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…)