KLIMAMODELLE: Wunsch und Wirklichkeit

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1 WISSENSWERTE, Bremen, November 2008 KLIMAMODELLE: Wunsch und Wirklichkeit Max Planck Institut für Meteorologie, Hamburg

2 Klimamodelle - Wunsch limited yield, unlimited dream Blick in die Zukunft Naturwissenschaften sind exakt Eindeutiger Nachweis von Ursache und Wirkung

3 Wettervorhersage Für einige Tage Verlauf der Trajektorie vorhersagbar soferne Anfangsbedingungen bekannt Klimavorhersage Verteilung der Kugeln vorhersagbar soferne Dicke und Abstand der Hindernisse bekannt (= Randwertproblem) (pinball machine analogy by Takle, G.S., 1995) viele Simulationen robuste Statistik

4 Komponenten des Klimasystems Anthroposphere Andreae, Science, 2007

5 Cycling of trace species Clouds Relative humidity change Aerosol physics Cloud formation Horizontal motion of air Number of cloud Aqueous phase drops Cooling of air chemistry Onset of rainfall Ascent of air Modelle Gas phase beinhalten eine große Rainfall rate Zahl an Prozessen, von denen chemistry jeder einzelne einen Vorgang stark vereinfacht Buoyancy change beschreibt. of air Change in solar radiation reaching surface Rate of absorption of solar radiation Change in temperature of surface air Dynamics and Thermodynamics Die Komplexität ergibt sich aus den zahlreichen Verknüpfungen und Rückkopplungen zwischen den einzelnen Prozessen. Radiation Change in surface moisture Evaporation rate Response of vegetation Ocean and Land Surface Marine biogeochemistry Horizontal and vertical eddy diffusion Ocean Wind stirring Sea ice

6 "Nobody believes a calculation except the person who did it, Unsicherheiten von Modellergebnissen Kenngrößenunsicherheit (Value uncertainty) Diskretisierung nicht adäquate numerische Methoden Kodierungsfehler Strukturelle Unsicherheit mangelndes Prozessverständnis Parameterunsicherheit fehlende Prozesse

7 and everybody believes an experiment except the person who did it." Beobachtungsdaten Messfehler und Messungenauigkeit Repräsentativität Messdaten müssen für Volumina von km 3 repräsentativ sein Satelliten Retrievals assimilierte Daten Zur Evaluierung von Klimamodellen verfügbare Daten stellen entweder einen Mix aus Messung und Modell dar oder sie sind nicht repräsentativ

8 IPCC Modellevaluierung Getestet werden Modell-Sensitivität und die Fähigkeit, das gegenwärtige Klima zu simulieren Definition verschiedener Szenarios Datenprozessierung und Verteilung aller Modellergebnisse Auf Anfrage freier Zugriff auf alle Daten PCMDI - Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison > 550 Projekte

9 Overall Performance Index courtesy Thomas Reichler & Junsu Kim, Univ. of Utah Ensemble Mean n=21 Avg. of 21 models = 1.0 Obs vs. Obs

10 Feedbacks Rückkopplungen zwischen verschiedenen Komponenten des Klimasystems Forcing Response feedbacks Bei einer Verdopplung der atmosphärischen CO2 Konzentrationen sind 40% der Temperaturerhöhung auf direkte Änderungen der langwelligen Strahlungsflüsse zurückzuführen, 60% aber auf Rückkopplungen mit dem Wasserkreislauf

11 Können wir die Zukunft vorhersagen? Nehmen wir an, unsere Modelle wären perfekt, so wäre die Vorhersage trotzdem eingeschränkt 1. Weil wir die Randbedingungen z.b. den Anfangszustand des Ozeans nicht kennen 2. Weil die Natur nur einen aller möglichen Zustände realisiert; wir wissen aber nicht welchen 3. Weil zukünftige Wirtschaftsentwicklungen und daraus abgeleitete Emissionsszenarien politische Optionen darstellen aber keine Vorhersagen

12 Neuere Entwicklungen Landnutzung, Anbaumethoden Biosphären Feedbacks C-N Kreislauf Verbesserung der Wolkenphysik mithilfe neuer Messdaten (e.g. A-train) Wolken-Klima Feedback Biosphäre-Klima Feedbacks Vegetation marine Biosphäre Biomassenverbrennung

13 Wolken-Klima Feedback Modellbasierte Abschätzungen von Vorzeichen und Stärke verschiedener Feedbacks Bony et al., JClim, 2006

14 Wolken-Klima Feedback Persistente Stratocumulus Wolken in den Absinkgebieten reflektieren Sonnenstrahlung Welche Prozesse kontrollieren den Bedeckungsgrad und die optische Dicke dieser Wolken?

15 Biomass Burning Emissions Why is fire important? Surface albedo and roughness => small effect on climate BUT fundamental part of disturbance regime affecting vegetation structure CO 2 emissions (2-4 PgC/yr; 2-3 PgC natural vegetation) => only ca 20% of fossil fuel emissions so small term in the global carbon cycle BUT important in year-to-year variability Emissions of reactive chemical species (CO, NO x, CH 4, N 2 O, H 2...), black carbon, CCN means potentially large impact on atmospheric chemistry and aerosol load O 3, visibility, particulates, health by courtesy hazard of Sandy Harrison

16 Z-Scores of Transformed Charcoal Influx Are we really sure it isn t people Tropical Americas Tropical Charcoal Quelccaya δo 18 Quelccaya Ice Core Cariaco Basin Titanium Cariaco Basin Marine Core = Charcoal Records = Palaeoclimate Records Population (1000s) Population Estimates by courtesy of Sandy Harrison

17 CLAW Hypothesis CLAW : Charlson, Lovelock, Andreae and Warren, 1986 positive/negative feedback? Atmosphere Cloud albedo Cloud condensation nuclei Sulfate aerosol SO 2 DMS Radiation budget Global temperature Climate feedbacks Ocean DMS Phytoplankton abundance and speciation Marine ecology

18 Biogenic emission response to climate change The hypothesis that the biosphere operates a negative feedback mechanism in a warming climate through the emission of SOA precursors has been advanced by Kulmala et al. (Atmos. Chem. Phys. 2004) Biogenic precursor emissions are known to increase sharply with temperature So the proposed mechanism is: Warming climate Increased biogenic emissions Increased SOA loading BUT Cooling = negativer Feedback CO2 Sättigung Arneth et al (Geophys. Res. Letters, 2007)

19 Sind Klimamodelle nützlich? Dynamischer Prozess formulieren, testen, revidieren Systemverständnis - unser Lebensraum anthropogener Fingerabdruck Interpretation von Messungen Da Fehler sich auf komplexe, nicht-lineare Weise fortpflanzen und da unsere Messungen unvollständig sind, ist eine Überprüfung der Modelle auf Richtigkeit und damit auch eine Falsifizierung im Popper schen Sinne nicht möglich Frage: Sind Modelle hinreichend genau für eine spezifische Anwendung?

20 Danke für s Zuhören

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