Chemische Rückkopplungen in Klimasensitivitätssimulationen
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- Erica Ritter
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1 Chemische Rückkopplungen in Klimasensitivitätssimulationen Simone Dietmüller und Michael Ponater
2 Übersicht Strahlungsantrieb und Klimaresponse Klimasensitivität Klimarückkopplungen Chemische Rückkopplungen in CO 2 -Erhöhungssimulationen Wechselwirkung mit physikalischen Rückkopplungen Bedeutung für die Klimasensitivität
3 Globale Erwärmung Veränderung der global gemittelten bodennahen Temperatur seit 1850, basierend auf Bodenmessungen. IPCC, 2007 (AR4)
4 Strahlungsantrieb und Klimaresponse IPCC, 2007 (AR4)
5 Natürliche Variabilität von Klimaparametern IPCC, 2007 (AR4) Beobachtete oder modellierte Änderungen von Klimaparametern müssen statistisch signifikant sein, um sie interpretieren zu können.
6 Strahlungsantrieb und Temperaturresponse What makes radiative forcing such a useful concept is that there is an approximately linear relationship between the global mean radiative forcing and the global mean surface temperature change (Forster et al., Clim. Dyn. 1997) Δ T surf = λ RF Der Strahlungsantrieb ist ein Maß für die globale Wirkung einer Störung auf die bodennahe Temperatur
7 Kurze Theorie der Klimasensitivität ΔN ( t) = RF ΔH ( t) = RF α ΔT ( t) Δ N (0) = RF ΔN( ) = 0 = RF surf α Δ ( eq) T surf Δ T ( eq surf ), = 1 α RF = λ RF ΔN: Strahlungsimbalance am Oberrand der Atmosphäre (ToA) RF: Strahlungsantrieb (ToA), ΔH: Strahlungsrückkopplung α: Rückkopplungsparameter, T surf :Bodentemperaturänderung λ: (Gleichgewichts-)Klimasensitivitätsparameter
8 Klimarückkopplungen Wasserdampf - Rückkopplung Lapse rate - Rückkopplung Albedo - Rückkopplung (Eis und Schnee) Wolken - Strahlungs - Rückkopplung In einem verlässlichen Klimamodell sollten alle wichtigen Rückkopplungsmechanismen richtig und vollständig repräsentiert sein.
9 Unterschiedliche Wolkenrückkopplungen in verschiedenen Klimamodellen T surf bei gleichem Antrieb modellabhängig! AR4 (IPCC, 2007) Vorzeichen der Netto (lw+sw) Wolkenrückkopplung variiert von Modell zu Modell Ringer et al. 2006
10 Vollständigkeit der Rückkopplungen: Interaktive chemische Spurenstoffe In einem konventionellen Klimamodell wirken nur die physikalischen Rückkopplungen. Die Änderung chemischer Spurenstoffe kann nur als Strahlungsantrieb berücksichtigt werden, chemische Rückkopplungen sind ausgeschlossen. In interaktiv gekoppelten Klima-Chemie-Modellen (CCMs) können chemischer Spurenstoffe rückkoppelnd wirken und ihr möglicher Einfluss auf die Klimasensitivität des Modells kann erfasst werden.
11 Klimarückkopplungen Wasserdampf - Rückkopplung Lapse rate - Rückkopplung Albedo - Rückkopplung (Eis und Schnee) Wolken - Strahlungs Rückkopplung Chemische Rückkopplungen
12 EMAC ECHAM5: Modell des physikalischen Klimasystems MPI-Met Hamburg (Roeckner et al., 2006) MESSy = Modular Earth Submodel System MPI-Chem, Mainz (Jöckel et al., 2005) EMAC ist mit einer Reihe von Vereinfachungen in der Chemie für Gleichgewichts-Klimasimulationen mit einem interaktiven Deckschichtozean routinemäßig einsetzbar Doktorarbeit Simone Dietmüller
13 Klimaresponse mit und ohne chemische Rückkopplungen RF(2*CO 2 ) = 4.13 W/m 2 T sfc,nochem = 2.91 K ECHAM-5 (ohne Chemie) EMAC (mit Chemie) T sfc,chem = 2.81 K
14 Ozon- und Methanrückkopplung (2*CO 2 ) % % RF(O 3 ) = W/m 2 RF(CH 4 ) = W/m 2
15 Wasserdampfrückkopplung (2*CO 2 ) ECHAM5 (ohne Chemie) % EMAC (inkl. Chemie) RF(H 2 O) = W/m 2 RF(H 2 O) = W/m 2 Rückkopplungskoeffizienten H 2 O (tropo) : Wm 2 /K Wm 2 /K Wm 2 /K H 2 O (strato): Wm 2 /K Wm 2 /K Wm 2 /K
16 Rückkopplungskoeffizienten λ FB(O3) FB(CH4) FB(N2O) FB(H2O,tropo) FB(H2O,strato) 2*CO 2 Simulation ohne Chemie RF(CO 2 ) 4.13 T sfc *CO 2 Simulation mit Chemie ( 0.023) ~0 ~ (+0.004) ( 0.031) Wm -2 K K/Wm -2 Wm -2 /K Wm -2 /K Wm -2 /K Wm -2 /K Wm -2 /K
17 Ozonresponse und Ozonrückkopplung 2 * CO 2 O 3 (%) 4 * CO 2 RF(O 3 ) = W/m 2 RF(CO 2 ) = W/m 2 RF(O 3 ) = W/m2 RF(CO 2 ) = W/m 2
18 Temperaturresponse und tropische Tropopause T chem T nochem (K) 2*CO 2 4*CO 2 T cpt (K)
19 Klimaresponse mit und ohne chemische Rückkopplungen RF(4*CO 2 ) = 8.93 W/m 2 T sfc,nochem = 8.13 K ECHAM-5 (ohne Chemie) EMAC (mit Chemie) T sfc,chem = 7.51 K
20 Klimasensitivität mit und ohne chemische Rückkopplungen ohne Chemie mit Chemie λ (2*CO 2 ) K/Wm -2 λ (4*CO 2 ) K/Wm -2 Δ T surf = λ RF? λ = const
21 Vorläufige Schlussfolgerungen Zusätzliche Berücksichtigung chemischer Rückkopplungen hat in einer CO 2 -Erhöhungssimulation nur geringen Einfluss auf die Klimasensitivität. Chemische Rückkopplungen dämpfen eine unerwünschte Abhängigkeit der Klimasensitivität von der Größe des Strahlungsantriebes, beseitigen sie aber nicht. Chemische Rückkopplungen führen zu konsistenten und markanten Änderungen der physikalischen Rückkopplungen. Die Rolle chemischer Rückkopplungen in Simulation mit Nicht-CO 2 -Störungen wird gegenwärtig untersucht.
22 Rückkopplungsprozesse und Klimasensitivität: Ausblick Erweiterung der systematischen Rückkopplungsanalyse in Klimasensitivitätssimulationen auf alle Nicht-CO 2 -Störungen. Verbesserung des Prozessverständnisses bei den Rückkopplungen. Konzeptionelle Weiterentwicklungen der optimalen Trennung von Strahlungsantrieb und Strahlungsrückkopplung. Vervollständigung der in Modellen erfassten Rückkopplungsmechanismen (Chemiemodelle, Erdsystemmodelle)
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