Wasser: Drahtzieher und Spielball im imglobalen Klimawandel. Prof. Volkmar Wirth Universität Mainz

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1 Wasser: Drahtzieher und Spielball im imglobalen Klimawandel Prof. Volkmar Wirth Universität Mainz

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4 Wasservorkommen der Erde Globale mittlere Prozentualer Tiefe [m] Anteil [%] Ozeane Polares Eis / Meereis / Gletscher Grundwasser Permafrost Seen Bodenwasser Atmosphäre Sümpfe Flüsse Biologisches Wasser

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6 Dresden, August 2002

7 Wasser: Drahtzieher und Spielball im globalen Klimawandel Klima atmosphärisches Wasser

8 Übersicht Einige Grundlagen Der Treibhauseffekt Hydrologische Extreme Starkregen-Ereignisse (Sommer 2002) Trockenperioden (Sommer 2003) Wie sieht die Zukunft aus? Zusammenfassung

9 Einige Grundlagen

10 distribution of water vapour Absolute Feuchte [g/kg] (Peixoto and Oort 1992) Druck [100 hpa] S 30S EQ 30N 60N Druck [100 hpa] Relative Feuchte [%] 60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%

11 Clausius-Clapeyron How much water vapour does the atmosphere contain in equilibrium with a liquid (solid) surface? Water vapor pressure (hpa) 7% per K temperature

12 distribution of water vapour Absolute Feuchte [g/kg] (Peixoto and Oort 1992) Druck [100 hpa] S 30S EQ 30N 60N Druck [100 hpa] Relative Feuchte [%] 60S 30S EQ 30N 60N 30% 50% 70% 90%

13 how does the water get into the atmosphere? how is the water removed from the atmosphere? incoming energy Evaporation (E) Warming Precipitation (P) ocean

14 Albedo = Anteil der reflektierten (sichtbaren) Sonnenstrahlung S Albedo S α Oberfläche Bedingungen Albedo α Wolken 100 m dick m dick 0.7 See, Ozean Zenitwinkel Eis Schnee alt-frisch Gras Wald Globales Mittel 0.3 die verschiedenen Formen von Wasser haben sehr unterschiedliche Albedo (Einfluss auf Energiebilanz)

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16 Der Treibhauseffekt

17 Global energy balance

18 first case: no atmosphere albedo = W/m W/m 2 incoming solar radiation outgoing terrestrial radiation

19 Global energy balance energy flux equilibrium energy loss incoming solar radiation outgoing terrestrial radiation temperature energy gain T e system is pretty stable Stefan-Boltzmann

20 first case: no atmosphere albedo = W/m W/m 2 incoming solar radiation outgoing terrestrial radiation equilibrium at T s = -6 o C (observed: +15 o C)

21 second case: with atmosphere albedo = 0.3 < 240 W/m W/m 2 incoming solar radiation absorption outgoing terrestrial radiation cold warm terrestrial radiation strongly interacts with the atmosphere (partial trapping)

22 second case: with atmosphere albedo = W/m W/m 2 incoming solar radiation absorption outgoing terrestrial radiation less cold system warms equilibrium at T s = +15 o C warmer system warms atmosphere/surface system warms satisfy energy balance

23 Greenhouse gases GHG = Gas which can absorb terrestrial radiation composition of the Earth s atmosphere Gas content (fraction by volume in dry air) natural anthropogenic N 2 78 % O 2 21 % Ar 0.9 % H 2 O 0 4 % CO ppmv O ppmv CFC s tiny fraction.... no GHG greenhouse gases

24 Humans increase CO 2 (forcing) However the key question is: how does H 2 O respond! (feedback)

25 Water vapor feedback remember: Clausius-Clapeyron Water vapor pressure (hpa) temperature There are good reasons to believe that the water vapor feedback is positive

26 Higher T more atmospheric H 2 O? 2 O? z atmospheric boundary layer ocean

27 Model simulated change of water vapor in the upper troposphere Del Genio, Science, 2002

28 the role of clouds?

29 z solar radiation Role Roleof of clouds? cooling warming terrestial radiation ocean

30 Contradictory role roleof of clouds z short wave radiative forcing: -48 W/m 2 cooling long wave radiative forcing: +31 W/m 2 warming net effect of clouds: -17 W/m 2 cooling ocean

31 Einfluss der derwolken? Erwärmungseffekt überwiegt Abkühlungseffekt überwiegt

32 Role of clouds in different climate models 2xCO 2 1xCO 2 IPCC 2001 large uncertainties possibly right for the wrong reasons

33 Hydrologische Extreme 1. Starkregenereignisse

34 Elbehöchststand seit Jahrhunderten Extreme Niederschläge im Erzgebirge ca 10 Mrd. Euro Schaden August 2002

35 Niederschlag August 2002 Höchster Wert in Zinnwald- Georgenfeld (südlich von Dresden): 353 mm / 24 Std. (Quelle: DWD)

36 Quantifizierung von Niederschlag Durchschnittliche Werte: pro Jahr pro Tag Mainz 587 mm 1,6 mm Kemptner 2000 mm 5,5 mm Hütte globales 1000 mm 2,7 mm ca. 600 mm pro Jahr Mittel Zinnwald-Georgenfeld (August 2002): A = 1 m 2 ca. 600 Liter 353 mm / 24 h

37 Wieviel Wasserdampf enthält die Atmosphäre unter normalen Bedingungen? z Wie kann es 353 mm in 24 Std. regnen? Feuchte muss (a) kontinuierlich durch den Wind herangeschafft werden (b) lokal zum Ausregnen gebracht weden z reicht für ca. 25 mm Niederschlag

38 Niederschlag verursacht durch das Tief Ilse 2 Meteosat Satellitenbild (IR Kanal) vom 12. August 2002 Zyklonenzugbahn Vb

39 Feuchtetransport durch das Tief Ilse 2 Quelle: G. Zängl (2004) Bodendruck (durchgezogen) und 500 hpa Geopotential (gestrichelt) am 12. August, 06 UTC 850 hpa Geoptential und Wind (Konturen und Symbole) und potentielles Regenwasser (schattiert) am 12. Aug., 18 UTC (Max.: 45 mm pot. Regenwasser)

40 Eine Summe von Faktoren 1. Zugbahn Vb mit Feuchtetransport aus dem Süden 2. Orografisch erzwungenes Aufsteigen am Erzgebirge Staueffekt und lokales Ausregnen 3. Tief nahezu stationär 4. Vorher schon zwei Episoden mit Starkniederschlägen Boden gesättigt!

41 Hydrologische Extreme 2. Trockenperioden

42 Sommer 2003 Sommer 2003 Über Wochen andauernde extrem hohe Temperaturen Maximum in Deutschland: 40.2 Grad C Sehr wenig Niederschlag >25000 zusätzliche Tote (bes. Frankreich)

43 Verhältnisse in in der der Schweiz Sommertemperatur 2003 liegt 5.4 Standardabweichungen über dem Mittelwert (Standardabwichung ermittelt aus den Jahren ) Schär et al Sommer 2003: seltener als 1x alle Jahre

44 Sommer 2003: sehr trocken Niederschlag Deutschland, Sommer, Flächenmittel Niederschlagssummen in mm Zeit in Jahren Quelle: Schönwiese et al. 2003

45 Hochdruckkeil über Westeuropa

46 Synoptische Entwicklung über Europa Juni bis bis August 2003 Daten: ECMWF-ERA Bearbeitung: B. Wecker, D. Reinert

47 Verstärkung der der Hitze durch Austrocknen der der Böden Hochdrucklage: Südwind Sonnenschein Hitze Trockenheit Lange Dauer Austrocknen der Böden (dauert 1-2 Monate!) eingestrahlte Energie eingestrahlte Energie Verdunstung Erwärmung Erwärmung Verdunstung normaler Boden trockener Boden

48 Wie sieht die Zukunft aus? Wie ändert sich der Wasserkreislauf in einem sich ändernden Klima?

49 Wir gehen von einem anthropogenen Klimawandel aus Fragen: 1. Wie wirkt sich der auf den Wasserkreislauf aus? 2. Speziell: die hydrologischen Extreme?

50 Projektionen der Klimamodelle Mehr Niederschlag im Winter Zunahme hydrologischer Extreme im Sommer weniger Niederschlag im Sommer (siehe Sommer 2003). aber Zunahme von sommerlichen Starkniederschlägen (siehe Sommer 2002) PARADOX...

51 Wasserspeicherkapazität der der Atmosphäre zur Erinnerung: Clausius-Clapeyron +7%/K temperature Atmosphäre 25 mm Wasser(dampf) Ozean / Erdoberfläche

52 Niederschlag August 2002 (Quelle: DWD) Höchster Wert in Zinnwald- Georgenfeld (südlich von Dresden): 353 mm / 24 Std. ΔT = 5 o C Clausius-Clapeyron: 35% mehr Wasser. 477 mm / 24 Std.

53 Wie wirkt die die Klimaveränderung auf auf den Niederschlag P? P? Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre: hängt stark von T ab (Clausius-Clapeyron) 7% mehr Wasser pro Grad Erwärmung Im Einzelfall steht deutlich mehr Wasser für P zur Verfügung Extremniederschläge könnten zunehmen aber: nehmen Niederschläge insgesamt zu?

54 Wie Wie wirkt wirkt die die Klimaveränderung auf auf den den mittleren Niederschlag? Auf lange Sicht global gemittelt gilt: Niederschlag P = Verdunstung E Verdunstung von der Oberfläche erfordert Energie! eingestrahlte Energie P und E wird durch determiniert, nicht durch T! >25 mm Wasser(dampf) Atmosphäre E (2.7 (> 2.7 mm/tag) (2.7 (>2.7 mm/tag) P Ozean / Erdoberfläche

55 Klimamodelle: Zunahme des Niederschlags in Abhängigkeit der Erwärmung Allen and Ingram (2002) ΔP = 2%/K (viel weniger als CC = 7%/K!)

56 Residenzzeit des des Wassers in in der der Atmosphäre Residenzzeit = Speicherterm Fluss = 25 mm 2.7 mm/tag = 9 Tage eingestrahlte Energie 25 mm Wasser(dampf) Atmosphäre E (2.7 mm/tag) P (2.7 mm/tag) Ozean / Erdoberfläche

57 Residenzzeit des des Wassers in in der der Atmosphäre Residenzzeit = Speicherterm Fluss +7%/K +2%/K Residenzzeit von Wasser in der Atmosphäre erhöht sich eingestrahlte Energie 25 mm Wasser(dampf) Atmosphäre E (2.7 mm/tag) P (2.7 mm/tag) Ozean / Erdoberfläche

58 Veränderung des des hydrologischen Kreislaufs Wasserspeicherkapazität der Atmosphäre erhöht sich Residenzzeit von Wasser in der Atmosphäre erhöht sich stärkere Niederschläge im Einzelfall gleichzeitig: Möglichkeit für längere Trockenphasen

59 Zusammenfassung

60 Wasser in in der deratmosphäre Drei Phasen: gasförmig, flüssig, fest physikalische Eigenschaften (Strahlung/Albedo) Treibhauseffekt: Wasserdampf: wichtigstes Treibhausgas Wasserdampf-Rückkopplung Rolle der Wolken Hydrologische Extreme Sommer 2002, Sommer 2003 Wasserkreislauf bei Klimaänderung? Wasserspeicherkapazität Residenzzeit Zunahme von hydrologischen Extremen

61 Vielen Dank!