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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
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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
200
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
2000
4000
6000
Jahre
höch
stabfl
üsse
HQ
[m³/s
]
0
2000
4000
6000
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000Jahr
0
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6000
8000
10000
Jahre
höch
stabfl
üsse
HQ [m
³/s]
0
2000
4000
6000
8000
10000
Dresden/Elbe
Köln/Rhein
Menzel (PIK), 2005
Jahreshöchstabflüsse in m3/s (Pegelmessungen)
1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000Jahr
0
2000
4000
6000
Jahre
höch
stabfl
üsse
HQ
[m³/s
]
0
2000
4000
6000
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000Jahr
0
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4000
6000
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10000
Jahre
höch
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HQ [m
³/s]
0
2000
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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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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
-0,6
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1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990Zeit in Jahren
Tem
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°C
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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
Tem
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°C
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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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Tem
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°C
in
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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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
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
120
140
160
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