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Klimawandel:Manifestation – Detektion – Attribution

Hans von StorchInstitut für Küstenforschung, Helmholtz Zentrum Geesthacht

Hans von Storch

•Klimaforscher

•Spezialgebiet: Küstenklima, also Windstürme, Sturmfluten, Seegang, Nordsee, Nordatlantik

•Kooperation auch mit Sozialwissenschaftlern

•Direktor des Instituts für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht

•Mitglied des Hamburger Klima-Exzellenzentrums „CliSAP“

Für die gesellschaftliche Debatte sind mehrere Fargen, die wissenschaftlich zu beantworten sind, von Bedeutung:a) Gibt es einen Klimawandel (Änderung der Wetterstatistik), welche maßgeblichen

Gründe gibt es dafür, und wie wird er sich vermutlich zukünftig fortsetzen?b) Welche Folgen für Mensch, Gesellschaft und Ökosysteme hat dieser Klimawandel?

Hier behandele ich nur (a), mit den Herausforderungen

• Manifestation: Der konstatierte Wandel ist real. Dabei gibt es das Problem, dass die Daten sind sehr gut sind (zeitliche und räumliche Abdeckung; über die Zeit veränderte Meßmethoden)

• “Detektion” – Der der konstatierte Klimawandel bewegt sich ausserhalb des Rahmens “normaler” Schwankungen

• “Attribution” – Der als “nicht-im-Rahme-der-normalen-Schwankungen” gefundene Wandel lässt sich am besten durch bestimmte (zu benennende) “Antriebe” erklären.

Klimawandel – wissenschaftliche Herausforderungen mit gesellschaftlicher Signifikanz

Fehlerbalken an der Schätzung der globale gemittelten Lufttemperatur

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Wärmeinseleffekt - Beispiel Rostock

Jahresgang des Temperaturunterschieds zwischen dem Zentrum von Rostock (Holbeinplatz; Ho) und Orten in einigem Abstand vom Zentrum (Stuthof (St), Warnemünde (War) and Gülzow (Gü))

Richter et al., 2011

Quelle: Deutscher Wetterdienst, DWD

Jährliche Lufttemperaturen Deutschland, 1901-2014

Quelle: http://www.dmi.dk/nyheder/arkiv/nyheder-2015/01/2014-er-klodens-varmeste-aar

Abschätzungen durch verschiedene Analysezentren

Manifestation: Ja, es wird wärmer im globalen Mittel

Detektion: Haben wir Veränderungen jenseits der normalen Schwankungen? Also, Veränderungen, die einer Erklärung bedürfen?

Oft wird die Frage darauf reduziert, ob Trends “signifikant” seien.

Dies ist kein sinnvoller Zugang, da „signifikante Trends“ selbst keine ungewöhnlichen Veränderungen sind – die Frage ist vielmehr, ob die Trends jenseits einer kritischen Grenze liegen, und ob wir Gründe haben zu glauben, dass sie sich zukünftig fortsetzen werden.

Technisch: „Signifikanz“ bedeutet, dass ein Trend, wie der vorliegende, in weniger als (z.B. 5%) aller Zeitserien auftritt, deren Zahlen erstens unabhängig voneinander sind und zweitens von der gleichen Grundgesamtheit (insbesondere trendfreien) stammen. Man schließt dann, dass eine Voraussetzung, z.B. die Trendfreiheit, nicht gegeben ist.

Wenn dies der Fall ist, gibt es keine Gründe anzunehmen, dass der Trend sich fortsetzt – wie etwa das Beispiel der signifikante Trend der Temperaturen von Januar bis Juli zeigt – der September ist meist kälter als der vorangehende Juli.

Bei Detektion geht es darum, in einem statistischen Test zu zeigen, dass die vorliegenden Änderungen nicht von einem stationären Prozess (etwa mit erheblicher zeitlicher Abhängigkeit) erzeugt worden ist. Für Kennzahlen dieses Prozesses kann man Verteilungen ableiten. Wenn diese Kennzahl für die zu untersuchende Zeitserie in den äußeren Bereichen (etwa größten 5%) zu liegen kommt, schließt mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5%, dass die zu untersuchende Zeitserie NICHT von einem stationären Prozess erzeugt wurde, sondern dass andere Faktoren am Werke sind.

Erfolgreiche Detektion heißt daher:Es gibt “Antrieb”, die zu den ungewöhnlichen Veränderungen führen.

Wenn man diese Antriebe vorhersagen kann, dann kann man im Groben die Fortsetzung der Zeitserie vorhersagen.

Nicht-Detektion ist kein Beweis für die Abwesenheit von solchen Antrieben, sondern nur, dass die vorliegende Evidenz unzureichend ist, um ihre Gegenwart nachzuweisen.

Detektion: Haben wir Veränderungen jenseits der normalen Schwankungen?

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Kennzahl: Häufung von (global) warmen Jahren in den letzten Jahrzehnten

In 2013 wurde festgestellt, dass die 20 wärmsten Jahren seit beginn der Zeitreihe (in 1880) in die letzten 23 Jahren (seit 1990) fielen.

Wie wahrscheinlich ist dies, wenn wir es mit stationären Bedingungen zu tun haben? Unabhängig von der Art der seriellen Unabhängigkeit von aufeinanderfolgenden Temperaturen, tritt so ein Ereignis einmal, oder noch seltener, in 1000 Versuchen auf.

Die Häufung der warmen Jahren in den letzten Jahrzehnten kann also kaum als Zufall erklärt werden.

Detektion

Zorita, E., T. Stocker and H. von Storch, 2008: How unusual is the recent series of warm years? Geophys. Res. Lett. 35, L24706, doi:10.1029/2008GL036228

Rybski, D., A. Bunde, S. Havlin,and H. von Storch, 2006: Long-term persistence in climate and the detection problem. Geophys. Res. Lett. 33, L06718, doi:10.1029/2005GL025591

Detektion Kennzahl: Änderung von m-jährigen Temperatur-Mittelwerten, die um L Jahre getrennt sind: ∆T(m,L), normalisiert durch die Standard-abweichung σ dieser Größe, wie sie aus paläoklimatischen Rekonstruktionen geschätzt wurden.

Wenn diese normierten Unterschiede größer als 2 sind, ist die Wahrschein-lichkeit, so ein Ergebnis unter stationären Bedingungen zu erhalten, weniger als 2.5%.

Für verschiedene Konfigurationen finden wir solch geringe Wahrscheinlichkeiten zwischen etwa 1980 und 1990.

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IPCC AR5, SPM

Detektion Wir schließen daraus, dass die Entwicklung der global gemittelten Lufttemperatur seit 1850 bis heute nicht im Rahmen der normalen (natürlichen) Schwankungen des Klimasystems verläuft.Dies manifestiert sich insbesondere in den letzten Jahrzehnten.

Die Schlussfolgerung, wonach hier neben natürlichen Faktoren auch menschgemachten Faktoren am Werk sind, kann mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von weniger als 2.5% gezogen werden.

IPCC 2007

Additional ly man-made factors

Only natural factors

„observations“

Attribution: Können wir die Entwicklung der Lufttemperaturen beschreiben, wenn wir Antriebe durch Treibhausgase annehmen?

Beobachtete und aufgrund von GHG erwarteter Temperaturtrends (1982-2011)

Die beobachteten Trends (grau) sind im Winter und Gfrühjahr (DJF und MAM) konsistent mit den Vorschlägen für Änderungen aufgrund erhöhten Treibhausgase (grün); im Sommer und Herbst finden wir eine Diskrepanz.

Die DJF/MAM Änderungen können durch Treibhausgase erklärt werden; im JJA und SON sind weitere Faktoren nötig – verminderte regionale Emission von Aerosolen?

Observed CRU, EOBS (1982-2011)

Projected GS signal, A1B scenario 10 simulations (ENSEMBLES)

Regionale Attribution Im Ostseeraum

Der Anstieg der Temperaturen in vergangenen Jahrhundert ist real, liegt nicht im Rahmen natürlicher Schwankungen (im Rahmen unseres derzeitigen Wissens) und kann weitgehend durch die Akkumulation von Treibhausgasen in der Atmosphäre erklärt werden .

Die Klimawissenschaft hat Wissen erarbeitet und bereitgestellt, auf dessen Basis Gesellschaften entscheiden können, wie mit diesen Änderungen umgegangen werden kann – in einem Mix aus Minderung der Änderungen und Anpassung an Folgen.

Aus diesem Wissen folgt aber nicht, was gesellschaftlich geschehen muss, sondern nur, welche klimatischen Wirkung gewissen gesellschaftliche Reaktionen haben würden – ob diese erwünscht sind, ist eine Frage gesellschaftlicher Präferenzen und Entscheidungsprozesse.

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www.norddeutscher-klimamonitor.de - informiert über Klima und Klimaentwicklungen seit 1950 in Norddeutschland

• Welcher ist der sonnigste Ort im Norden?• Ist es in Norddeutschland bereits wärmer geworden?• Wird sich die Erwärmung künftig weiter so fortsetzen?

Diese und andere Fragen beantwortet der NorddeutscheKlimamonitor, den das Norddeutsche Klimabüro am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) und das Regionale KlimabüroHamburg des Deutschen Wetterdienstes (DWD) entwickelthaben.

Mit dem Norddeutschen Klimamonitor wird das Klima derletzten 60 Jahre für Norddeutschland erstmals umfangreichausgewertet und interaktiv vorgestellt. So lässt sich beispielsweiseerkennen, dass Norddeutschland sich von 1951 bis 2010erwärmt hat. Im Jahresdurchschnitt beträgt die Erwärmungetwa 1,2 Grad Celsius.

Darüber hinaus bietet der Klimamonitor die Möglichkeit, Klimaentwicklungen der Vergangenheit mit regionalen Klimaszenarien zu vergleichen. Auf diese Weise können Nutzer erkennen, ob es sich bei den bereits eingetretenen Änderungen um natürliche Schwankungen oder schon um menschlich mitverursachte Änderungen handelt.

Mehr erfahren Sie im Norddeutschen Klimamonitor:www.norddeutscher-klimamonitor.de

Auch hier in der

Ausstellung!

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www.norddeutscher-klimaatlas.de zeigt mögliche Klimaänderungen bis 2100

• Wie warm kann es in Norddeutschland künftig werden?• Wird es im Winter vielleicht bald nur noch regnen?• Stimmen die Klimaszenarien tendenziell überein?

Solche und andere Fragen beantwortet der NorddeutscheKlimaatlas. Der Internetatlas bündelt Rohdaten von numerischen Klimarechenmodellen verschiedener Forschungseinrichtungen. Die Rohdaten werden speziell für Norddeutschland ausgewertet. Daraus abgeleitete Ergebnisse werden in allgemeinverständlicher Form bereitgestellt.

Norddeutschland kann sich bis zum Ende des 21. Jahrhundertsum etwa 1,3 bis 4,7°C erwärmen. Die Änderung des Niederschlages kann in den Jahreszeiten sehr unterschiedlich ausfallen: Im Sommer zeigen die Klimaszenarien in Norddeutschland ein unklares Bild – sowohl Zu- als auch Abnahmen sind plausibel. Im Winter müssen wir dagegen mit einer Niederschlagszunahme von bis zu 41% rechnen.

• Mehr erfahren Sie im Norddeutschen Klimaatlas:

• www.norddeutscher-klimaatlas.de

Temperatur2071-2100

Winterniederschlag2071-2100

Auch hier in der

Ausstellung!