Klimawandel im Industriezeitalter D Christian-D. Schönwiese Universität Frankfurt/Main Institut...

Klimawandel im Industriezeitalter

•D

Christian-D. Schönwiese Universität Frankfurt/Main

Institut für Atmosphäre und Umwelt

© ESA/EUMETSAT: METEOSAT 8 SG – multi channel artificial composite colour image, 23-5-2003, 12:15 UTC

Beobachtungsindizien und Ursachen

Gletscher als Klimaänderungsindikatoren Pasterze, Hohe Tauern, Großglocknerregion

um 1900 2000

Gesellschaft für ökologische Forschung, Gletscherarchiv, Nr. 11-202006

Seit 1850 haben die Alpengletscher ca. 50 % ihres Volumens verloren (Häberli et al., 2001).

Industriezeitalter, globale Perspektive

Datenquelle: Jones et al., 2005; IPCC, 2001 (erg.); Analyse: Schönwiese, 2004

Global-Temperatur (bodennah) Jahresanomalien 1856 – 2004 (relativ zu 1961 – 1990)

1864 1907

1944

1998

1990

19561976

Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.

Global-Temperatur (bodennah) Jahresanomalien 1856 – 2004 (relativ zu 1961 – 1990)

1864 1907

1944

1998

1990

19561976

Trendanalyse1856-2000: +0,6 °C (0,04/Dek.)

Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.

Global-Temperatur (bodennah) Jahresanomalien 1856 – 2004 (relativ zu 1961 – 1990)

1864 1907

1944

1998

1990

19561976

Trendanalyse1856-2000: +0,6 °C (0,04/Dek.)1901-2000: +0,7 °C (0,07/Dek.)

Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.

Industriezeitalter, globale Perspektive

1864

Global-Temperatur (bodennah) Jahresanomalien 1856 – 2004 (relativ zu 1961 – 1990)

1907

1944

1998

1990

19561976

Trendanalyse1856-2000: +0,6 °C (0,04/Dek.)1901-2000: +0,7 °C (0,07/Dek.)1981-2000: +0,3 °C (0,17/Dek.)

Quelle: IPCC, 2001; CRU (Jones et al.), 2005; bearb.

Ein Blick in die Stratosphäre

Datenquelle: Angell, 2004

Globaltemperatur Stratosphäre (16 - 24 km), Anomalien 1960 - 2002 (relativ zu 1958 - 1977)

und einige explosive Vulkanausbrüche

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Zeit in Jahren

Tem

pera

tura

nom

alie

n in

°C

K Trend: - 1.89 °CAgung(1963+1)

Fernandia (1968+2) St. Augustine (1976)

El Chichón (1982)

Pinatubo (1991+1)

Global gemittelte Temperatur der Stratosphäre (16 - 24 km)

Anomalien 1960-2002 (relativ zu 1958-1977)und einige explosive Vulkanausbrüche

Trend: - 1,9 °C

Modellsimulationen

Mann und Jones, 2003

Rekonstruktionen

Langzeitaspekt: Nordhemisphäre - Temperatur Modellsimulationen

Jahr

... und noch eine Alternative:

Datenquelle: Jones et al., 2002; Analyse: Schönwiese, 2002

Temperaturtrends 1891 - 1990K

IPCC, 2001

Niederschlagtrends 1900 - 1999

Übersicht beobachteter Klimatrends in Deutschland

Klimaelement Frühling Sommer Herbst Winter Jahr

Temperatur, 1901 - 2000 + 0,8 °C + 1,0 °C + 1,1 °C + 0,8 °C + 1,0 °C 1981 - 2000 + 1,3 °C + 0,7 °C - 0,1 °C + 2,3 °C + 1,1 °C Niederschlag, 1901 - 2000 + 13 % - 3 % + 9 % + 19 % + 9 % 1971 - 2000 + 13 % + 4 % + 14 % + 34 % + 16 % Quellen: Rapp, 2000; Schönwiese, 2003; ergänzt

Übersicht beobachteter Klimatrends in Deutschland

Klimaelement Frühling Sommer Herbst Winter Jahr

Temperatur, 1901 - 2000 + 0,8 °C + 1,0 °C + 1,1 °C + 0,8 °C + 1,0 °C 1981 - 2000 + 1,3 °C + 0,7 °C - 0,1 °C + 2,3 °C + 1,1 °C Niederschlag, 1901 - 2000 + 13 % - 3 % + 9 % + 19 % + 9 % 1971 - 2000 + 13 % + 4 % + 14 % + 34 % + 16 % Quellen: Rapp, 2000; Schönwiese, 2003; ergänzt

Vergleich Sommer-Temperatur/NiederschlagTemperatur Deutschland, Sommer, Flächenmittel 1900-2003 (Anom.)

2003

199419921983

19761950 19591964

1947

1921

191719051911

-2

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4

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Zeit in Jahren

Tem

pera

tura

nom

alie

n in

°C

C

16,2

DWD, Schönwiese et al., 2003

Korrelation: - 0,464 (21,5 %)Niederschlag Deutschland, Sommer, Flächenmittel 1901-2003

1910

1927 1954 1956

19661980

1987 2002

19041911

19211947

1976 1983 2003

1949

1931

1964

100

150

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250

300

350

400

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Zeit in Jahren

Nied

ersc

hlag

ssum

men

in m

m m

°C

mm

Temperaturanomalien Sommer (JJA) 2003 relativ zu 1961-1990 in K (Farben) bzw. in Vielfachen der Standardabweichung

(Isolinien), nach Schär et al., 2004

Todesopfer (Europa): 27000 (F 14800, I 4000, D 3500, ...)Volkswirtschaftl. Schäden (Europa): 13 Mrd. EURO

(Quelle: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Topics 2003)

Wahrscheinlichkeitsanalyse zur Änderung der Sommertemperatur in Deutschland 1761-2003

Trömel, 2004

Temperaturanomalien in °C

3,4 °C Ereignis (Sommer 2003)

17611880

2003

Zeitabhängige Wahrscheinlichkeitsanalyse für das Eintreten/Überschreiten des 2003-Ereignisses (3,4 °C)

(Sommertemperatur Deutschland)

p < 0,0001 entsprechend 1/10000 Jahre

p = 0,0022 entsprechend 1/455 Jahre

J a h r Trömel, 2003 / Schönwiese et al., 2004

Impressionen vom Elbe-Hochwasser, August 2002

Todesopfer: E 37, D 22; Volkswirt. Schäden: E 13,5 Mrd. €, D 9,2 Mrd. € (Quelle: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, 2003)

Jahreshöchstabflüsse in m3/s (Pegelmessungen)

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Jahr

0

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4000

6000

Jahre

höch

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[m³/s

]

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1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000Jahr

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Jahre

höch

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³/s]

0

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10000

Dresden/Elbe

Köln/Rhein

Menzel (PIK), 2005

Jahreshöchstabflüsse in m3/s (Pegelmessungen)

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Jahr

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4000

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Jahre

höch

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1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000Jahr

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Jahre

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10000

Dresden/Elbe

Köln/Rhein

Menzel (PIK), 2005

Beobachtete Niederschlagtrends in Deutschland

Jahr 1971 - 2000 Jahr 1901 - 2000

Schönwiese u. Janoschitz, 2005

Beobachtete Niederschlagtrends in Deutschland

Winter 1971 - 2000 Sommer 1971 - 2000

Schönwiese u. Janoschitz, 2005

Zeitliche Entwicklung der Wahrscheinlichkeit für das Eintreten extremer monatlicher Niederschläge

Überschreitung des Perzentils 95 %

Trömel 2004

120 mm 130 mm

p=0,07 14 J.

p=0,15 7 J.

p=0,09 11 J.

Ergänzung: Berz, 2004

Große Naturkatastrophen 1960-1999 und Schäden in Mrd. US $

Information

A 1960-1969

B 1970-1979

C 1980-1989

D 1990-1999

Faktor D:A

Anzahl 27 47 63 91 3,4 Volkswirt. Schäden 76,7 140,6 217,3 670,4 8,7 Versicherte Schäden 6,2 13,1 27,4 126,0 20,3 Ergänzung: Ereignisklassen 1980-2003 Ereignisklasse a b Erdbeben 22 % 10 % a = volkswirtschaftliche Schäden Stürme 32 % 73 % b = versicherte Schäden Überschwemmungen 30 % 10 % Sonstiges 16 % 7 % (Alle Schadensangaben in Werten von 2003)

Quelle: Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft (G. Berz et al.), Topics 2003 Quelle: MüRück (G. Berz et al.), Topics 2003; Ergänzung: G. Berz, 2004

Cubasch und Kasang, 2000

Der Weg zur Ursachendiskussion

Strahlungsantriebe (troposphärisch, nach IPCC, erg.)

Klimafaktor Vorz. Strahlungsantrieb Signal Signalstruktur „Treibhausgase“, TR * + a 2,2 - 2,7 Wm-2 progressiver Trend Troposphär. Sulfat, SU a 0,2 - 0,8 Wm-2 uneinheitlicher Trend Kombiniert, TR + SU + a (1,4 - 2,5 Wm-2) uneinheitlicher Trend Albedo (Landnutzung) +/ a 0 - 0,4 Wm-2 (Trends?) Flugverkehr (Ci u.a.) + a < 0,1 Wm-2 * (Trend?) Vulkaneruptionen max. 3 Wm-2 ** episodisch (1 - 3 Jahre) Sonnenaktivität + 0,1 - 0,5 Wm-2 fluktuativ El Niño (ENSO) + (interne Wechselw.) episodisch (Monate) 2 x CO2, Gleichgewicht + a 4,4 Wm-2 progressiver Trend Vorzeichen: + Erwärmung, - Abkühlung; a = anthropogen * CO2 ca. 1,5 Wm-2, O3 zusätzl. troposph. ca. 0,3 Wm-2, stratosph. ca. - 0,1 Wm-2 ** Pinatubo: 1991 2.4 Wm-2, 1992 3.2 Wm-2, 1993 0.9 Wm-2; nach McCormick et al. (1995)

Quelle: IPCC, 2001, ergänzt; hier nach Schönwiese, 2003

?Industriezeitalter (ca. 1750/1800 bis 2000)

Anomalien der globalen Mitteltemperatur: Klimamodellsimulationen im Vergleich zu den

Beobachtungsdaten (IPCC, 2001)

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990Zeit in Jahren

Tem

pera

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nom

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n in

°C

in

Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale

Neuronales Netz (Backpropagation)

Beobachtung

Quelle: A. Walter, 2001

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

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1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990Zeit in Jahren

Tem

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°C

in

Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale

Neuronales Netz (Backpropagation)

Beobachtung

Simulation

Quelle: A. Walter, 2001

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

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1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990Zeit in Jahren

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°C

in

Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale

Neuronales Netz (Backpropagation)

Beobachtung

Simulation

TR

Quelle: A. Walter, 2001

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

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°C

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Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale

Neuronales Netz (Backpropagation)

Beobachtung

Simulation

TR

SU

Quelle: A. Walter, 2001

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

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in

Globaltemperatur: Beobachtung, Simulation und Signale

Neuronales Netz (Backpropagation)

Beobachtung

Simulation

TR

SU

TR + SU

Quelle: A. Walter, 2001

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Flecken als Indikatoren der Sonnen-aktivität

Sonnenflecken-Relativzahlen 1761-2003

0

20

40

60

80

100

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180

200

1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

Zeit in Jahren

SRZ

(Inde

xwer

te)

Wie groß ist der Strahlungs-effekt?

Parallel zu den Sonnen- flecken schwankt die Sonneneinstrahlung („Solarkonstante“) im Promillebereich

Jahr

Satellitenmessungen der Sonneneinstrahlung

Jahr

1980

0,1%

(Quelle: SIDC, Brüssel)

(Quelle: Weltstrahlungszentrum, Davos)

Strahlungsantriebe und Klimasignale Klimafaktor Strahlungsantrieb TGL-Signal TDH-Sig. Signalstruktur

Treibhausgase, TR + 2,1 - 2,8 Wm-2 0,9 - 1.3 K 1,5 K Progressiver Trend Sulfataerosol, SU - 0,4 - 1,5 Wm-2 0,2 - 0,4 K 0,6 K Uneinheitl. Trend Kombiniert, TR+SU + (0,6 - 2,4 Wm-2) 0,5 - 0,7 K 0,8 K Uneinheitl. Trend Vulkaneruptionen - max. 1-3 Wm –2 * 0,1 - 0,2 K 0,2 K Episodisch (1-3 a) Sonnenaktivität + 0,1 - 0,5 Wm-2 0,1 - 0,2 K 0,6 K Fluktuativ (+Trend?) ENSO (SOI) ** - 0,2 - 0,3 K - Episodisch (n mon) NAO *** - - 1,1 K Quasi-fluktuativ Multiple Korrelation rm: 0.91 (83%) 0.62 (39%)

* Pinatubo-Ausbruch 1991: 2,4 Wm-2, 1992: 3,2 Wm-2, 1993: 0,9 Wm-2 (McCormick et al. 1995) ** El Niño / Southern Oscillation (Southern Oscillation Index) *** Nordatlantik-Oszillation

IPCC, 2001; McCormick et al., 1995; Walter und Schönwiese, 1999, 2002

Folgerungen• Im Industriezeitalter ist, global gemittelt, eine markante

bodennahe Erwärmung aufgetreten. Ursache ist, vor allem in den letzten Jahrzehnten, höchstwahrscheinlich der Mensch ( „anthropogener Treibhauseffekt“).

• Dies trifft auch auf die stratosphärische Abkühlung zu. • Die Struktur dieser Klimaänderung ist jedoch räumlich-

jahreszeitlich sehr differenziert. • Dies gilt noch weit ausgeprägter für den Niederschlag. • In Deutschland ist vor allem ein Trend zu wärmeren und

niederschlagsreicheren Wintern erkennbar, aber auch ein Trend zu heißeren (und trockeneren?) Sommern.

• Zum Teil sind diese Klimaänderungen mit häufigeren Extremereignissen verbunden, jedoch wiederum in sehr unterschiedlicher regional-jahreszeitlicher Ausprägung.

• Die sich daraus ergebenden Risiken für die Zukunft erfordern baldigen und effektiven Klimaschutz

• sowie weitere intensive Klimaforschung.

Vielen Dank für Ihr Interesse

Homepage des Autors: http://www.geo.uni-frankfurt.de/iau/klima