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Die holozäne Temperatur- und Niederschlagsvariabilität in Europa
(Quelle: NASA)
Programm
1.Motivation2.Grundlagen3.Stand des Wissens Holozäne Temperaturvariabilität Europas Holozäne Niederschlagsvariabilität Europas4. Mögliche Ursachen der Variabilität
1. Motivation
• Globale Erwärmung: Überlagerung vom anthropogenen Treibhauseffekt und
natürlicher Variabilität (zB Änderung der Sonnenaktivität) • Trennung dieser Effekte um menschlichen Anteil dieser Erwärmung zu
bestimmen• im vorindustriellen Holozän natürliche Einflüsse dominant• holozäne Temperatur- und Niederschlagsrekonstruktion liefert Abschätzung
über -Größenordnung-Geschwindigkeit-Häufigkeit-(Ir-)Reularität
von natürlichen Klimavariationen einer Warmzeit
Schluss auf anthropogenen Anteil
2. GrundlagenTemperatur
• Maß für die mittlere kinetische Energie der Luftmoleküle• Definition der World Meteorological Organization (WMO) für die
Tagesmitteltemperatur:
Messung in weißen Klimahütten, die: • sich 2m über einer Grasfläche befinden• mindestens 10m vom nächsten Baum entfernt sind• ungehindert vom Wind getroffen werden können
Klimahütte (Quelle: Heribert Fleer)
Niederschlag
Niederschlag: Regen, Schnee, Hagel, aber auch Nebel und Tau
Niederschlagsmenge: Höhe der Wasserschicht, die sich durch
Niederschlag auf ebener Fläche gebildet hätte
Messstandards: Regenmesser mit 200qcm Auffangöffnung, an windarmer aber freier Stelle
Probleme:• keine zufriedenstellende Methode zur quantitativen Erfassung• Frage der Übertragbarkeit auf die Umgebung • Ablenkung der Niederschlagspartikeln bei Starkregen- ereignissen durch Messaufbau• Schnee, Hagel, Tau, Nebel besonders schlecht zu messen, nur in gesonderten Geräten (unterschiedliche Messfehler!) Regenmesser
(Quelle: Hellmann)
Wärmeaufnahme Wärmeabgabe
• mehr Niederschlag höhere Temperatur• aber: Umkehrschluss höhere Temperatur gesteigerte Verdunstung mehr Niederschlag im allgemeinen noch nicht gezeigt
Zusammenhang zwischen Niederschlag und Temperatur - Transport latenter Wärme
Verdampfungsenthalpievon Wasser: ~2450kJ/kg
Bei 800mm Jahresnieder-schlag entspricht das: ~2GJ/(qm*y) ~ 60W/qm
Messreihen
• Standort der Messstationen weitab von urbanen Gebieten um wechselnden anthropogenen Einfluss zu vermeiden
Stichwort Stadtklima:
• homogene Messverfahren wegen Vergleichbarkeit Heterogenität zB durch:
• wünschenswert: hohe räumliche Dichte an Messstationen
Anforderungen:
höhere Temperatur niedrigere Luftfeuchte länger anhaltender Starkregen (viele Kondensationskeime)
Verwendung der Messergebnisse verschiedener Stationen von verschiedenen Perioden als eine Messreihe Ortsänderung von Stationen Austausch von Messinstrumenten
Räumliche Temperaturvariabilität in Europa
Jahresmitteltemperaturen gemittelt über die WMO-Standardperiode 1961-1990
(Quelle: Sweklim)
Räumliche Jahresniederschlagsvariabilität in Europa
Jahresniederschläge gemittelt über die WMO-Standardperiode 1961-1990
(Quelle: IIASA)
Verlängerung der Messreihen
Eisbohrkerne Baumringdicken Baumgrenzen Sedimente Grundwasser Stalagmiten Seespiegel
und viele mehr …
• verlässliche Messreihen reichen nur etwa 100-150 Jahre zurück•„Verlängerung“ der Messreihen durch Proxies • Kalibrierung der Proxies anhand der Messreihen)• Rekonstruktion von T&P aus (Multi-)Proxydaten
Mögliche Paläoarchive:
Sedimentkerne (Quelle: Pier der Wissenschaft)
Eisbohrkern(Quelle: L. Augustin)
3. Stand des WissensHolozäne Temperaturvariabilität in Europa
Holozäne Temperaturvariabilität der Nordhemisphäre
Vergleich mit den Temperaturvariationen vor dem Holozän
weit geringere Temperaturschwankungen im Holozän als in der Zeit davor hohe Anforderung an zeitliche Auflösung von Proxy-Daten
wärmer
kälter
Gemittelte Anomalien europäischer Temperaturaufzeichnungen
(Quelle: Brohan et al.)
• Hälfte des Anstiegs von 1890-1950 möglicherweise durch Verstädterung• Trends in Zusammenhang mit Variabilität
regionaler Zirkulationsmuster der oberen Atmosphäre des europäischen Luftdrucks der North Atlantic Oscillation
Temperaturtrend pro Dekade gemittelt über die Periode von 1851-1991, auf Monate aufgeschlüsselt
(Quelle: Balling et al.)
Holozäne Niederschlagsvariabilität in Europa
Relative feuchte Zeiträume (in grau):
3000 - 2500 BP 3600 - 3400 BP 4100 - 3900 BP 5400 - 4800 BP 6400 - 6000 BP 7500 - 7000 BP 8200 - 7900 BP 9500 - 8600 BP10500-13000BP
(Quelle: Haas et al. und Zolitschka 1998)
Pollen aus Sedimenten(österr. und schweiz. Alpen)
Eisbohrkern (Grönland)
Baumringe (Schweiz)
Seeleveländerungen (Polen)
Sedimentationraten (Deutschland)2000BP
11000BP
Vergleich mit einer anderen Niederschlagsstudie
0BP
11000BP
von Eisbergen transportierterGletscherschutt im N-Atlantik
Trockenphasen in Südspanien
Phasen höhere Seespiegel inMitteleuropa
Winterniederschlagin Westnorwegen
kalt/trocken warm/feuchtnach Südennach Norden
(Quelle:Magny et al.)
Niederschlagstrends in holozänen Kältephasen
Feuchterer Bereichbeim 8,2k Event
Grenzen des niederschlagsreicherenBereichs während schwächerer Kältephasen
(Quelle: Magny et al.)
Variation der niederschlagsreichen Zone wahrscheinlich Ergebnis von wechselnder Stärke der Westlagen (Änderungen im Temperaturgradienten zwischen hohen und niederen Breiten)
Flächengemittelte Niederschlagsaufzeichnungen Deutschlands
(Quelle: Schönwieseund Trömel)
4. Ursachen der Klimaschwankungen im Holozän
Auslöser von Temperaturschwankungen :
Interne Variabilität Externe Variabilität:Solare Variabilität
Änderung der Sonnenaktivität Änderung der Erdbahnparameter
(Exzentrizität, Neigung und Ausrichtung der Rotationsachse)
Änderungen in derZirkulation
(Wärmetransport!)
Änderung der atmosphärischen
Zusammensetzung
Atmosphärische Zirkulation(zB North Atlantic Oscillation)
Ozeanische Zirkulation(Thermohaline Zirkulation)
Aerosole(Vulkanausbrüche)
Treibhausgase
Variabilität der Sonnenaktivität
• Zusammenhang zwischen Temperaturschwankungen und Variabilität der Sonnenaktivität• Effekte der Variationen alleine zu schwach
Verstärkung dieser Effekte durch Klimasystem
Thermohaline Zirkulation (THZ) Strahlungsbilanz
Strahlungsbilanz erfordert Wärmetransport nach Norden, dort Wärmeabgabe an die AtmosphäreWärmetransport von 1,2 PW im Atlantik nach Norden (deutsche Kraftwerke: 122 GW) Massenbilanz erfordert Rückströmung nach Süden Tiefenwasserbildung
(Quelle: Bundesministerium für Umwelt)
Tiefenwasserbildung im Nordatlantik
• ozeanische Zirkulation von Erwärmung der Atmosphäre beeinflusst• Störung der Dichtezunahme hat Abnahme der Zirkulation zur Folge • Stärke der THZ im Nordatlantik hat an Stärke verloren: 1957: 20Sv 2004: 14Sv
(Quelle: Rick Williams)
Hysteresisverhalten der THZ• Verschiedene Gleichgewichtszustände der THZ:
mehr oder minder Starke Zirkulation Zirkulation hört komplett auf
• werden gewisse Grenzwerte überschritten, kann System sprunghaft in anderen Zustand übergehen• beim 2-4fachen der vorindustriellen Konzentration an CO2 wird die THZ komplett aufhören, Übergang möglicherweise irreversibel
Aber: Nicht nur Endkonzentration entscheidender Parameter bezüglich der Irreversibilität, sondern auch die Rate des Anstiegs.
(Quelle: T.F. Stocker)
Atmosphäre Atmosphäre
erwärmteWasserschicht
kühleres Wasser
Mögliche Störungen der THZ im Holozän
„leichtes“ Süßwasser verhindert Tiefenwasserbildung Ende der THZ für mehrere hundert Jahre
• 8,2ky Event: Aufgestautes Schmelzwasser des restlichen kan. Eisschildes fließt in den NA ab
• 6ky Coldevent: nicht durch Schmelzwasser erklärbar, Tiefensedimentkerne aber weisen auf verminderte Tiefenwasserbildung hin
• Little Ice Age ?
North Atlantic Oscillation (NAO)
NAO+
stark neg. SST Anomalien vor Grönland und positive bei den Azoren starkes Islandtief und Azorenhoch
NAO-
positive SST Anomalien vor Grönland negative bei den Azoren Druckzentren nicht voll entwickelt
(Quelle: Visbeck&Cullen, NOAA)
NAO - Index
NAO-Index = Differenz der normierten Luftdruckanomalien von Islandtief und Azorenhoch gemittelt über die Wintermonate (DJF)
NAO in der Vergangenheit
Zusammenfassung• Holozän Zeitraum mit langzeitigen Temperaturschwankungen von ungefähr
bis zu 1°C (viel geringer als in Kaltzeiten)• Temperaturamplituden der teilweise noch strittig, Trends einigermaßen
sicher• über Niederschlag meist eher qualitative Aussagen möglich• Antrieb der Variabilität:
genaue Ursachen noch unklar (Wechselwirkungen der verschiedenen Klimaantriebe) Ansatz: Änderungen der solaren Aktivität, verstärkt durch terrestrische Zirkulationen (wohl am zutreffensten, trotzdem Vereinfachung) aber auch: Vulkanausbrüche, Wechsel in der Flächennutzung…• viele unterschiedliche Meinungen und Ansätze zu den Schwankungen
Ziel noch nicht erreicht, den anthropogenen Treibhauseffekt von den Effekten natürlicher Variabilität zu trennen
• Zukunft ? (NAO, THC, Flächennutzung…)