Chaotische Klimaschwankungen überlagern sich der mittleren Klimaerwärmung

20.November 2012

Der Temperaturanstieg durch die ansteigende Konzentration von Treibhausgasen verläuft nicht stetig. Dem mittleren Wert sind Schwankungen überlagert. Perioden mit einem stärkeren wechseln ab mit einem schwächeren Anstieg oder sogar einer Abnahme.  Die Schwankungen werden  durch Veränderungen der Strömungsmuster der Atmosphäre und des Meeres verursacht. Die Strömungsfelder haben genauso chaotische Merkmale wie die Wetterströmungen. Nur sind sie grossräumiger, und ändern sich deshalb langsamer mit Zeitskalen von Monaten,  Jahren, Jahrzehnten (“dekadische” Schwankungen) und auch darüber hinaus.  Die Schwankungen zeigen sich in den globalen Mittelwerten, vor allem aber viel stärker in kleineren Regionen, die von den veränderten Strömungen besonders betroffen sind. Deshalb zeigen lokale Temperaturrekonstruktionen der Vergangenheit (hier eine Ãœbersicht der NOAA) starke Erwärmungen oder Abkühlungen. Ein lokales Beispiel aus Europa ist der Einfluss der AMO (Atlantischen Multidecadalen Oscillation) auf die Gletscher in den Alpen, “100-year mass changes in the Swiss Alps linked to the Atlantic Multidecadal Oscillation” Matthias Huss, Regine Hock, Andreas Bauder, Martin Funk. Von den sog. Skeptikern wird das oft als Einwand gegen den Einfluss der Treibhausgase vorgebracht.

Inzwischen haben die Klimamodelle einen Stand erreicht, der eine Modellierung und ein Verständnis der Mechanismen dieser Schwankungen ermöglicht .

 C. Deser, R. Knutti, S. Solomon und A.S. Philips “Communication of the role of natural variability in future north American climate” haben am Beispiel von Nordamerika die Schwankungen des Klimas mit Modellrechnungen untersucht. Das Klimamodell  CCSM3  des National Center for Atmospheric Research umfasst die gekoppelten Atmosphäre-Ozean-See-Eis-Land Modelle und berechnet sie mit hoher Auflösung (2.8 Grad Länge und Breite). Damit wurde für den Zeitraum von 2000 bis 2060  eine Simulation mit einem Ensemble von 40 Modellrechnungen für das A1B Szenario durchgeführt.  Alle Rechnungen des Ensembles, starten mit gleichen Anfangsbedingungen. Dennoch variiert der weitere Verlauf der Rechnung aufgrund der chaotischen Eigenschaften des Systems. Jede Lösung könnte somit ein Abbild des tatsächlichen Verlaufs sein, das Ensemble zeigt die Variationsbreite der möglichen Verläufe und damit die  dem System inhärenten, “natürlichen” Schwankungen.

Die global gemittelte Temperaur steigt bei diesem Szenario um über 2 Grad an, siehe folgendes Bild. Die unterschiedlichen Simulationen weisen in ihrem gemittelten Anstieg geringe Unerschiede auf, im Bild sind die zwei Extreme mit dem stärksten und dem schwächsten Anstieg rot und blau markiert. Die kürzerfristigen Abweichungen vom Mittelwert während einiger Jahre sind in der roten und blauen Kurve jedoch deutlich verschieden.

Wesentlich grössere Abweichungen vom Mittelwert treten lokal auf. Das folgende Bild aus der Arbeit zeigt die Temperaturänderungen in Nordamerika im Winter (Dezember, Januar, Februar). Links oben ist die über das Ensemble gemittelte lokale Temperatur gezeigt. Im Bild links in der Mitte die Simulation mit den höchsten Temperaturen und darunter die mit den niedrigsten. Diese zeigt sogar ein blau markiertes Gebiet mit abnehmender Temperatur trotz einer global weiter ansteigenden Erwärmung. Der Grund sind grossräumige Meeresströmungen, die die global zugeführte Wärme ungleichmässig verteilen. An einem Ort gibt es Überschuss, an einem anderen ein Defizit. Jede dieser unterschiedlichen Simulationen könnte den tatsächlichen Verlauf darstellen. Die Unterschiede zeigen somit den Unsicherheitsbereich von Vorhersagen in diesem chaotischen System. Die mittlere Spalte im Bild zeigt  die Verläufe für die wärmste und die am wenigsten warme Modellierung an einzelnen Orten an. Zuunterst ist nochmal der schon oben gezeigte Mittelwert zum Vergleich. Die rechte Spalte zeigt die statistische Verteilung innerhalb des Ensembles für diese Orte. Man sieht schön, dass die örtlichen Schwankungen viel grösser (breitere Verteilung) sind als die globalen. Die Unterschiede bleiben über lange Zeiträume von 50 Jahren bestehen. Es gibt auch deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Orten. Seattle hat eine grössere Schwankungsbreite als Mazatlan in Mexiko. Die grossen Unterschiede zwischen den Modellierungen können auf Unterschiede in den grossräumigen Strömungsmustern zurückgeführt werden, wie sie aus der Wetterbeobachtung bekannt sind.

Die entsprechenden Auswertungen für die Niederschläge zeigt das folgende Bild. Rot und blau sind jetzt sinngemäss die Modellierungen mit den höchsten und den niedrigsten Niederschlägen. Die Schwankungen sind sehr hoch und die Variation zwischen verschiedenen Modellierungen geht von mehr Niederschlägen bis zu weniger Niederschlägen.

 

 

Wie verändern sich die chaotischen Schwankungen mit zunehmender Klimaerwärmung? Die plausible Vermutung, dass sie ebenfalls zunehmen wird in einer soeben erschienenen Arbeit von Fischer, Rajczak und Schär von der ETH Zürich “Changes in European summer temperature variability revisited” bestätigt. Simulations-Ergebnisse eines grossen Ensembles von Modellrechnungen für Europa ebenfalls für das A1B Szenario zeigen, dass die die tägliche und saisonale Variabilität mit fortschreitender Klimaerwärmung zunimmt. Das bedeutet z.B. dass die sommerlichen Temperaturextreme in Südeuropa zunehmen werden.

Die chaotischen Schwankungen um den Klimamittelwert stellen eine grosse Herausforderung für Anpassungsmassnahmen an die Klimaveränderung dar. Wie oben gezeigt, gibt es Orte, an denen mit einem extrem breiten Spektrum von Schwankungen gerechnet werden muss, von zunehmender bis abnehmender Niederschlagshäufigkeit oder von stagnierender oder stark ansteigender Temperatur. Diese Schwankungen sind eine inhärente Eigenschaft des Klimasystems, sie können deshalb auch kaum durch verbesserte Modellierungen reduziert werden.

Autor: Klaus Ragaller

Artikel gespeichert unter: Klima

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