Was haben wir, mit inzwischen >10 Jahren CHAMP/GRACE/GOCE, über Veränderungen im Klimasystem gelernt? 28 Chancen und Grenzen

29 Chancen und Grenzen Numerische Modelle des Erdsystems (Ozean, Atmosphäre, Landoberfläche, ) # Zustandsgrößen O(100) verknüpft durch Navier-Stokes Gleichungen, HS der Thermodynamik, Erhaltungssätze Masse, Drehimpuls, Strahlung, Kont.-gleichung, # Freiheitsgrade O(10 30 ) (Globale Atmosphäre) Skalen mm 1000 km, min Dekaden Simulationen: Prozessverständnis, Vorhersagen, Klimaprojektionen Offline oder gekoppelt 29 Messung Daten werden i.d.r. durch Assimilation eingeführt

30 Assimilation von Schwerefelddaten in numerische Modelle Datenassimilation Integration von Modellrechnung (simulierter Zustand des Ozeans, der Atmosphäre, der terrestrischen Wasserflüsse, ) und gemessenem Schwerefeld im Sinne einer Ausgleichung Lange schon Standard in Wettervorhersage (Niederschlagsmessungen) und Ozeanmodellierung Methoden (3DVAR, 4DVAR, EnKF/KS) und effiziente Implementierungen/Werkzeuge sind vorhanden Was derzeit entwickelt wird (z.b. NASA GLDAS, DFG SPP 1257): Verfahren um integrale Daten (Schwerefeld!) effizient zu assimilieren 30 Chancen: Was lernen wir neues?

31 Assimilation von Schwerefelddaten in numerische Modelle Beispiel: Globaler terrestrischer Wasserkreislauf 31 Parameterraum hydrologischer Modelle Wasserspeicherung in Raum und Zeit Grundwasser, Boden, Wurzelzone, Oberflächengewässer, Parameter die Transport und Phasenumwandlung steuern

32 Assimilation von Schwerefelddaten in numerische Modelle Beispiel: Globaler terrestrischer Wasserkreislauf Global Land Data Assimilation System (M. Rodell) 32 Downscaling Vertikale Disaggregation

33 Assimilation von Schwerefelddaten in numerische Modelle Beispiel: Globaler terrestrischer Wasserkreislauf 33 Schätzung von Modellparametern im Ensemble Kalman Filter

34 Assimilation von Schwerefelddaten in numerische Modelle Beispiel: Globaler terrestrischer Wasserkreislauf Assimilation von GRACE in das hydrologische Modell WGHM welche Parameter sind meist sensitiv? M. Schumacher, Uni Bonn Schmelztemperatur von Schnee Strahlungsbilanz Niederschlagsmenge 34 Anthropogene GW- Entnahme

35 Schwerefeldsatelliten messen Schneeschmelztemperatur? 35

36 Globaler Energiekreislauf Energiebilanz in Modellen Solare Einstrahlung in Balance mit Wärmeaustausch? 36

37 Globaler Energiekreislauf 37 K. Trenberth

38 Globaler Energiekreislauf Landoberfläche Variabilität der Evapotranspiration E im Rhein-Maas Gebiet aus GRACE und Modellen (A. Springer, Uni Bonn) J/kg 80 W / m 2 (globales Mittel) 38 A. Springer, Uni Bonn

39 Globaler Energiekreislauf Ozean - Wärmeaufnahme Beispiel (1 Sigma) 0,3 mm/a globaler Meeresspiegel aus Altimetrie 0,3 mm/a globale Ozeanmasse aus Gravimetrie 0,4 mm/a für die wärmebedingte Ausdehnung 0,26 0,52 (W / m 2 )/a Wärmeaufnahme TW/a 39 Über ein Jahr, entspricht dies einer Änderung der Ozeanwärme um Joule

40 Globaler Energiekreislauf Geodätischer Fehlerbalken 40 Ozean Wärmeaufnahme (IPCC AR5)

41 Globaler Energiekreislauf Land-Wasserspeicherung 41 Thermische Ausdehnung Ozean Wärmeaufnahme (R. Rietbroek, Uni Bonn)

42 Zusammenfassung >10 Jahre CHAMP, GRACE und GOCE haben ermöglicht, zahlreiche klimarelevante Zeitreihen von Feldern und Parametern abzuleiten; wesentliche Updates von IPCC-AR5 wurden dadurch möglich intelligente Kombination von Schwerefelddaten mit hydrologischen, meteorologischen und ozeanographischen Messgrößen durch Validierung / Verbesserung von langen Zeitreihen anderer Messverfahren im gemeinsamen Zeitraum werden klimarelevante Zeitskalen abgedeckt Chancen und Grenzen? Weiterführung der Zeitreihen (GRACE-FO, ESA/NASA Efforts) Operationalisierung von Schwerefelddaten durch Datenassimilation wird neue Anwendungen öffnen Schwerefeld wird zu einer generischen Messgröße des gekoppelten Wasser-Energie-Stoff-Kreislaufes werden 42

43 43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit