Physikalische Basis, Randbedingungen und Annahmen von Klimamodellen

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1 Physikalische Basis, Randbedingungen und Annahmen von Klimamodellen Dr. Stephan Bakan Max-Planck-Institut für Meteorologie KlimaCampus Hamburg Vortr.: VDI, Düsseldorf, Dr. Stephan Bakan 1975 Diplom in Physik an der LMU München 1981 Promotion am MPI-M Hamburg zum Thema: Strahlungsgetriebene Zellularkonvektion in Schichtwolken Leitung der Arbeitsgruppe Passive Fernerkundung der Atmosphäre" am MPI-M Wissenschaftliche Arbeitsschwerpunkte: Wechselwirkung von Strahlung und Wolken und deren Auswirkung auf Klimaprozesse Fernerkundung atmosphärischer Parameter mit satelliten- und bodengebundenen Messtechniken Koordination der Erstellung der globalen Satellitenklimatologie HOAPS für Niederschlag und Verdunstung und aller dafür nötigen Atmosphärenparametern über dem globalen eisfreien Ozean ( 1

2 Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen ( Weltklimarat ) Erstellt im Abstand von einigen Jahren zusammenfassende Berichte über den Stand des Wissens zur globalen Klimaänderung und ihren Auswirkungen auf Umwelt und Gesellschaft, und macht Vorschläge zur geeigneten Reaktion WG 1: Wissenschaftliche Grundlagen WG 2: Auswirkungen und Anpassung WG 3: Vermeidungsstrategien TF: Überwachung der nationalen Treibhausgasemissionen Beteiligt sind über tausend Wissenschaftler aus allen UN-Mitgliedsstaaten zum Teil als Autoren, zum Teil aber auch als Korrekturleser Entwicklung der (globalen) Temperatur 2

3 Abnahme der Meereisausdehnung Arktische Meereisausdehnung im Sept. (Quelle: NSIDC) Beobachtete Veränderung der Treibhausgase 300ppm = 0.03 Vol% 1000ppb = 1ppm IPCC AR4,

4 Globale Energieflüsse Globale Energieflüsse im Klimasystem in W/m² (Kiehl und Trenberth, 1997) Globale Strahlungsbilanz als Stömungsantrieb Antrieb für die globale Ausgleichsströmung in Atmosphäre und Ozean, die in den mittleren Breiten zum Westwindgürtel und den damit verbundenen Hoch- und Tiefdruckgebieten führt 4

5 Globale Zirkulation Ohne Rotation Das Klimasystem 5

6 Was ist ein Klimamodell? Nach IPCC Definition: Ein numerisches Abbild des Klimasystems auf der Basis der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften seiner Komponenten und ihrer Wechselwirkungs- und Rückkopplungsprozesse Das Klimasystem kann dabei durch Komponenten unterschiedlicher Komplexität beschrieben werden Gekoppelte Modelle der globalen atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation (OAGCM) bieten gegenwärtig die vollständigste Beschreibung des Klimasystems. Die Entwicklung geht in Richtung zunehmend komplexerer Modelle mit weiteren interaktiven Komponenten wie z.b. Chemie und Biologie. The structure of a GCM What we want to know adiabatic fluid dynamics dynamical core tracer transport scheme diabatic processes Parameterizations 6

7 Das Klimasystem im numerischen Gitter Schema der numerischen Modellierung 7

8 Räumliche Auflösung Besonderheiten der Klimamodellierung: Komponentenmodelle für Ozean, Atmosphäre, Landoberflächen mit Vegetation, Kryosphäre, Chemie, usw. => interaktive Kopplung Lange Rechenzeiträume => grobe Gitterauflösung Prozessparameterisierungen wichtig, aber z.t. noch nicht gut genug: Wolken, Strahlung, Turbulenz, Konvektion Anfangsbedingungen unerheblich Variabilität durch interne Schwingungen => Ensemble-Läufe Variabilität durch Änderung der Randbedingungen bzw. Antriebe (z.b. Treibhausgase, Aerosol, Landnutzung, Solarstrahlung, usw.) => Klimaänderung Überprüfung des gegenwärtigen Klimazustandes durch Vergleich mit aktuellen Daten (Kontrolllauf) Überprüfung durch historische Messungen 8

9 Komplexität der Klimamodelle Quelle: IPCC 2007 MPI model components for AR4 scenarios Atmosphere ECHAM5 T63L31 Concentrations (GHG, SO 4 ) Land Surface Ocean Sea ice Momentum Heat, Water MPI-OM 1.5 L40 ECHAM5 + river runoff Coupling interface 9

10 Parameterisierungen im ECHAM3 (Quelle: v. Storch et al., 1999) Wechselwirkung Atmosphäre-Land lowest layer of atmosphere JSBACH Quelle: C. Reick, priv comm., 2011 JSBACH = Jena Scheme for Biosphere-Atmosphere Coupling in Hamburg 10

11 Wechselwirkung Ozean-Atmosphäre Natürliche Klimaantriebe 11

12 Ursachen für den Klimawandel Natürlicher Antrieb (schwarz: Beobachtung bunt: Modellensemble ) Natürlicher + anthropogener Antrieb IPCC AR4, 2007 Klimamodelle beschreiben die Vergangenheit 12

13 Ursachen des anthropogenen Strahlungsantriebes Rückkopplungen verstärken den Strahlungsantrieb 13

14 Fingerprint-Methode zur Analyse Signifikante raum- und zeitliche Muster ( Fingerabdrücke ) werden aus Klimaänderungsläufen mit und ohne ausgewählte Antriebe (z.b. anthropogene Störungen) abgeleitet und mit den verfügbaren Beobachtungsdaten korreliert und auf signifikante Ähnlichkeit geprüft. Während erste Studien sich auf die Änderung der bodennahen Temperaturfelder konzentrierten, werden auf diese Art inzwischen die verschiedensten Größen getestet, wie z.b.: Bodendruck Salzgehalt und Wärmeinhalt des Ozeans, Tropopausenhöhe Niederschlagsmuster Damit lassen sich die Klimasignale der Treibhausgase und Sulfataerosole statistisch sauber in globalen und inzwischen auch regionalen Datenreihen nachweisen. Satellitenbeobachtungen des globalen Wasserkreislaufs HOAPS - Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite Data: climatology of precipitation, evaporation and related sea surface and atmospheric state parameters over ice-free oceans for the period derived from the SSM/I (passive microwave) radiometer on board the polar orbiting DMSP satellites, after careful inter-calibration during sensor overlap periods 14

15 Anthropogene Treibhausgase im 21. Jahrhundert Folgen für das globale Klima (Temperatur): 15

16 Folgen für das globale Klima (Temperatur): Wichtigste Ergebnisse Für das letzte Jahrhundert finden wir in Beobachtungen und Klimamodellen systematische Änderungen von verschiedensten Klimavariablen: Substantielle Erwärmung von Land- und Ozeanoberflächen Erwärmung der Troposphäre und Zunahme der Tropopausenhöhe Zunahme des atmosphärische Wasserdampfgehalts Veränderte Niederschlagsmuster Rückgang der meisten Gletscher Anstieg des globalen Meeresspiegels Rückgang der Schnee- und Eisbedeckung auf der Nordhalbkugel Jeder einzelne dieser Änderungen ist konsistent mit unserem Verständnis der Entwicklung infolge der beobachteten anthropogenen Antriebe. Alle zusammen sind aber auf keinen Fall mit einer zufälligen natürlichen Variabilität alleine zu erklären. Allerdings gibt es noch erhebliche Unsicherheiten von Größe und räumlicher Verteilung der Klimaänderungen des 21. Jahrhunderts 16