Regionale Klimaveränderungen

Physikalische Grundlagen und Folgen

P. Hoffmann (AG: Hydroklimatische Risiken)

https://www.pik-potsdam.de/members/peterh

Klimawandel: Eine Summe physikalischer Naturgesetze

Forschungsabteilungen und Arbeitsgruppen

Profil: Die Meteorologie des Klimawandels

Wie verändert der Klimawandel unser gewohntes Wetter und Jahreszeiten?

_{https://www.youtube.com/watch?v=5rCk3iGgmks}

1. Wetterdatenerfassung

Wetterdatenerfassung

mehr als 10000 Bodenwetterstationen weltweit, die längsten in Mitteleuropa seit ca. 1800.

Messnetz des DWD

Synoptische-/Niederschlagsstationen	Meteorologische Station: Potsdam seit 1893

Seit 1961 werden von ca. 220 Klima- und ca. 1000 Niederschlagsstationen tägliche Messdaten erfasst: Potsdam umfasst auch Tiefentemperaturmessungen bis 12 m.

Zustandsgrößen in Bodennähe

Daten-Assimilation & Datenprodukte

Prinzip der Echzeiterfassung von Daten zur Atmosphärenbeobachtung seit 1979	Datenprodukte für die Klima- und Klimafolgenforschung auf Gitterpunkten (0.5°x0.5°)

Statistische Kennzahlen

Klimakennzahlen

Darstellungsformen

2. Atmosphärische Zirkulation

Struktur der Atmosphäre und Zusammensetzung

Struktur	Zusammensetzung

Abnahme der Temperatur in der Troposphäre bis zur Tropopause (ca. 10km). Der Anteil der Spurengase wie liegt bei weniger als 1% (400 ppm)

Strahlungshaushalt

Spektrum	Bilanz

, und besitzen hohe Strahlungswirkung im thermischen Spektralbereich: Treibhauseffekt durch atmosphärische Gegenstrahlung. Ohne diesen, hätte die Erde eine Effektivtemperatur .

Allgemeine Zirkulation & Corioliseffekt

Zirkulation	Erdrotation

Differentielle Erwärmung der Atmosphäre führt zu Ausgleichsbewegungen: Aufsteigen in den Tropen und Absinken an den Polen. Die Wirkung der Erdrotation bewirkt die Bildung mehrerer Zellen, Starkwindbändern in der Höhe und dem Passatwind am Boden

Räumliche- und zeitliche Skalen

Hitzewellen (~1000km,~Wochen), Hochwasser (~100km,~Tage), Gewitter (<10km,~Stunden)

Großwetterlagen über Europa

Sie beschreiben mögliche Formen der Luftströmung, Zugbahnen und Druckkonstellationen über Europa. Jede Großwetterlage ist für jeden Ort und zu jeder Jahreszeit mit charakteristischen Witterungsmerkmalen verknüpft.

3. Klimatische Veränderungen

Komponenten im Klimasystem

Global Warming Index

CO2 ~ GMT	Global Warming Index

Hoher Zusammenhang zwischen beobachteter Entwicklungen der globalen Mitteltemperatur und der CO2 Konzentration: Aktuell beträgt die globale Erwärmung +1.25°C gegenüber 1850-1900

Signatur des Treibhauseffekts

Änderung von Temperaturkontrasten	Troposphärische Erwärmung
Signatur des sich Abschwächenden Golfstroms	Stratosphärische Abkühlung
	weniger Wärmestrahlung verlässt die Atmosphäre

Kippelemente im Klimasystem

• Kippelemente im Klimasystem sind gegenüber einer gobalen Erwärmung um mehr als 2 Grad sehr anfällig.

• Verändern sich diese, hat das massive Folgen auf das Gesamtsystem und dessen Stabilität.

• Die Änderungen sind über Jahrtausende irreversibel

• Beispiele:

  • Grönlandeis
  • Arktische Sommermeereis
  • Golfstrom
  • Jetstream
  • Amazonas Regenwald

Jetstream

^{© Scientific American}

Im Sommerhalbjahr können derartige Wellenstrukturen an Ort und Stelle verharren. Aus ein paar sonnige Tagen können sich dann Hitzewellen und aus dem erhofften Regen Überschwemmungen entwickeln. (und das zeitgleich an mehreren Orten)

Persistenz von Wetter-/Strömungsmustern

^{© Hoffmann et al. 2021}

Folge dynamischer Veränderungen

Zeitgleiches Auftreten mehrerer Wetterextreme in mittleren Breiten

Folge thermodynamischer Veränderungen

Verdunstung	Niederschlagsrekorde

Mit steigenden Temperaturen steigt die Hemmschwelle für flächendeckenden Landregen: Weltweit nehmen Rekordniederschläge zu

^{© Lehmann et al. 2015}

Atmosphäre als Schwamm

Clausius-Clapeyron: pro 1°C Temperaturzunahme – Anstieg des Wasserdampfgehalts um 7%

Flutkatastrophe im Juli 2021

Zu viel Regen über kritischem Gelände

Arktisches Meereis

Immer häufiger liegen Jahresverläufe am Unterrand der natürlichen Schwankungsbreite. In wenigen Jahrzehnten könnte es im August-Okober kein arktisches Meereis mehr geben.

Meeresspiegelanstieg

Langfristige Stabilisierung des Klima mit Folgen für den Meeresspiegelanstieg: +1°C (ca. +2m), +2°C (ca. +5m), +4°C (ca. 10m)

4. Klimawandel vor Ort

Temperaturtrend vs Lebenslinie

© Hoffmann, 2017

Verteilung und Anomalien

Temperaturverteilung	Anteil zu warmer/kalter Monate

Monatsmittel fallen heute im Schnitt häufiger zu warm aus als zu kalt

Potsdam

Erwartungshorizonte Hitzetage

© Hoffmann, 2024 (BMG)

Summenverläufe

Temperatursummen	Regensummen

Aktuelle Witterungsverläufe im zeitlichen und klimatologischen Kontext

Potsdam

Grundwasserneubildung

Trotz gleichbleibender Jahresniederschläge sinkt die Grundwasserneubildung, weil die Verdunstung mit steigenden Temperaturen zunimmt.

5. Klimaszenarien für Deutschland

Emissionspfade

RCP2.6: Klimaschutz-Szenario (2°) RCP8.5: Weiter-Wie-Bisher-Szenario (4°)

Regionalisierung

Regionalisierung globaler Klimamodellsimulationen (100x100km) durch regionale Klimamodelle für Europa (12x12km).

Hitze, Starkregen & Modellunsicherheiten

Entwicklung Anzahl der Starkregentage über der Anzahl der Hitzetage in Deutschland: hohe Richtungseinigkeit bei gleichzeitig großer Bandbreite

Deutschland in Zahlen: 2071-2100 vs 1971-2000

Klimatische Verschiebungen

^{© UBA, 2021}

6. Klimawirkung

Dürre & Waldsterben

Dürremonitor	Trockenstress

Langanhaltende und häufig wiederkehrende Hochdruckwetterlagen führen über Wochen bis Monate zu einem Bodenfeuchtedefizit und Trockenstress bis in tiefe Bodenschichten.
^{© UFZ, Dürremonitor}

Landwirtschaft: Bsp. Winterweizen

Der Ertrag von Winterweizen lag 2018 bis zu 50% niedriger als im langjährigen Mittel (links) und lokal noch unter dem Ertrag von 2003 (rechts)
^{© Conrath et al., 2019}

Hydrologie: Bsp. Donau

Gesamtabfluss	Hochwasser

Sowohl Hoch- und Niedrigwasserphasen im deutschen Teil der Donau nehmen zu: kürzere Wiederkehrzeiten von bislang 100-jährigen Hochwasserereignissen.
^{© Hattermann et al., 2018}

Gesundheit: Bsp. Mortalität

Wirkungskette und Anpassungmatrix

^{©Scheffran et al., 2015}

Klima- & Klimafolgendienste

^{https://klimadolgenonline.com}

Fazit

• Welche zukünftigen Entwicklungen sind sicher?

  • Verstärkung des natürlichen Treibhauseffekts durch steigende CO2
    Konzentrationen in der Atmosphäre (Faktor Mensch)
  • steigende Temperaturen, Gletscherschwund, Meeresspiegelanstieg
  • weltweit höhere Neigung zu Extremwetter
  • klimatische Verschiebungen

• Welche zukünftigen Entwicklungen sind unsicher?

  • Veränderungen von Strömungsmustern
  • Veränderungen von jahreszeitlichen Rhythmen und Regenmustern
  • Klimafolgen erster Ordnung: Witterungsverläufe
  • Klimafolgen höherer Ordnung: sektorale Klimawirkung

• Klar ist:

  • ambitionierter Klimaschutz ist notwendig, um die Erderwärmung auf ein Niveau zu begrenzen, bei denen die Folgen noch beherrschbar bleiben

Links

NOAA; CimateExplorer; Deutscher Klimaatlas; Impact2C; Climate4You; Klimafolgenonline