Vortrag»Thema«

Genauigkeit von Schadstoff- und

KlimavorhersagemodellenEberhard Schaller

LS UmweltmeteorologieBTU Cottbus

Gliederung:

1.Klimamodellierung

2.Klimaprojektionen bis 2100

3.Modellierung der Luftqualität

2

Problemstellung

Das Problem:1.Durch den natürlichen Treibhauseffekt ist die Temperatur in der Nähe der Erdoberfläche um 32 … 33 Grad erhöht.

2.Durch menschliche Aktivitäten, nämlich durch

Emission von strahlungsaktiven Substanzen,

Landnutzung,

wird der Treibhauseffekt messbar beeinflusst.

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Temperature (difference to preindustrial level) K

175

200

225

250

275

300

325

350

375

400

CO

2 vo

lum

e m

ixin

g r

atio

p

pm

(v)

1.9

4.67

12.64

40.16

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Temperature (difference to preindustrial level) K

175

200

225

250

275

300

325

350

375

400

CO

2 vo

lum

e m

ixin

g r

atio

p

pm

(v)

1.9

4.6712.64

40.1642.44

104.1

130.78

3

Problemstellung

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Temperature (difference to preindustrial level) K

175

200

225

250

275

300

325

350

375

400

CO

2 vo

lum

e m

ixin

g r

atio

p

pm

(v)

1.9

4.6712.64

40.1642.44

104.1

130.78

heute

Attraktor„Klimaoptimum“

Attraktor„Eiszeit“

88 % Emissionen12 % Landnutzung

4

Problemstellung

Zeit

heuteBeobachtung, Simulation Simulation

8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0

Longitude oE

47.0

47.5

48.0

48.5

49.0

49.5

50.0

50.5

51.0

Lat

itu

de

oN

Hohenpeissenberg

unabhängig von den Beobachtungen

5

Klimamodellierung

Klimamodellebenutzen die Erhaltungsprinzipien der Physik (für Masse,

Impuls und Energie) und haben somit eine exzellente theoretische Grundlage,

können Erhaltungsprinzipen nur näherungsweise lösen,

können global nur mit einer räumlichen Auflösung von in naher Zukunft bestenfalls 100 km gerechnet werden, d.h. ein Wert pro 10.000 km2 pro Klimaelement (Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchte, … ),

können in der Auflösung verfeinert (‚regionalisiert‘) werden

Ødurch ‚Ausschnittsmodell‘,

Ømit Hilfe statistischer Verfahren.

6

Klimamodellierung

Globales Klimamodell (prozessbeschreibend wegen

Erhaltungsprinzipien für Masse, Impuls und Energie)

regionales Klimamodell(prozessbeschreibend wegen

Erhaltungsprinzipien für Masse, Impuls und Energie)

Eingabeparameterextraterrestrische solare StrahlungLand-Wasser-VerteilungOberflächeneigenschaftenAnfangswerteTreibhausgaskonzentrationen

Klimaparameter, abgeleitete Größen (z.B. Strahlungs-

antrieb)Zeitreihen (Tagesmittelwerte), räumliche Auflösung >10.000 km2

BeobachtungenZeitreihen (Tagesmittelwerte) an

Stationen (lokal)

KlimaparameterZeitreihen (Tagesmittelwerte), räumliche Auflösung >100 km2

Randwerte

JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC AMON-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20A

vera

ge

Tem

per

atu

re

oC

Lindenberg, 1960-2000, bias corr.ObservationsCLM - C20-1CLM - C20-2

CLM - C20-3REMO - C20-1REMO - C20-2

7JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20A

vera

ge

Tem

per

atu

re

oC

Lindenberg, 1960-2000ObservationsCLM - C20-1CLM - C20-2CLM - C20-3REMO - C20-1REMO - C20-2

Ergebnisse: Gegenwartsklima

JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN0

10

20

30

40

50

60

70P

reci

pit

atio

n

mm

/mo

nth

0

100

200

300

400

500

600

700

Precip

itation

mm

/year

Lindenberg, 1960-2000, bias corr.ObservationsCLM - C20-1

CLM - C20-2CLM - C20-3

REMO - C20-1

JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100P

reci

pit

atio

n

mm

/mo

nth

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Precip

itation

mm

/year

Lindenberg, 1960-2000ObservationsCLM - C20-1CLM - C20-2CLM - C20-3REMO - C20-1

8

Ergebnisse: Gegenwartsklima

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

2012

Year

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

(in

du

stri

al)

CO

2 em

issi

on

s

Gt

C/y

r(industrial) C-Emission scenario

A1BA2B1B2

EIA: real worldORNL: real worldEIA: Kyoto targetORNL: Kyoto target

9

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

2060

2070

2080

2090

2100

Year

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

(to

tal)

CO

2 e

mis

sio

ns

G

t C

/yr

ScenarioA1BA2B1B2RCP-4.5RCP-8.5

10

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

11

Globaler Strahlungsantrieb

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

12

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

CO2

CH4

N2O

Kyoto

Montreal

3.5

3.5

3

3

2.5

2.5

2

2

1.5

1.5

1

10.5

0.50

Strahlungsantrieb, W/qm20002050

2100

W/m2

RCP 4.5

13

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

CO2

CH4

N2O

Kyoto

Montreal

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.20

Strahlungsantrieb, W/qm20002050

2100

RCP 4.5

W/m2

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

CLM0,165o x 0,165o, ca. (18 x 18) km2

106 Gitterpunkte

REMO0,088o x 0,088o, ca. (10 x 10) km2

303 Gitterpunkte

20002005

20102015

20202025

20302035

20402045

20502055

20602065

20702075

20802085

20902095

2100-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Te

mp

era

ture

, d

ec

ad

al

av

era

ge

, d

iff.

to

19

61

-90

me

an

KLindenberg, Temperature (2 m), bias corr.

CLM - A1B-1CLM - A1B-2REMO - A1B-1

REMO - A1B-2A1B averageA1B bias

~1 K

Signal/Rauschen = 1

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

20002005

20102015

20202025

20302035

20402045

20502055

20602065

20702075

20802085

20902095

21000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Te

mp

era

ture

, d

ec

ad

al

av

era

ge

, d

iff.

to

19

61

-90

me

an

KLindenberg, Temperature (2 m), bias corr.

CLM - A1B-1CLM - A1B-2REMO - A1B-1REMO - A1B-2

A1B averageCLM - B1-1CLM - B1-2REMO - B1-1

~1 K

~1 K

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100

17

Ergebnisse: Klimaprojektion bis 2100

IPCC-SRES-

Emissionsprojektion

Winter (DJF)

2036 - 2065

Sommer (JJA)

2036 - 2065

Jahr

2036 - 2065

A2 / A1B 2 … 8 % (4) -13 … -8 % (4) -2 … 3 % (4)

B1 -4 … 3 % (3) -5 … 1 % (3) -1 … 3 % (3)

2071 - 2100 2071 - 2100 2071 - 2100

A2 / A1B 13 … 17 % (4) -21 … -14 % (4) -2 … 3 % (4)

B1 8 … 11 % (3) -16 … -9 % (3) 1 … 3 % (3)

Klimaprojektionen für Brandenburg

IPCC-SRES-

Emissionsprojektion

Winter (DJF)

2036 - 2065

Sommer (JJA)

2036 - 2065

Jahr

2036 - 2065

A2 / A1B 1,8 … 3,2 K (5) 1,7 … 1,9 K (5) 1,6 … 2,3 K (5)

B1 1,3 … 1,6 K (3) 1,0 … 1,3 K (3) 1,0 … 1,4 K (3)

2071 - 2100 2071 - 2100 2071 - 2100

A2 / A1B 3,7 … 4,3 K (5) 2,9 … 3,3 K (5) 3,0 … 3,4 K (5)

B1 2,6 … 2,7 K (3) 1,9 … 2,2 K (3) 2,0 … 2,4 K (3)

18

Schadstoffmodellierung

Luftqualitäts (Schadstoff-)modellebenötigen ein Wettervorhersage-/Klimamodell, um die

zeitliche Entwicklung der Klimaparameter zu simulieren,

verwenden zusätzlich das Prinzip der Massenerhaltung für jeden betrachteten Schadstoff,

benötigen Emissionskataster für jeden Schadstoff,

benötigen Reaktionsmechanismus für chemisch reaktive Schadstoffe,

enthalten ‚nur‘eine Näherungslösung der Erhaltungssätze,

können global über längere Zeiträume nur mit einer räumlichen Auf-lösung von bestenfalls 100 km gerechnet werden, d.h. ein Wert pro 10.000 km2 pro Klimaelement (Temperatur, Niederschlag, … ),

können (entweder durch ein ‚Ausschnittsmodell‘oder mit Hilfe statis-tischer Verfahren) in der Auflösung verfeinert (‚regionalisiert‘) werden.

19

Schadstoffmodellierung

Ozonkonzentration über Europa10.09.1999, 12 Z

20

Schadstoffmodellierung

Ozonkonzentration über Europa20.09.1999, 12 Z

21

Schadstoffmodellierung

Ozonkonzentration über Europa01.08. –31.08.1999

Zeitintervall: 3 Std., d.h. 8 Bilder pro Tag

Sie sehen - den Tagesgang des Ozons- die Abhängigkeit von der Wetterlage- Transporte im Zusammenhang mit Hochs und

Tiefs

22

Zusammenfassung

Zusammenfassung1.Durch die Kombination von globalen und regionalen Klima-modellen sind Klimaprojektionen bis 2100 mit guter räumlicher Auflösung (gegenwärtig minimal 10 km) möglich

2.Zwei Ursachen für die Unsicherheit von Klimaprojektionen:Abschätzung des zukünftigen Verhalten der Menschen in Bezug auf die Emission von Treibhausgasen Unzulänglichkeiten bei den Klimamodellen

3. Unsicherheiten betragen bei einem noch kleinen Ensemble für die dekadischen Mittel der Temperatur ± 0,6 K, für den Nieder-schlag einige Prozent.

4. Der aus den anthropogenen Aktivitäten resultierende Strahlungs-antrieb von CO2 ist der dominierende direkte Effekt bei der Ver-änderung des Klimas.

23

Zusammenfassung, Fortsetzung

Zusammenfassung5.Luftqualitätsmodelle kombinieren ein Wettervorhersage-/Klima-modell mit einem Reaktionsschema für die in der Atmosphäre ablaufenden chemischen Reaktionen; sie benötigen zusätzlich (mehrere) Emissionskataster

24

aus: Summary for policy makers, IPCC (2007)

Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100