Die Klimawürfel: Hintergrund und Beschreibung

Transkript

1 Die Klimawürfel: Hintergrund und Beschreibung Franz Embacher Universität für Bodenkultur Wien, April 2013 nach einem Entwurf von Iouli Andreev basierend auf einer Publikation von James Hansen Die Sommer werden immer heißer! Die Sommer werden immer heißer! Insbesondere waren die Sommer des Jahrzehnts wärmer als die Sommer im Vergleichszeitraum An diese empirisch gesicherte Tatsache schließt sich aber sogleich eine Reihe von Fragen: Was bedeutet diese Aussage genau? Wie verträgt sie sich mit der Tatsache, dass es auch in den letzten zehn Jahren an vielen Orten der Erde vergleichsweise kühle Sommer gegeben hat? Wie stark ist der Anstieg der sommerlichen Lufttemperaturen? Wie kann er einem breiten Publikum nahegebracht werden? Handelt es sich hierbei um einen Trend als Folge der globalen Erwärmung? Oder lässt sich die Häufung besonders heißer Sommer im vergangenen Jahrzehnt durch die seit Menschengedenken bekannten Schwankungen des Wetters erklären? Trends wie das Ansteigen der Sommertemperaturen sind statistische Aussagen. Um den Inhalt derartiger Aussagen in einfacher und eindrucksvoller Weise einem breiten Publikum zu vermitteln, hat James Hansen mit Mitarbeitern das Konzept des Klimawürfels entwickelt 1. Es besteht darin, Sommer, die angesichts des 1 Der wissenschaftliche Artikel, der diesem Baustein zugrunde liegt (James Hansen, Makiko Sato und Reto Ruedy: Public Perception of Climate Change and the New Climate Dice und Perception of Climate Change, veröffentlicht in Proc. Natl. Acad. Sci., 109, , 2012) steht online unter zur Verfügung, eine etwas ausführlichere Version (Public perception of climate change and the new climate dice) als Preprint unter Eine Zusammenfassung (der die Abbildungen 1 und 2 entnommen sind) findet sich unter Die ursprüngliche Idee des Klimawürfels geht

2 typischen Klimas an einem Ort als kühle, mittlere und heiße klassifiziert werden können, zu würfeln. Um eine typische Sommer-Abfolge der letzten zehn Jahre zu simulieren, muss allerdings ein anderer Würfel verwendet werden als für die Jahrzehnte davor. Dieser Baustein handelt vom Vergleich der aktuellen Sommer- Temperaturverteilung mit einer früheren, heruntergebrochen auf den Vergleich zweier Klimawürfel. Der alte Klimawürfel Als Ausgangspunkt dient die statistische Verteilung der mittleren Lufttemperaturen der Sommermonate (genauer: der Monate Juni bis August) der Jahre an zahlreichen Orten des Festlands der Nordhemisphäre der Erde 2. Dabei geht es nicht um die absoluten Temperaturen, sondern um deren Variation, d.h. um die Änderungen der Temperaturen von Jahr zu Jahr, gemessen relativ zu den typischen Sommertemperaturen. (Generell wird in Fragen des Klimawandels meist nicht mit absoluten Temperaturen gearbeitet, sondern mit Temperaturänderungen, weil diese, unabhängig vom jeweiligen lokalen Klima, weltweit vergleichbar sind). Wie Abbildung 1 zeigt, kann die Verteilung recht gut als Normalverteilung angenähert werden. (Wie sie aus den lokalen Temperaturdaten gewonnen wird, ist im Anhang 1 genauer beschrieben). Diese Verteilung wird nun dazu verwendet, die Sommer in drei Kategorien einzuteilen: kühle (blau), mittlere (weiß) und heiße (rot), und zwar so, dass jede der drei Kategorien mit einer relativen Häufigkeit von 1/3 auftritt. Die Begriffe kühl, mittel und heiß beziehen sich dabei nicht auf bestimmte Temperaturen, sondern sind relativ zum typischen Sommer einer Region zu verstehen. Um eine typische Verteilung dieser drei Sommer-Typen im Zeitraum zu simulieren, kann eine Sequenz von Zufallsfarben (blau, weiß oder rot, mit einer Wahrscheinlichkeit von jeweils 1/3) erzeugt werden. Das kann mit Hilfe eines normalen, sechsseitigen Würfels (climate dice) realisiert werden, der zwei blaue, zwei weiße und zwei rote Seiten besitzt. Im Anhang 2 und in der Datei Netze.pdf ist das Netz eines solchen Würfels zum Ausdrucken, Ausschneiden und Zusammenkleben abgebildet. auf eine Arbeit von Hansen et. al. aus dem Jahr 1988 zurück ( 2 Sie beruht auf Messungen zahlreicher meteorologischer Stationen. Die Einschränkung auf Daten vom Festland erfolgt einerseits, weil hier die Menschen leben, und andererseits, weil es für die Ozeane aus dem betreffenden Zeitraum, in dem noch keine satellitengestützten Messungen möglich waren, weniger Daten gibt. Die Einschränkung auf die nördliche Hemisphäre erfolgt, weil die Datenlage hier wesentlich besser ist als für die südliche. Die Sommermonate werden deshalb herangezogen, weil die natürlichen Jahr-zu-Jahr-Variationen der Wintertemperaturen mit 2 4 C erheblich größer sind als jene der Sommertemperaturen (die etwa bei 1 C liegen) und ein globaler Trend wiewohl vorhanden sich von diesen großen Variationen schlechter abhebt.

3 Abbildung 1: Verteilung der Sommertemperaturen auf dem Festland der Nordhemisphäre der Erde in den Jahren , gemessen relativ zum Temperaturmittel des jeweiligen Ortes (bei 0), in Einheiten der jeweiligen (lokalen) Standardabweichung. An die Daten wurde eine Normalverteilung angepasst sie ist als grüne Kurve eingezeichnet und stimmt so gut mit der gemessenen Verteilung überein, dass sie kaum sichtbar ist. Der Bereich der einfachen Standardabweichung liegt zwischen den Werten 1 und 1. Die Grenzen zwischen den drei Kategorien kühl (blau), mittel (weiß) und heiß (rot) liegen bei 0.43 und Die Skalierung der senkrechten Achse ist so gewählt, dass die Fläche unter der Verteilung gleich 1 ist, d.h. dass Flächenanteile den relativen Häufigkeiten (Wahrscheinlichkeiten) entsprechen. Der neue Klimawürfel Nun wird zur Verteilung der Sommer-Temperaturen des späteren Zeitraums übergegangen. Um globale Veränderungen sichtbar zu machen, werden die Sommertemperaturen dieser Jahre relativ zum typischen Sommer der früheren Jahre (d.h. gemessen relativ zum Mittelwert der früheren Verteilung und in Einheiten der damaligen lokalen Standardabweichung) dargestellt. Damit gibt sich die in Abbildung 2 gezeigte Verteilung. Sie ist ebenfalls näherungsweise eine Normalverteilung, allerdings im Vergleich zu den früheren Daten (die der grünen Kurve entsprechen) nach rechts, zum wärmeren Ende hin, verschoben und leicht unsymmetrisch, mit einem Überhang im wärmeren Bereich. Die drei Sommer-Typen dieses Jahrzehnts werden ebenfalls auf den früheren Zeitraum bezogen: Als kühler, mittlerer oder heißer Sommer gilt nun ein Sommer, der, wäre er in den Jahren aufgetreten, dort in die gleichnamige Kategorie gefallen wäre.

4 Abbildung 2: Verteilung der Sommertemperaturen auf dem Festland der Nordhemisphäre der Erde in den Jahren , gemessen relativ zum Temperaturmittel und in Einheiten der lokalen Standardabweichung des früheren Zeitraums Die grüne Kurve entspricht der an die damaligen Daten angepassten Normalverteilung es ist die gleiche grüne Kurve wie in Abbildung 1. Damit können die Verteilungen in den Abbildungen 1 und 2 unmittelbar miteinander verglichen werden. Abbildung 2 zeigt, wie sich die relativen Häufigkeiten der drei Kategorien geändert haben: Die kühlen und die mittleren Sommer treten nun wesentlich weniger oft auf, während die heißen deutlich überwiegen. Der rote Bereich enthält nun die neue Unterkategorie der extrem heißen Sommer (dunkelrot), die in der früheren Verteilung mit einigen Zehntel Prozent (!) so selten war, dass sie gar nicht berücksichtigt wurde 3. Auch hier ist zu beachten, dass es sich nicht um extrem heiß im Sinn einer bestimmten Temperatur handelt, sondern um extrem heiß in Bezug auf die typischen Sommer des Zeitraums am jeweiligen Ort der Erde. Um diese neue Verteilung zu simulieren, muss ein anderer Würfel (new climate dice) verwendet werden, der nur mehr eine halbe blaue Seite, eine weiße Seite und viereinhalb rote Seiten, davon eine halbe für die dunkelrote Unterkategorie besitzt 4. Das Netz eines solchen Würfels zum Ausdrucken, Ausschneiden und Zusammenkleben ist im Anhang 2 und in der Datei Netze.pdf abgebildet. Die 3 Ein solcher extrem heißer Sommer ist dadurch definiert, dass die Temperatur die dreifache Standardabweichung der Verteilung von übersteigt (also in Abbildung 1 rechts der Markierung 3 zu liegen käme). 4 Da nun aufgrund des Überwiegens von Rot nicht mehr alle Farben gleich wahrscheinlich sind, wird ein derart veränderter Klimawürfel im Englischen auch als loaded dice (im Sinne von gezinkter Würfel ) bezeichnet.

5 Anteile der blauen (kühlen) und der dunkelroten (extrem heißen) Sommer teilen sich dabei eine Seite des Würfels. Scheint diese beim Würfeln (d.h. beim Simulieren) auf, so muss (etwa mit einer Münze) noch zwischen diesen beiden entschieden werden. Damit sind die Daten, die die Unterschiede zwischen den zwei betrachteten Zeiträumen beschreiben, in einer Weise visualisiert, die auch Nicht-ExpertInnen zugänglich ist: Die Variationen der Sommer-Temperaturverteilungen auf dem Festland der Nordhemisphäre im Zeitraum werden durch den alten Klimawürfel, jene für den Zeitraum werden durch den neuen Klimawürfel charakterisiert, wobei sich für letzteren die Kategorien kühl, mittel und heiß auf den früheren Zeitraum beziehen. Was lernen wir aus dem Vergleich der Klimawürfel? Mit Hilfe der Idee des Klimawürfels und durch den Vergleich der beiden Würfel für die betrachteten Zeiträume können die eingangs gestellten Fragen noch einmal aufgeworfen werden. Was bedeutet die Aussage die Sommer werden immer heißer genau? Zunächst ist klar, dass sie nicht bedeutet, dass jeder Sommer heißer als der vorherige ist, denn kühle, mittlere und heiße Sommer können bei jedem der beiden Würfel auftreten. Die Aussage bedeutet, dass kühle und mittlere Sommer seltener geworden sind und an weniger Orten der Erde auftreten, und dass heiße Sommer häufiger geworden sind und an mehr Orten der Erde auftreten. Wenn sich jemand erinnert, auch in seiner Jugend heiße Sommer erlebt zu haben, so sagt diese Tatsache für sich genommen und ohne Bezug auf die Häufigkeit noch nichts über einen Trend aus! Auch wenn jemand auf einen kühlen Sommer des letzten Jahrzehnts verweist, sagt das nichts über einen Trend aus. Nur die Veränderung der Häufigkeiten kann einen Trend ausdrücken. Wie stark ist der Anstieg der Sommer-Temperaturen? Die quantitative Antwort geben die Würfel auf so eindrucksvolle Weise, dass im Grunde nicht einmal wirklich gewürfelt werden muss, um sie zu verstehen. Werden die relativen Häufigkeiten der drei Kategorien kühler, mittlerer und heißer Sommer in den betrachteten Zeiträumen (also die beiden Würfel) miteinander verglichen, so ergibt sich ohne aufwändige statistische Analyse: Die relative Häufigkeit der kühlen Sommer hat sich auf ein Viertel reduziert. Die relative Häufigkeit der mittleren Sommer hat sich auf die Hälfte reduziert. Hingegen ist die relative Häufigkeit der heißen Sommer auf mehr als das Doppelte angestiegen.

6 Der Anstieg der Sommertemperaturen und die Verschiebung der Verteilung der drei Kategorien zum heißeren Ende hin ist daher beträchtlich! Handelt es sich beim Anstieg der Sommertemperaturen im vergangenen Jahrzehnt um einen Trend als Folge der globalen Erwärmung? Oder lässt sich diese Häufung heißer Sommer durch die natürlichen Schwankungen des Wetters erklären? James Hansen, der Erfinder des Klimawürfels, verweist in diesem Zusammenhang auf die extrem heißen Sommer (als Unterkategorie der heißen Sommer), die im früheren Zeitraum sehr selten und nur an wenigen Orten aufgetreten sind (mit einer relativen Häufigkeit von weniger als 0.2%) und daher praktisch nicht ins Gewicht fielen 5. Seither hat sich ihre relative Häufigkeit auf ungefähr 10% verfünfzigfacht (was im neuen Klimawürfel einer halben Würfelseite entspricht)! Extrem heiße Sommer treten daher wesentlich öfter und an mehr Orten auf als früher 6. Die gesteigerte Häufigkeit derartiger Extreme kann nicht durch die natürlichen Schwankungen des Wetters erklärt werden, sondern ist nach Hansen with a high degree of confidence als Folge der (für sich außer Frage stehenden 7 ) globalen Erwärmung anzusehen. Das bedeutet nicht, dass ein einzelner, besonders heißer Sommer (wie in Frankreich im Jahr 2003, in Moskau im Jahr 2010 sowie in den südlichen USA und in Mexiko im Jahr 2011) dem Klimawandel zugerechnet werden kann 8. Hier ringen Klimatologen und Meteorologen noch um Klarheit 9. Die Zukunft des Klimawürfels Wie die zukünftigen Klimawürfel aussehen werden, hängt vom Fortgang der globalen Erwärmung durch die Treibhausgase in der Atmosphäre ab. Klimamodelle legen nahe, dass bei fortgesetzter Nutzung fossiler Energieträger in den kommenden 50 Jahren die extrem heißen Sommer die Norm bilden und verstärkt Sommertemperaturen auftreten werden, die, gemessen an der Verteilung von , die 5-fache Standardabweichung übersteigen! Ein solcher Würfel hätte dann keine blaue Seite mehr, und auch das Weiß wäre auf einen kleinen Teil einer Seite geschrumpft, während rot, dunkelrot und eine neue, noch heißere Unterkategorie (sagen wir violett) dominieren. 5 Würde man sie im alten Klimawürfel berücksichtigen, so entsprächen sie einem Hundertstel einer Würfelseite, also einem ganz schmalen dunkelroten Streifen. 6 Tatsächlich ist beides der Fall: An den wenigen Orten, an denen auch früher sehr selten extrem heiße Sommer auftraten, treten sie nun häufiger auf, und es sind viele neue Regionen dazukommen, an denen sie auftreten. Mittlerweile bedecken diese Regionen etwa 10% des Festlands. 7 Siehe dazu den Bericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), Climate Change 2007: The Physical Science Basis, online unter 8 Diese Situation wurde mit einem Fußballer verglichen, der ab einem bestimmten Zeitpunkt Dopingmittel einsetzt: Er wird mit der Zeit mehr und schwierigere Tore schießen, aber er hat auch vorher schon Tore geschossen, auch schwierige, sodass bei keinem einzelnen Tor gesagt werden kann, dass er es ohne Dopingmittel nicht erziel hätte. 9 Siehe beispielsweise

7 Anhang 1: Wie kommen die den Würfeln zugrunde gelegten Temperaturverteilungen zustande? Die Daten beruhen auf Mittelwerten der Lufttemperaturen in den Monaten Juni bis August, die in den betreffenden Zeiträumen von einer großen Anzahl meteorologischer Stationen auf der nördlichen Hemisphäre der Erde gemessen wurden. Dabei werden allerdings nicht wahllos alle verfügbaren Stationen zusammengewürfelt, sondern es wird die Nordhalbkugel mit einem feinmaschigen Netz (grid) aus Zellen (gridboxes) überzogen und für jede Zelle und für jeden der betrachteten Sommer aus den vorhandenen Daten eine mittlere Sommertemperatur bestimmt 10. Die Auflösung der dafür nötigen Berechnungen wird von Hansen mit 250 km angegeben. Die für jede Zelle ermittelten Sommer-Temperaturwerte für die Jahre bilden eine Verteilung, die für die jeweilige Zelle (d.h. für den entsprechenden Ort auf der Erde) und für den gesamten Zeitraum ( ) als typisch betrachtet werden kann. Abbildung 3 zeigt eine derartige Datenliste, auf einer Temperaturachse aufgetragen. Abbildung 3: Typische Daten der Sommertemperaturen der 30 Jahre von an einem bestimmten Ort auf der Erde. Jede rote Markierung entspricht einem Sommer in der betreffenden Region. Im nächsten Schritt werden der Mittelwert und die Standardabweichung (local standard deviation) der Sommer-Temperaturwerte gebildet (Abbildung 4). Danach wird die Temperaturachse reskaliert: Der Mittelwert wird mit 0 markiert, Intervalle von der Länge einer Standardabweichung bekommen die Länge 1 zugewiesen (Abbildung 5). Die Temperaturen innerhalb der einfachen Standardabweichung befinden sich in dieser Skalierung zwischen 1 und 1. Wichtig ist, dass diese Betrachtungsweise nun nicht mehr auf bestimmten Temperaturwerten beruht, sondern auf dem typischen Maß für die jährliche Variation der Temperatur. Ein kühler Sommer in der betreffenden Region entspricht einem Datenwert, der links von der Markierung 0.43 liegt, ein mittlerer Sommer liegt zwischen 0.43 und 0.43, und ein heißer Sommer liegt rechts von der Markierung Ein extrem heißer Sommer liegt rechts von der Markierung 3. Im dem in Abbildung 5 wiedergegebenen Beispiel tritt kein einziger solcher Sommer auf. 10 Die mittlere Sommertemperatur ist der Mittelwert der einzelnen Tagestemperaturen, die wiederum auf täglichen Messungen zu bestimmten Uhrzeiten beruhen.

8 Abbildung 4: Aus der Liste der Sommertemperaturen werden der Mittelwert und die Standardabweichung (σ) gebildet. Die auf diese Weise für jede Zelle aufbereiteten Daten werden nun zusammengeführt. Sie können alle in ein einziges Diagramm eingetragen werden, das den jeweils lokalen Mittelwert als 0-Punkt besitzt, und in der die jeweils lokale Standardabweichung gleich 1 ist. Um aus den zahlreichen Datenwerten eine Häufigkeitsverteilung zu konstruieren, wird gezählt, wie viele von ihnen jeweils in Intervallen der Größe 0.05 liegen. Die vertikale Achse wird schließlich so skaliert, dass die Fläche unter der erhaltenen Verteilung gleich 1 ist. Flächenanteile entsprechen daher relativen Häufigkeiten oder Wahrscheinlichkeiten. Damit ergibt sich die in Abbildung 1 gezeigte Verteilung. Abbildung 5: Die horizontale Achse wird reskaliert (strichlierte Linien). Der Mittelwert bekommt die Markierung 0, die Standardabweichung wird als neue Einheit verwendet und vom Mittelwert aus nach links und rechts aufgetragen. Die Temperaturskala ist verschwunden. Damit können die Daten, die von verschiedenen Orten der Erde stammen und sich daher auf unterschiedliche Temperaturen beziehen, in ein einheitliches Diagramm eingetragen werden, dessen waagrechte Achse die jeweilige lokale Standardabweichung als Einheit besitzt. Jede Zelle trägt zu dieser Verteilung Werte bei, die sowohl links als auch rechts vom 0-Punkt liegen. Die auf der waagrechten Achse eingetragenen Einheiten lassen nun keinen Rückschluss mehr auf die Temperatur zu, da die Skalierung von der Zelle, d.h. vom Ort auf der Erdoberfläche, abhängt. So entspricht beispielsweise der Teil der Verteilung, der rechts des Wertes 2 liegt, nicht den Sommertemperaturen oberhalb einer gewissen Temperatur, sondern den Sommern, deren Temperatur um mehr als die zweifache Standardabweichung heißer war als der jeweils lokale Temperatur-Mittelwert aller Sommer. Heiß bedeutet also relativ heiß im Vergleich zum typischen Sommer, auch an Orten, die durch geringe Temperaturen ausgezeichnet sind. Diese Betrachtungsweise mag gewöhnungsbedürftig erscheinen, aber sie ist darauf ausgerichtet,

9 Veränderungen in gleicher Weise auf der ganzen Welt, unabhängig vom lokalen Klima, sichtbar zu machen. Die Daten für den späteren Zeitraum werden auf die gleiche Weise gewonnen. Sie werden aber nun in dasselbe Diagramm eingetragen wie die früheren Daten (so, als ob sie ebenfalls dem Zeitraum entstammen würden). Heiß (rot) bedeutet nun relativ heiß im Vergleich zum typischen Sommer des Zeitraums Auf diese Weise entsteht die in Abbildung 2 gezeigte Verteilung.

10 Anhang 2: Zwei Klimawürfel zum Ausschneiden Bauanleitung: Ausschneiden (ein etwas stärkeres Papier ist günstig) Falten Zusammenkleben. Um die letzten Klebeflächen aneinanderzudrücken, kann ein schmaler Gegenstand (etwa eine Schere oder ein Lineal) benutzt werden. Um dies zu ermöglichen, ist eine Kante nicht mit einer Klebefläche versehen.

11 HEISS KALT MITTEL KALT HEISS MITTEL

12 HEISS HEISS MITTEL HEISS SEHR HEISS KALT HEISS