Neue Ergebnisse aus der regionalen Modellierung WEREX V A. Spekat, F. Kreienkamp und W. Enke Climate & Environment Consulting Potsdam GmbH LfULG, Pillnitz, 25. April 2012
Der Kontext CEC Potsdam GmbH kleine Firma aber breites Profil Klimamodellierung Statistische Regionalisierung Kommunikation Schulung und Beratung bei der explorativen Datenanalyse Beratung von Entscheidungsträgern F+E Vorhaben im Auftrag von Bundes- und Landesbehörden Vorstellung von Ergebnissen auf internationalen Tagungen und Beiträgen in Fachjournalen
Warum ist er hier? Kontext Vorab: Sachsen ist Vorreiter bezüglich des Engagements, für Handlungsoptionen die zukünftigen Klimaentwicklungen möglichst gut zu kennen F+E Aufträge als Ausdruck des Gestaltungswillens Bereiche Klima Klimawandel Klimafolgen Modellierung Datenbereitstellung Studien Erkenntnisgewinn Anpassungsstrategien Handlungsoptionen Umsetzung von spezifischen Fragestellung Erfolg durch gewachsene Struktur, Vertrauen und Individuen.
Struktur des Vortrags Themenbereiche 1. Hintergrund Modellierung Ensembles praktische Aspekte 2. Entwicklung von Klimaszenarios für den Freistaat Sachsen Schwabe-Preis WEREX-Geschichte Was ist neu in WEREX V 3. Ergebnisse Folgen der Methodenweiterentwicklung E1 Szenario Ensembles 4. Quo vadis? Perspektiven Weiterentwicklungen Projekte
1 Hintergrund
Klimawandel Diagnose und Ursachenforschung im Rahmen des IPCC-Prozesses. Klimawandel zieht Klimafolgen nach sich. Notwendigkeit, Anpassungsmaßnehmen bezüglich des Klimawandels zu treffen. Kette von Informationsquellen: Szenarios der globalen Entwicklung globale Klimamodelle Projektionen eines zukünftigen Klimas. = Kette von Unsicherheiten Regionalisierung (downscaling) der Projektionen Regionale Spezifika des Klimawandels. Es gibt in Deutschland dynamische (REMO, CLM) und statistische (STAR, WEREX/WETTREG) Regionalisierungen.
Modelle Warum modellieren? Vereinfachte Darstellung eines komplexen Sachverhalts. Ein Stadtplan im Maßstab 1:1 ist zur Orientierung auch nicht tauglich... Werkzeug zum Studieren von Zusammenhängen, Entwicklungen, Wechselwirkungen. Modelle haben Unsicherheiten. Das heißt, ihre Resultate müssen bezüglich der Belastbarkeit bewertet werden. Das heißt nicht, ihre Resultate sind per se unwahrscheinlich oder unwahr.
Klimamodellierung Das heißt für das Klima? Nachbau des physikalischen Systems Erde Atmosphäre Zentrale Größe: Bestand an Treibhausgasen Strahlungsantrieb Äußerst ambitioniertes Vorhaben: Einarbeiten von immer mehr Untersystemen Verbesserung der Auflösung Technische Limitierungen
Klimasystem (a) 70er (b) 80er (c) FAR 1991 (d) SAR 1995 (e) TAR 2001 (f) AR4 2007
Szenarios Warum Szenarios? Plausible Geschichte einer Entwicklung. Übersetzung von für sich nicht einfach abschätzbaren Zukunftsentwicklungen von Wirtschaft, Technologie, Landnutzung, Umweltethik, Bevölkerung in Antrieb für ein Klimamodell Das heißt Treibhausgase (THG) Resultat: Projektionen des Klimas auf Grund der verschiedenen THG-Entwicklung, je nach Szenario.
Szenarios Szenario-Philosophie ist im Wandel Bisher Grundlage aller Projektionen: Baum von Emissions-Szenarios des IPCC Familien von plausiblen Geschichten der Zukunftsentwicklung Abgeschätzte Grundmuster im Verhalten von Mensch, Gesellschaft, Wirtschaft Szenarios A1B, A2, B1 etc.
Szenarios Weiterentwicklung. Grundlage für eine neue Art von Szenarios: Zeitlicher Verlauf der Konzentration von Treibhausgasen (THG) so genannte RCP-Szenarios Passgenauer zu dem, was die Klimamodelle benötigen Möglichkeit der Analyse in Abhängigkeit von Zielstellungen z.b. E1-Szenario mit dem Ziel, die globale Erwärmung in einer Größenordnung von 2 C zu halten.
Szenarios Die vier RCP-Szenarios für den nächsten IPCC-Bericht RCP2.6 Maximum des THG-Antriebs auf niedrigem Niveau vor 2100. THG-Konzentration maximal vor 2100, danach Rückgang (entspricht E1). RCP4.5 Stabilisierung des THG-Antriebs auf etwas erhöhtem Niveau (d.h. ohne Rückgang) nach 2100. THG-Konzentration stabilisiert sich nach 2100 ebenfalls auf etwas erhöhtem Niveau (entspricht B1) RCP6.0 Stabilisierung des THG-Antriebs auf hohem Niveau (d.h. ohne Rückgang) nach 2100. THG-Konzentration stabilisiert sich nach 2100 ebenfalls auf hohem Niveau (entspricht A1B) RCP8.5 Kontinuierlich zunehmender THG-Antrieb ohne Stabilisierung. THG-Konzentration erreicht 2100 das Dreifache der heutigen Werte und stabilisiert sich nach 2100 nicht (entspricht A1FI)
Wo stehen wir derzeit? Blick auf die unmittelbare Vergangenheit Emissionen und Konzentrationen
Ensembles Die Ensembles-Idee Durch vieler Zeugen Mund wird allemal die Wahrheit kund. Oder: Ein Modell ist kein Modell... Studium der Bandbreite von Modellaussagen Die in WEREX III und IV verwendete Diversität von Klimaprojektionen war ein erster Schritt in diese Richtung A1B, A2, B1 als THG-Antriebs-Ensemble Mehrere Läufe des ECHAM 5-Modells mit dem selben Szenario (z.b. A1B) als Initialisierungs-Ensemble Ab WEREX V erstmals ein Vergleich von Rechnungen mit verschiedenen Modellen Multimodell-Ensemble
Nutzung von Ensembles Realismus und Relativierung Ensembles sind ein wichtiges Werkzeug die Zusammenschau von Resultaten ist definitiv besser als die Analyse einer einzelnen Projektion Einigkeit oder Uneinigkeit von Modellen sollte aber nicht als einzige Beweisquelle hinzugezogen werden Warum? Die verwendeten Modelle sind eine Art Gelegenheitsensemble (Ensemble of Opportunity) Frage der Repräsentativität Belastbarkeit von Aussagen ist abhängig von der Stabilität, mit der die gefragte Größe von den Modellen repäsentiert wird gut bei Temperatur, weniger gut bei Niederschlag; gut bei Mittelwerten, weniger gut bei Extremen.
Zur Bestimmung von Trends Instruktives Beispiel für die Fußangeln bei der Bestimmung von Trends Station Dresden, Zahl der Sommertage
Zur Bestimmung von Trends Instruktives Beispiel für die Fußangeln bei der Bestimmung von Trends Station Dresden, Zahl der Sommertage Trendlinie
Zur Bestimmung von Trends Instruktives Beispiel für die Fußangeln bei der Bestimmung von Trends Station Dresden, Zahl der Sommertage Konfidenzintervall
Zur Bestimmung von Trends Obacht: Bei Trendaussagen nichts überstürzen. Konfidenzintervall für Trendgerade (rotes Linienpaar) zeigt an, ob es auch sein kann dass ein Trend das umgekehrte nicht erwartete Vorzeichen besitzt. Obacht: Bei Identifikation von Ausreißern ebenfalls nichts überstürzen. Konfidenzintervall des Wertebereichs (blaues Linienpaar) zeigt an, welche Werte Kandidaten für Ausreißer sein könnten.
Zur Bestimmung von Trends In anderen Fällen sieht die Sache ganz anders aus Station Dresden, Zahl der Heiztage (bezogen auf 15 C)
2 Entwicklungen im und für den Freistaat Sachsen
Kurt-Schwabe-Preis Stichwort(e): Engagierte Protagonisten Vier Worte: Wilfried Küchler Wolfgang Enke Konzeptionierung, Entwicklung und Implementierung eines statistischen Regionalisierungsverfahrens 2010 anerkannt von der Sächsischen Akademie der Wissenschaften Kurt-Schwabe-Preis
Kurt-Schwabe-Preis
WEREX Philosophie Zentrale These: Klimawandel hat regionale Spezifika Es gibt einen Zusammenhang zwischen Klimaveränderung auf der großräumigen und der regionalen Skala Ein zukünftiges, gewandeltes Klima unterscheidet sich in komplexer Form vom Klima der Gegenwart Trendentwicklung der Mittelwerte Variabiliät Stichwort: Pendelausschläge Extremverhalten WEREX: WEtterlagen Regionalisierung EXtreme
WEREX Wetterlagen
WEREX Grundzüge Ein statistisches Modell stellt die Verbindung zwischen großräumigem und regionalem Klima her Stringente Weiterentwicklung und Optimierung der Regionalisierung Meilensteine des Verfahrens wurden für den Freistaat Sachsen entwickelt Einsatz auch in regionalen Studien für andere Bundesländer/Freistaaten Modifikation des für Sachsen entwickelten WEREX-Verfahrens, um es für eine Deutschland-weite WETTREG-Studie einzusetzen, z.b. 2006 und erneut 2010.
WEREX Geschichte
WEREX V Was ist neu? Methodisch Neue Grundgröße für Witterungsabschnitte: Anomalie Vereinheitlichung der Bestimmung von Mustern in den Jahreszeiten Temperaturklassen (a) bisher (b) ab WEREX V
WEREX V Was ist neu? Methodisch Neue Grundgröße für Witterungsabschnitte: Anomalie Abweichung vom Jahresgang Witterungsabschnitte (a) bisher (b) ab WEREX V
Methodisch WEREX V Was ist neu? Erweiterung der Zahl der Zirkulationsmuster Transwetterlagen, die erst in der Zukunft vermehrt auftreten Entzerrung der degenerierenden Häufigkeitsverteilungen der WEREX-Zirkulationsmuster (a) ohne TWL (b) mit TWL
WEREX V Was ist neu? Methodisch Extrapolation der gegenwärtigen Entwicklung der Zirkulationsmuster Entwicklung der globalen Emissionen begann nach 2003, den Rahmen selbst der aggressivsten Emissionsszenarios zu verlassen.
WEREX V Was ist neu? Methodisch Idee, für die nahe Zukunft eine Mischform aus Extrapolation und Modell-Projektion zu verwenden. Extrapolation der Trendentwicklung der Zirkulationsmuster Überblendung mit den Projektionen bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts
WEREX V Was ist neu? Experiment-Design Nutzung von E1 Szenario-Rechnungen Zielgerichtetes Szenario: Globale Erwärmung auf 2 C über dem vorindustriellen Niveau beschränken Es geht um vermiedene Klimafolgen gegenüber aggressiveren Szenarios wie A1B oder A2 Erstmals für Sachsen als WEREX-Antrieb genutzt
WEREX V Was ist neu? Experiment-Design Kaskadenansatz Zum Kaskadenbegriff: Verschiedene Wege zum Erlangen der Regionalinformation GCM Auswertung des unmittelbar benachbarten Gitterpunkts eines Globalen Klimamodells GCM RCM Regionalisierung mit einem dynamischen Regionalmodell auf der Basis der Globalinformation GCM ESD Regionalisierung mit einer empirisch-statistischen Downscalingmethode (ESD) wie WEREX auf der Basis der Globalinformation GCM RCM ESD Dreiteilige Kaskade bei der ein RCM wie z.b. REMO als Antrieb für WEREX genutzt wird.
WEREX V Was ist neu? Experiment-Design Ausweitung des Ensemble-Ansatzes Nutzung mehrerer Globalmodelle (GCMs) als Antrieb für Regionalisierungen ECHAM5-MPI/OM wie schon in vergangenen WEREX und WETTREG-Studien HadCM3C Modell des Hadley-Centers mit Kohlenstoffkreislauf HadGEM2 Modell des Hadley-Centers mit Landnutzung CNRM-CM33 Modell des CNRM, Toulouse
WEREX V Was ist neu? Experiment-Design Ausweitung des Ensemble-Ansatzes Nutzung mehrerer Regionalmodelle (RCMs), von GCMs angetrieben COSMO CLM 2.4.11 CLM-Community REMO 5.7 MPI Hamburg RACMO 2.1 KNMI, de Bilt Dazu Kaskaden vom Typ GCM RCM ESD mit WEREX V als ESD Dazu direkte Verwendung von ECHAM5-Gitterpunktswerten
WEREX V, Kaskadentabelle
3 Ergebnisse
Vergleich Temperaturentwicklung Verschiedene Regionialisierungen Illustration der projizierten Temperaturentwicklungen Bisherige Version WEREX IV (Analogie zu WETTREG2006) Neuerungen in WEREX V (Analogie zu WETTREG2010) (a) Sommer (b) Winter
Extrapolation Jahreswerte (a) 2m mitt. Temp (b) RR Abbildung: Blau Extrapolation; Rot ECHAM5.
Extrapolation Temperatur (a) fru (b) som (c) her (d) win Abbildung: Blau Extrapolation; Rot ECHAM5.
Extrapolation Niederschlag (a) fru (b) som (c) her (d) win Abbildung: Blau Extrapolation; Rot ECHAM5.
Erste Etappe von WEREX V WEREX V - Ergebnisse Regionaler Klimawandel unter dem E1-Szenario (Zweigradziel) Zur Erinnerung: E1 beschreibt den vermiedenen Klimawandel Vergleich mit dem Klima unter Bedingungen des (viel aggressiveren) Emissionsszenarios A1B Zusätzlich neu in WEREX V bei der Bandbreitenbetrachtung: Vergleich der E1-Läufe von mehreren Globalmodellen als Antrieb von WEREX V ECHAM5C aktuelle ECHAM-Version mit Kohlenstoffkreislauf und Landnutzung HadCM3C aktuelle Hadley-Center-Modellversion mit Kohlenstoffkreislauf und Atmosphärenchemie HadGEM2 aktuelle Hadley-Center-Modellversion mit Atmosphärenchemie und Landnutzung
WEREX V, Antrieb versch. Modelle, Szenario E1 Änderung der Jahresmitteltemperatur von 1971 2000 bis 2071 2100
WEREX V, Antrieb versch. Modelle, Szenario E1 Änderung der Mitteltemperatur von 1971 2000 bis 2071 2100 Auswertung für das Jahr und die Jahreszeiten Mittel über die Untersuchungsregion
Schlussfolgerungen Etappe I Auch bei einer global auf 2 C beschränkten Temperaturzunahmen gibt es in den E1-Projektionen regional stärkere Zunahmen. Die drei untersuchten Modelle zeigen eine Bandbreite an Nicht als Abbildung/Tabelle gezeigt, aber weiteres Ergebnis der Etappe I: Beim Niederschlag sind Änderungen im Rahmen der bekannten Muster, d.h. leichte Zunahme im Winter und relativ deutliche Abnahme (10 15%) im Sommer.
WEREX V - Ergebnisse Zweite Etappe von WEREX V Umfangreiches Ensemble aus mehreren Modellen und Modellkaskaden Zum Kaskadenbegriff: Verschiedene Wege zum Erlangen der Regionalinformation GCM Auswertung des unmittelbar benachbarten Gitterpunkts eines Globalen Klimamodells GCM RCM Regionalisierung mit einem dynamischen Regionalmodell auf der Basis der Globalinformation GCM ESD Regionalisierung mit einer empirisch-statistischen Downscalingmethode (ESD) wie WEREX auf der Basis der Globalinformation GCM RCM ESD Dreiteilige Kaskade bei der ein RCM wie z.b. REMO als Antrieb für WEREX genutzt wird.
WEREX V Ensemble TM Änderung der Jahresmitteltemperatur von 1971 2000 bis 2071 2100 Mittel über die Untersuchungsregion
WEREX V Ensemble RR Änderung des Sommerniederschlags von 1971 2000 bis 2071 2100 Mittel über die Untersuchungsregion
Schlussfolgerungen Etappe II Bandbreite der Jahrestemperaturänderung bis zum Ende des 21. Jahrhunderts liegt bei Nutzung eines A1B-Szenarios bei 3,0 3,5 C. Ausnahme: WEREX V-Regionalisierung mit einem Modell (CNRM) liegt rund 1 darunter Entsprechende Bandbreite bei E1-Szenario in der Größenordnung 2,0 2,5 C
Schlussfolgerungen Etappe II Nicht als Abbildung/Tabelle gezeigt, aber weitere Ergebnisse der Etappe II Wenn mehrere Läufen des selben Modells betrachtet werden (z.b. Lauf 1, 2 und 3 von ECHAM5, Initialisierungs- Ensemble) finden sich auch Unterschiede in den Signalen der Jahreszeiten Beim Niederschlag sind Änderungen im Rahmen der bekannten Muster zu erwarten, d.h. leichte Zunahme im Winter und relativ deutliche Abnahme (10 15% bei E1 und 20 25% bei A1B) im Sommer.
3 Quo vadis?
Perspektiven Bandbreiten Erkenntnis: Bandbreitenuntersuchung auf der Basis von mehreren Modellen und mehreren Szenarios sind ein wichtiger Weg zur Abschätzung einer zukünftigen Klimaänderung. Nicht aus dem Auge verlieren, dass es ein Gelegenheitsensemble ist. Regionalisierungen mit dem statistischen Verfahren WEREX V entsprechen methodisch einem sehr fortgeschrittenen Entwicklungsstand. Weitere systematische Vergleiche, u.a. auch von mehreren Regionalisierungsverfahren sind notwendig.
Weiterentwicklungen Methodik Die Methode WEREX ist im Zuge des Vorhabens zur Version V weiter entwickelt worden. Ziel war es, die Effizienz zu steigern, mit der die Signatur eines projizierten zukünftigen Klimas auf die WEREX-Ergebnisse abfärbt. Damit wurde ein stabiles Plateau erreicht. In der Folge der methodischen Weiterentwicklung und der Auswertungen mit WEREX V sind bei Unteraspekten des WEREX-Verfahrens weitere Verbesserungspotenziale identifiziert worden.
Projekte Im Kontext der Untersuchungen zum Klimawandel in Sachsen wurde und wird auch der Diagnose großräumiger Veränderungen nachgegangen Veränderte Atmosphärendynamik durch zukünftige Entwicklungen von blockierenden Zirkulationsmustern Zukünftige Änderungen bei den Zugbahnen von Tiefdruckgebieten, incl. der Erstellung eines Tracking-Algorithmus sowie einer neuen Klassifikation von Zugbahnen. Zudem wird die Entwicklung von Klimaextremen einer der Namensgeber von WEREX im gegenwärtigen und im zukünftigen Klima untersucht.
Projekte Wichtige Verzahnung von Forschung Anwendung Politikberatung Zur Abschätzung der zukünftigen Klimaänderungen als Basis für Studien der zu erwartenden Klimafolgen Erarbeiten von Anpassungsmaßnahmen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit arne.spekat@cec-potsdam.de frank.kreienkamp@cec-potsdam.de wolfgang.enke@cec-potsdam.de