Wie lässt sich das Klima der Zukunft berechnen?

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1 Lehrerfortbildung der Fakultät für Physik der Universität Karlsruhe Karlsruhe 11. Juni 2008 Wie lässt sich das Klima der Zukunft berechnen? Barbara Früh Institut für Meteorologie und Klimaforschung Universität / Forschungszentrum Karlsruhe 1

2 Gliederung Einführung Wetter Klima, Geschichte der Wettervorhersage Wetter- und Klimamodelle physikalische Grundlage, Diskretisierung, regionale Klimamodelle Klimaprojektion, Szenarien SRES Szenarien des IPCC Extremereignisse Extremwertstatistik 10-jährlicher Wiederkehrwert des Niederschlags in Baden-Württemberg 2 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

3 Wetter - Klima DWD - Bodenanalyse DWD - Bodenanalyse , 7:00 MEZ , 7:00 MEZ DWD - METEOSAT 9 (IR) , 7:00 MEZ DWD - METEOSAT 9 (IR) , 7:00 MEZ Unter Wetter versteht man den aktuellen Zustand der Atmosphäre! Quelle: 3 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

4 Wetter - Klima Jährlicher Niederschlag Lufttemperatur Sommer Unter Klima versteht man den mittleren der Atmosphäre! (Jun-Aug) Zustand 1990 Lufttemperatur Winter (Dez-Feb) Quelle: DWD Klimastatusbericht 1997, Fuchs, Müller-Westermeier, Czeplak 4 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

5 Geschichte der Wettervorhersage Aristoteles 384 v.chr. 322 v.chr. Meteorologica Die Lehre von den Himmelserscheinungen Quelle: Wikipedia 5 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

6 Geschichte der Wettervorhersage 1648 B. Pascal: Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe G. Galilei ( ) 1592 Erfindung des Thermometers E. Torricelli ( ) 1643 Erfindung des Barometers Quelle: Wikipedia 6 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni O. v. Guericke: Abfallen des Luftdrucks bei Aufzug eines Unwetters

7 Geschichte der Wettervorhersage 1780 Societas Meteorologica Palatina Aus der Gründungsurkunde: Die Wissenschaften, die einen unmittelbaren Einfluss auf des Menschen Leben und seine tägliche Beschäftigung haben, verdienen eine besondere Beachtung, Aufmerksamkeit und Fürsorge. Aus diesen Gründen haben Seine Kurfürstliche Durchlaucht die Witterungslehre ihres höchsten Schutzes gewürdigt und Anstalten treffen lassen, dass an mehreren wichtigen Orten der kurfürstlichen Erblanden, auch in anderen Gegenden Europas und der übrigen Weltteile künftig mit gleichartigen Instrumenten tägliche Beobachtungen gemacht und eingesammelt werden. Abb. DWD Bericht: Wettervorhersage, Text: Wikipedia 7 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Erstes Jahrbuch der Societas Meteorologica Palatina von 1781

8 Geschichte der Wettervorhersage Vilhelm Bjerknes ( ) 1904 Abb. Text: P. Lynch, Met Éireann, Dublin; Abb.: Leipziger Institut für Meteorologie 8 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

9 Geschichte der Wettervorhersage L. F. Richardson ( ) Forecast factory 1922 P. Lynch, Met Éireann, Dublin 9 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

10 Geschichte der Wettervorhersage 1940er/50er Erste Computer... und damit ging es richtig los!!! 10 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

11 Wettermodelle Wettervorhersage als Anfangswertproblem Zeit Anfangsbedingung Vorhersage physikalische Gesetze 11 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

12 Wetter- und Klimamodelle Die physikalischen Gesetze (1) Newtonsche Bewegungsgleichungen (Impulserhaltung) (2) Kontinuitätsgleichungen (Massenerhaltung) (3) 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung) (4) Zustandsgleichung (ideale Gasgleichung) Gekoppeltes System von nicht-linearen partiellen Differentialgleichungen Analytisch nicht lösbar!! numerische Verfahren Folie: H. Wernli, Uni Mainz 12 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

13 Klimamodelle Klimavorhersage = Langfristige Vorhersage Wettervorhersage für maximal 14 Tage möglich (deterministisches Chaos) In Systemen mit vielen Komponenten, die für sich nicht vorhersagbar sind, ist das Verhalten der Gesamtheit dieser Komponenten sehr wohl statistisch vorhersagbar. Einfluss der trägeren Komponenten des Klimasystems und der Klimaantriebe auf statistisches Verhalten der Atmosphäre höher als Variabilität. Wetterinterne kann konkret vorhergesagt werden, während für das Klima nur die Änderung des statistischen Zustandes bestimmen werden kann. 13 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

14 Zeitskalen der Klimaantriebe Klimaantriebe Plattentektonik Zeitskalen der Änderung Millionen Jahre Erdbahnparameter Hunderttausend Jahre Einzelne Vulkanausbrüche Wenige Jahre Solaraktivität Jahre bis Jahrzehnte interne Klimaschwankungen Jahre bis Jahrzehnte anthropogene Treibhausgasemissionen Landnutzung Jahrzehnte Jahrzehnte Quelle: Hamburger Bildungsserver 14 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Paleoklimatologie Klimaprojektionen

15 Modellierung der Atmosphäre Diskretisierung des Rechengebietes in Gitterstruktur und Berechnung der Größen an jedem Gitterpunkt Welche Auflösung? 15 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

16 Modellierung der Atmosphäre Horizontale Auflösung T km T106 1,1 110 km km km Quelle: (MPI, Jacob) 16 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Höhere Auflösung bedeutet mehr Realitätsnähe

17 Modellierung der Atmosphäre Parametrisierung Gewitterwolken < Gitterzellen des Modells; sie werden nicht aufgelöst. Gewitter werden parametrisiert, d.h. ihre Effekte statistisch modelliert. > 5 km Folie: H. Wernli, Uni Mainz 17 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

18 Modellierung der Atmosphäre Einfluss der Auflösung von Klimamodellen höhere räumliche und zeitliche Auflösung: realistischere Details Gebirge und ihre Überströmung, Wolkenbildung, Austausch an der Erdoberfläche teurere Klimasimulationen mehr Rechenzeit, mehr Speicherbedarf Klimamodelle mit Auflösung von 10 km bislang nur für Ausschnitte möglich regionale Klimamodelle Vorgabe der Randwerte von einem grobmaschigen Globalmodell notwendig Erheblicher Einfluss des Globalmodell mit seiner Abfolge synthetischer Wetterlagen auf das regionale Modell 18 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

19 Regionale Klimamodelle typische Auflösung: km Quelle: (MPI, Jacob) 19 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 typische Auflösung: km

20 Rechenzeitbedarf ECHAM5 / MPI-OM für IPCC AR4 mit T63L31 ( 200km, 1.87 ) Auflösung 18 Experimente insgesamt 5000 Jahre Simulationszeit 80 CPU Stunden pro Simulationsjahr Quelle: CLM mit 50km (0.44 ) Auflösung 118 x 110 x 40 Gitterzellen t = 240s (Runge-Kutta) 100 CPU Stunden pro Simulationsjahr CLM mit 7km ( ) Auflösung 124 x 140 x 40 Gitterzellen, t = 40s (Leapfrog) 360 CPU Stunden pro Simulationsjahr Quelle: priv. Info von H.-J. Panitz, IMK 20 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

21 Effekt der horizontalen Auflösung Jahresniederschlag global Gitterauflösung: 1.87 ECHAM5 Gitterauflösung: CLM mm Quelle: IMK 21 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 regional

22 Evaluation des gegenwärtigen Klimas Beobachtete Temperaturänderung zu NUR natürlicher Antrieb (Solaraktivität und Vulkanismus) Folie: Hamburger Bildungsserver verändert nach IPCC Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 mit Treibhausgasemission

23 Unsicherheiten der Klimamodelle Wie stark beeinflussen die natürlichen Antriebe (Sonnenaktivität, Vulkanismus) die Klimavariabilität im Vergleich zu anthropogenem Antrieb? Wie wirkt sich die Klimaänderung auf den Austausch von Treibhausgasen und der Biosphäre aus? 23 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

24 Rückkopplungseffekt Einzelne Anfangsursachen können durch Wechselwirkungen im Klimasystem verstärkt oder abgeschwächt werden. Beispiel: Positiv (verstärkend) Temperaturzunahme Schnee und Eis schmilzt Absorption durch Erdoberfläche steigt Temperaturzunahme Beispiel: Negativ (abschwächend) Temperaturzunahme Höhere Verdunstung Erhöhte Wolkenbildung Verringerte Einstrahlung und Ausstrahlung insgesamt jedoch: Temperaturabnahme 24 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

25 Regionale Klimamodelle Regionale Ausschnittsmodelle müssen in der Lage sein, das aktuelle Klima (z.b ) richtig wiederzugeben Evaluation Mess- und Beobachtungsdaten sind selbst fehlerbehaftet und nicht ungeprüft als Wahrheit anzusehen Unsicherheit der Referenzwerte Untersuchungen mit Vorgabe der Randwerte aus täglichen Analysen des Zustandes der Atmosphäre (Wetter ) geben Hinweise auf Modellfehler des Ausschnittsmodells Solche Fehler müssen behoben werden, bevor Szenarien für die Zukunft sinnvoll werden können Fehler und Schwankungsbereiche globaler Szenarien prägen sich auch den regionalen Szenarien auf 25 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

26 Szenarienbildung Klimaszenarien Klimaänderung Treibhausgasemission Globale Entwicklung mehr Wachstum mehr Emissionen stärkere Klimaänd. weniger Wachstum weniger Emissionen schwächere Klimaänd. Quelle: Hamburger Bildungsserver 26 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Emissionsszenarien gesellschaftl. Szenarien Zeit Zeit Zeit

27 Emissions-Szenarien (SRES) des IPCC Quelle: IPCC Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

28 Emissions-Szenarien (SRES) des IPCC Unsicherheiten bei den Szenarien Wie stark wird die Bevölkerungszunahme sein? Wie entwickeln sich die Völker (Asien, Afrika)? Wie entwickeln sich die Technologien? Wie hoch werden die Emissionen (CO2, ) sein? alle 40 IPCC Szenarien gelten als gleich wahrscheinlich 28 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

29 Globale Erwärmung an der Erdoberfläche Szenarien durch Farbgebung Bandbreite durch Ensemble von ~20 verschiedenen Klimamodellen Mittelwert Quelle: IPCC Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

30 Klimaprojektion Änderung der bodennahen Temperatur zu B1 A1B A2 Quelle: IPCC Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

31 Klimaprojektion zu Folie: Hamburger Bildungsserver verändert nach IPCC Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

32 Regionale Klimamodelle Änderung des Sommerniederschlags (A1B) von REMO-UBA 10km Auflösung zu Quelle: D. Jacob, REMO-UBA Simulationen, MPI Hamburg, Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

33 Meteorologische Extremereignisse Temperatur Hitzewelle, Frost Niederschlag Hochwasser, Hagel, Dürre Wind Winterstürme, Gewitterstürme 33 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

34 Meteorologische Extremereignisse Charakteristika: extreme Auswirkungen seltene Ereignisse (in einem Gebiet) große regionale Variabilität variable Erscheinungsformen abhängig von Zeit/Raumskala der Extremereignisse Anforderung für Rekonstruktion lange Messreihen Zeit 1 Wo homogene Messreihen 1d gute räumliche Abdeckung 1h hohe zeitliche Variabilität 1 min globale Wellen Kälte/Hitzeperioden Tief/HochdruckgebieteWinterstürme Wolkencluster Gewitterwolken Cumulus 34 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 einzelne Gewitter Sturmböen, Tornados 100 m tropische Fronten Zyklonen Gewitterkomplexe 10 km 1000 km Länge

35 Extreme Wetterereignisse im verändernden Klima Klimasimulationen als Datengrundlage: Wetterdaten für Vergangenheit und Zukunft Datenauswahl: relevante meteorologische Einflussgrößen und Zeiträume Wind Temperatur Niederschlag Bestimmung der Änderungen extremer Ereignisse zwischen Vergangenheit und Zukunft anhand der statistischen Vergleichsgrößen 35 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Statistische Beschreibung der Daten Messdaten Fit

36 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen 1.0 Alle Niederschlagsereignisse 1mm /Tag Relative Häufigkeit % 0.6 Starkniederschlagsereignisse h Niederschlag Beobachtungen JJA 0.2 Stuttgart Quelle: IMK 36 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Niederschlag, mm / Tag 40

37 Peak-over-threshold Methode 1.0 Relative Häufigkeit 0.8 Verallgemeinerte Pareto Verteilung Kappa Verteilung Schwellenwert: 6.64 mm h Niederschlag Beobachtungen JJA 0.2 Stuttgart Quelle: IMK 37 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Niederschlag, mm / Tag 50 60

38 Wiederkehrwerte - Gumbel Diagramm 80 Wiederkehrwert, mm / Tag 70 Verallgemeinerte Pareto Verteilung Kappa Verteilung P = 55 mm beobachtete Niederschlagsereignisse P = 49 mm P = 46 mm 40 24h Niederschlag Beobachtungen JJA 30 Stuttgart Quelle: IMK 38 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Wiederkehrperiode (T), Jahre

39 Evaluation 10-jähriges Niederschlagsereignis - Winter Beobachtung REMO-UBA Abweichung 24h Niederschlag DJF Quelle: IMK 39 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

40 Evaluation 10-jähriges Niederschlagsereignis Beobachtung REMO-UBA Abweichung 24h Niederschlag JJA Quelle: IMK 40 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

41 Statistische Verteilungen Mittelwerte Verteilungen a) Vergrößerung Standardabweichung σ Bsp.: Normalverteilung b) Vergrößerung Mittelwert µ große Änderung Extrema 41 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

42 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen Perzentil: 14.2 mm Relative Häufigkeit Quelle: IMK 42 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Niederschlag, mm / Tag 40

43 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen Quelle: IMK 43 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Perzentil: 16.2 mm Perzentil: 14.2 mm Relative Häufigkeit Niederschlag, mm / Tag 40

44 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen Quelle: IMK 44 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Perzentil: 26.9 mm Perzentil: 16.2 mm Perzentil: 14.2 mm Relative Häufigkeit 0.20Erhöhung des 99. Perzentils Erhöhung der Intensität: 1% stärkste Niederschlagsereignisse werden stärker Niederschlag, mm / Tag 40

45 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen Relative Häufigkeit % 0 Quelle: IMK 45 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Niederschlag, mm / Tag 40

46 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen Relative Häufigkeit % 1% 0 Quelle: IMK 46 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Niederschlag, mm / Tag 40

47 Beschreibung von Starkniederschlagsereignissen Relative Häufigkeit Erhöhung des 99. Perzentils Erhöhung der Häufigkeit: 0.20 Starkniederschlagsereignisse werden häufiger % 2.7% 1% Quelle: IMK 47 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni Niederschlag, mm / Tag 40

48 Zukünftige Änderung 10-jähriges Niederschlagsereignis Abweichung 24h Niederschlag Quelle: IMK 48 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Schraffierte Felder: Signifikante Änderung auf 80% Niveau Kreuz-Schraffierte Felder: Signifikante Änderung auf 90% Niveau DJF

49 Zukünftige Änderung 10-jähriges Niederschlagsereignis Abweichung Erste Ergebnisse!!! müssen mit Hilfe eines Ensembles von regionalen Klimasimulationen überprüft werden!!! 24h Niederschlag Quelle: IMK 49 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Schraffierte Felder: Signifikante Änderung auf 80% Niveau Kreuz-Schraffierte Felder: Signifikante Änderung auf 90% Niveau JJA

50 ENDE 50 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

51 Klimaantrieb durch Veränderung der Erdbahnparameter Milankovic-Theorie: periodische Veränderung der Erdbahnparameter Ursache von Klimaschwankungen Exzentrizität (~ & Jahre) Abweichung der elliptischen Erdbahn von der Kreisbahn 2,4 W/m2, global Obliquität (Schiefe der Ekliptik, ~ Jahre) Neigung der Erdachse gegen die Erdbahnebene 20 W/m2 in 50 N, nur in höheren Breiten, global ausgeglichen Präzession (~ Jahre) Schwingung der Erdachse um die Senkrechte auf der Erdbahnebene W/m2 in 50 N, global ausgeglichen Quelle: Hamburger Bildungsserver 51 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

52 Perzentil, Wiederkehrwert und Wiederkehrperiode Perzentil: 1 F mitf: kumulative Verteilungsfunktion Wiederkehrwert (RV): Niederschlagsmenge, die einmal pro Zeitfenster (Jahr oder Saison) mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/T auftritt mitt: Wiederkehrperiode njahre 1 F ( RV ) = nereig T 52 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

53 Regionale Klimamodelle Verteilung der täglichen Temperaturmaxima in Karlsruhe Heute ( ) und zukünftig ( ) Lufttemperatur [ C] 53 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008

54 Bisherige Auswirkungen Beiträge zum Anstieg des Meeresspiegels Beiträge zum Anstieg Thermische Ausdehnung Gletscher und Eiskappen Grönländischer Eisschild Antarktischer Eisschild Summe Beobachtung Geschwindigkeit (mm/jahr) ,6 ±0,5 0,77 ±0,22 Max.: 0,4 m 0,21 ±0,07 Max.: 7,3 m 0,21 ±0,35 Max.: 56,6 m 2,8 ±0,7 3,1 ±0,7 Quelle: IPCC Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Erwärmung der gesamten Wassersäule (bis ~ 4000 m Tiefe) um 1 C bewirkt Anstieg des Meeresspiegels um ~ 0,5 m.

55 Zukünftige Auswirkungen Änderung der thermohalinen Zirkulation Quelle: WBGU, 2007 Oberflächenströmung Tiefenströmung 55 Barbara Früh IMK-TRO 11. Juni 2008 Bodenströmung Tiefenwasserbildung Salinität > 36 Salinität < 34