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Auch nach dem Umweltgipfel in Rio de Janeiro ist bei den bedrohlichen globalen
Umweltveränderungen keine Trendwende in Sicht. Unbesonnene Wirtschaftstätigkeit
und die wachende Zahl der Menschen bedrohen, schädigen, ja zerstören
weltweit viele natürliche Lebenräume. Langfristig gefährdet
sich die Menschheit selbst in ihrem Überleben. Globale Umweltveränderungen
haben andere Ursachen und zeigen viel komplexere Wirkungen als die meisten
nationalen Umweltprobleme: Emissionen in den Industrieländern führen
beispielsweise zu Änderungen des globalen Klimas. Betroffen von diesen
Klimaänderungen sind aber ganz andere Länder, etwa durch Ernteausfälle
oder einen Anstieg des Meeresspiegels an ihren Küsten.
Die Bundesregierung hat im Jahr 1992 den Wissenschaftlichen Beirat "Globale
Umweltveränderungen" eingesetzt. Er soll in Jahresgutachten durch
Empfehlungen zu politischem Handeln und zum Forschungsbedarf den nationalen
Beitrag zum Einleiten einer Trendwende formulieren und eine Umsetzungsstrategie
entwickeln.
Im ersten Jahresgutachten 1993 beschreibt der Beirat die enge globale Vernetzung
von Mensch und Natur, Gesellschaft und Umwelt. Globale Umweltziele und die
weitere wirtschaftliche Entwicklung müssen besser aufeinander abgestimmt
werden: Die Umweltpolitik muß, bei uns wie bei den Entwicklungsländern,
die globalen Umweltwirkungen weit stärker als bisher in die Rahmendaten
des Wirtschaftens einbeziehen. Der Beirat gibt mit Blick auf die Haupttrends
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Nach Modellrechnungen hat der gemessene Anstieg der CO2-Konzentration in der Atmosphäre um 25 % seit Beginn der industriellen Revolution, zusammen mit den in der Treibhauswirkung vergleichbaren Zunahmen von Methan und FCKWs, bereits eine globale Erwärmung von 0.5° C - 1.0° C erbracht. Gemessen wird in der Tat eine Zunahme der global gemittelten Oberflächentemperatur der Erde von 0.7° C. Bisher ließ sich aber diese Erwärmung nicht eindeutig auf den Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen zurückführen, da sie noch in der gleichen Größenordnung wie Schätzungen der natürlichen Klimavariabilität liegt. Neuere Modellrechnungen und verbesserte Methoden des Signal-nachweises haben aber nun eine quantitative Abschätzung der Wahrscheinlichkeit ermöglicht, daß die beobachtete Temperaturzunahme natürlichen Ursprungs ist: sie liegt unterhalb 5 %. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit, daß die Erwärmung auf externe Einflüsse zurückzuführen ist - insbesondere auf die Zunahme der Treibhausgasemissionen - liegt bei 95 %.
Die neue quantitative Abschätzung basiert auf
Gruppen in den USA (Princeton) und dem UK (Hadley Centre) haben vor kurzem ähnliche, vorsichtig formulierte Aussagen gemacht anhand der globalen Mitteltemperatur, ohne allerdings eine detaillierte Mustererkennungsanalyse anzuwenden oder eine quantitative Wahrscheinlichkeitsangabe zu machen.
Hamburg, den 15. Februar 1995, 16.50 Uhr
Klaus Hasselmann
Anmerkung:
Der Nachweis einer anthropogenen Klimaänderung anhand des
großskaligen globalen Temperatursignals sollte nicht mit den
neuerdings angeblich beobachteten höheren Häufigkeiten von
extremen Wetterereignissen in Verbindung gebracht werden. Es erscheint
fraglich, ob diese Ereignisse, falls eine Zunahme der Häufigkeit
wirklich statistisch belegbar ist, auf eine anthropogene
Klimaänderung zurückzuführen sind. Die Modelle ergeben
für die heutige Zeit noch keine signifikanten Änderungen in
der Statistik extremer Ereignisse, sind allerdings weniger
zuverlässig in der Vorhersage dieser Größen als in der
Berechnung großskaliger Temperaturänderungen. Auf alle
Fälle ist der Nachweis von anthropogenen Änderungen in der
Statistik von Extremereignissen wesentlich schwieriger zu erbringen
(wenn, natürlich, auch sehr erwünscht) als in den
Temperaturfeldern.
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Die Rekordhitzewelle des Sommers '94 in Europa gab zu Spekulationen Anlaß, daß dieses eine Folge der vorausgesagten globalen Erwärmung durch die steigenden Treibhausgaskonzentrationen sein könnte. Mit 5 Grad Celsius über dem langjährigen Monatsmittelwert war der Juli '94 der heißeste Sommer seit Beginn der Registrierung.
Der Sommer '94 bestätigte die alte Bauernregel, daß die Großwetterlage, die am Siebenschläfertag (27. Juni) vorherrscht, auch noch für die nächsten 7 Wochen anhalten wird. Diese Regel traf auch im kalten, verregneten Sommer 93 zu und ist Ausdruck der bekannten meteorologischen Erscheinung, daß sich Großwetterlagen zum Beginn des Sommers allgemein stabilisieren.
Die Diskussion zum heißen Sommer '94 (der kalte Sommer '93 scheint schnell vergessen) erinnert an die widersprüchlichen Aussagen zum heißen und extrem trockenen Sommer 1988 in den Vereinigten Staaten, als der Mississippi bis auf ein kleines Rinnsal versiegte. Vor dem amerikanischem Kongress wurde dieses auch von einigen Klimaforschern als Vorbote der globalen Erwärmung deklariert, obwohl die Mehrheit der Experten die Dürre als Folge eines besonders starken natürlichen El Nino Ereignisses erklärten, einer alle paar Jahre unregelmäßig auftretenden anomalen Erwärmung des östlichen Pazifiks. Die starken Überflutungen des Mississippi im Jahre 1993 unterstrichen dann die Gefährlichkeit, aus einzelnen kurzfristigen, regionalen Klimaanomalien auf eine langfristige globale Klimaänderung zu schließen.
Grundsätzlich ist ein eindeutiger Nachweis einer globalen Klimaänderung nur mit Hilfe global verteilter Messungen über lange Zeiträume möglich. Aus solchen Meßreihen hat man einen Anstieg der global gemittelten Temperatur der Erde um etwa 0,7 Grad Celsius in den letzten hundert Jahren ermittelt. Dieser Anstieg stimmt in der Größenordnung mit Modellrechnungen der Temperaturerhöhung infolge der bisherigen Zunahme der Treibhausgase überein. Er liegt aber auch noch im Bereich der natürlichen Klimaschwankungen und kann daher noch nicht mit Sicherheit auf menschliche Einwirkungen zurückgeführt werden. Auf alle Fälle kann der geringfügige bisherige globale Temperaturanstieg von weniger als einem Grad nicht überzeugend in kausale Verbindung zu extremen lokalen Temperaturanomalien in der Größenordnung von 5 Grad gebracht werden. Es ist höchsten durch eine leichte Anhebung der mittleren Referenztemperatur eine geringfügige Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens solcher extremen Hochtemperaturereignissen zu erwarten. Die Schwierigkeit, Trends aus einzelnen Anomalien abzuleiten zu wollen wird jeder verstehen, der einmal versucht hat, am Strand aus den Auflaufhöhen einzelner Wellen zu entscheiden, ob gerade Ebbe oder Flut ist. Ein Pegel, der den Wasserstand mittelt, gibt hierüber wesentlich schneller Auskunft als eine Betrachtung einzelner Wellen.
Es ist gelegentlich spekuliert worden, daß eine globale Erwärmung nicht nur zum vermehrten Auftreten von hohen Temperaturen durch die Anhebung des Mittelwertes führen würde, sondern auch zu einer Erhöhung der Schwankungsamplituden der Klimaanomalien an sich führen würde, daß also mit vermehrten Stürme, Überschwemmungen und anderen Katastrophen zu rechnen sei. Diese Vermutungen sind von Modellrechnungen bisher nicht bestätigt, aber auch nicht eindeutig widerlegt worden. Die Auflösungen der Modelle reichte bisher nicht aus, um hierzu zuverlässige Prognosen zu erstellen. Mit dem neuen Cray Superrechner C916 hofft man, diese Fragen zuverlässiger beantworten zu können.
Zusammenfassend ist also festzustellen: weder die Beobachtungen noch die bisher durchgeführten Modellrechnungen lassen den Schluß zu, daß der Rekordsommer '94 in Europa ursächlich auf die globale Erwärmung zurückzuführen ist.
Die aktuelle wissenschaftliche Diskussion über die Frage, ob wir die heute noch relativ kleine anthropogene Klimaänderung bereits feststellen können - wir liegen dicht an der Grenze des Nachweises, der aber nur an langen globalen Datenzeitreihen, nicht an regionalen Einzelereignissen zu führen sein wird - sollte nicht von der Auseinandersetzung mit den Folgen der wesentlich größeren globalen Erwärmung ablenken, die uns nach den vorliegenden Modellrechungen im nächsten Jahrhundert bevorsteht. Bei einem unverminderten Zuwachs der Treibhausgasemissionen wird eine globale Erwärmung von etwa 3 Grad Celsius gegen Ende des 21. Jahrhunderts prognostiziert. Ungewöhnlich heiße Sommer werden dann zur Norm, und es ist mit großen Verschiebungen der Klimazonen der Erde zu rechnen.
Eine zuverlässige Prognose der zu erwartenden regionalen und jahreszeitlichen Klimaänderungen - einschließlich der für die Lebensbedingungen des Menschen besonders wichtigen Verschiebungen in den Häufigkeiten von extremen Ereignissen - kann nur mit Hilfe aufwendiger Rechnungen mit komplexen Klimamodellen erstellt werden. Derartige Rechnungen können nur an wenigen Forschungsinstitutionen, die über die notwendigen leistungsfähigen Supercomputer verfügen, durchgeführt werden. Am DKRZ wurde der wohl bisher umfangsreichste Satz solcher Computersimulationen erstellt. Aber auch in diesen Rechnungen war die räumliche Auflösung bei etwa 500 km noch nicht ausreichend, um z.B. eine veränderte Häufigkeit von Stürmen oder Dürreperioden zuverlässig vorauszusagen.
Mit der neuen Großrechenanlage am DKRZ, die am 16.9.94 offiziell eingeweiht wird, wird es möglich sein, die künftige Entwicklung des Klimas mit höherer räumlicher Auflösung zu berechnen. Aus solchen Simulationen wird man dann insbesondere auch die Änderungen der Häufigkeiten von extremen Ereignissen zuverlässiger ermitteln und somit besser beurteilen können, wann in der Zukunft die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Hitzewelle sich signifikant erhöht haben wird.
Abbildungen:
Die Abbildungen geben an, was in den Klimasimulationen am DKRZ für Mitteleuropa vorhergesagt wird und ab wann man erwarten kann, den anthropogenen Treibhauseffekt global eindeutig zu erkennen:
Abbildung 1: Die Temperatur der bodennahen Luftschichten über Mitteleuropa für jeden Monat, ihre Veränderung und ihre doppelte Standardabweichung (als Maß der Variabilität) bei einer Verdopplung bzw. Verdreifachung der CO2 Konzentration in der Atmosphäre. Diese Werte wurden in sogenannten Zeitscheibenexperimenten mit der für Klimaänderungssimulationen hohen Auflösung von ca. 250 km für einen Zeitraum von 30 Jahren berechnet. Man erkennt deutlich einen allgemeinen Anstieg der Temperatur bei einer Zunahme der Treibhausgase, besonders extrem im Sommer bei einer CO2 Verdreifachung. Die Temperatur der Klimaänderung liegt signifikant über der heutigen Temperatur, jedoch kann keine eindeutige Änderung der Standardabweichung und damit der Variabilität nachgewiesen werden.
Abbildung 2: Die monatsweise gemittelte tägliche Minimal- und Maximaltemperatur und ihre Veränderungen in den bodennahen Luftschichten über Mitteleuropa, simuliert in den Zeitscheibenrechnungen. Neben der allgemeinen Zunahme der Minimum- und Maximumtemperatur erkennt man, daß bei einer Verdreifachung der CO2 Konzentration der Minimum- Maximumunterschied (d. h. der Tag-Nachtunterschied) im Sommer zu- und im Winter abnimmt.
Abbildung 3: Die jahreszeitlichen Mittelwerte des Niederschlages und seiner Intensität, sowie die Anzahl der trockenen Tage und die Länge von Trockenheitsperioden, simuliert in den Zeitscheibenrechnungen für das heutige Klima (Säule 1), bei einer Verdopplung (Säule 2) bzw. Verdreifachung (Säule 3) der CO2 Konzentration in der Atmosphäre, jeweils für Mitteleuropa. Man erkennt in allen Jahreszeiten bis auf den Winter eine Abnahme der Niederschläge bei zunehmender CO2 Konzentration bei einer gleichzeitigen leichten Zunahme der Starkregenereignisse. Die Anzahl der trockenen Tage wächst im Jahresmittel an, wobei die längeren Trockenperioden besonders stark zunehmen.
Abbildung 4: Die zeitliche Entwicklung der gemittelten bodennahen Lufttemperatur in einem 150 Jahres Experiment mit dem Hamburger Modell (EIN) für das IPCC 1990 Szenarium A ("business as usual"). Die Änderungen sind relativ zu den Jahren 1951-1980 berechnet worden. Die schattierte Fläche gibt die Variabilität der Simulation wieder. Das Klimaänderungssignal kann eindeutig vom Rauschen getrennt werden, wenn die schattierten Flächen von der Kontrollsimulation und dem Klimaänderungsexperiment auseinanderlaufen (etwa im Jahre 2020). Ebenfalls eingezeichnet: Die beobachtete Klimaänderung (grüne Kurve), die sich innerhalb der Variabilität des Klimamodelles bewegt. Dieses zeigt, daß das Hamburger Klimamodell das heutige Klima realistisch simuliert.
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http://www.umwelt.de/wissen/landwirtschaft/klima/welcome.html
Die Emissionen von Treibhausgasen entstehen zu 50 Prozent beim
Verbrauch fossiler Energieträger bei der Energieerzeugung in
Industrie, Haushalten und beim Verkehr, zu 20 Prozent durch die
Produktion und den Verbrauch der FCKW, zu 15 Prozent durch die
Brandrodung und Vernichtung der Tropenwälder und zu 15 Prozent in
der Landwirtschaft (vergl. Abb. 1). Die Landwirtschaft trägt somit
nicht nur zu zahlreichen regionalen Umweltbelastungen und -schäden
bei, sondern ist zugleich wesentlicher Mitverursacher der globalen
Klimaänderung. Die zunehmende Intensivierung, Spezialisierung und
Mechanisierung erfordern einen erheblich steigenden
Betriebsmitteleinsatz im Pflanzenbau und in der Tierhaltung. Besonders
deutlich wird dies in dem drastischen Anstieg der mineralischen
Stickstoffdüngung und in der zunehmenden Konzentration in der
Massentierhaltung, die zu einer Gülledüngung führt, die
eher einer Abfallbeseitigung gleichkommt. Vor allem Methan (CH4),
Distickstoffoxid (N2O), Kohlendioxid (CO2) und Ammoniak (NH3) werden in
der Landwirtschaft freigesetzt.
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Niedersachsen hat im März ein Handlungsprogramm vorgestellt, daß helfen soll, die Belastung der Natur durch stickstoffhaltige Verbindungen zu mindern. Das Programm war von einer Arbeitsgruppe der Umwelt- und der Agrarministerkonferenz unter Vorsitz Niedersachsens erstellt worden. Der Bericht schlüsselt nach Quellen" genau auf, welche Stickstoffverbindungen [Ammoniak, Nitrat, (Di-)Stickstoffoxid(e)] diese freisetzen und wie hoch ihr Anteil am Gesamtausstoß ist. Ein eigenes Kapitel des Programms versucht, die Umweltschäden infolge der Emissionen in DM auszudrücken. Nach Erhebungen aus dem Jahr 1995 beträgt der jährliche Eintrag an reinem Stickstoff über die Atmosphäre und die Hydrosphäre 2,75 Millionen Tonnen. Den größten Anteil hieran hat mit 48,3 Prozent die Landwirtschaft, gefolgt von Verkehr (21,6 Prozent), Ernährung und Abwasser (17,2 Prozent) sowie Energiewirtschaft, Industrie und unser Heizbedarf (12,9 Prozent). Die meisten Handlungsvorgaben für die Landwirtschaft sind nach Ansicht der Arbeitsgruppe bereits in der Düngeverordnung enthalten, welche es noch konsequent umzusetzen gilt. Es geht hauptsächlich darum, bedarfsgerecht zu füttern und zu düngen, Dünger gezielt auszubringen und überschüssige Gülle abzudecken bzw. für die Biogaserzeugung zu nutzen. Darüber hinaus empfiehlt die Arbeitsgruppe, sog. Nitrifikationshemmer einzusetzen, die verhindern, daß Bakterien organisches Material zu Nitrit und Nitrat oxidieren. Insgesamt ließen sich so 23 Prozent der Stickstoffverluste aus der Landwirtschaft vermeiden. Langfristig können diese Ziele jedoch nur eingehalten werden, wenn der Viehbestand aufgrund geringerer Nachfrage gesenkt wer-den kann. Dem Vorschlag der Umweltministerkonferenz, das Besteuerungssystem in der Landwirtschaft zu reformieren und eine Düngemittelabgabe zu erheben, wollte die Agrarministerkonferenz nicht zustimmen.
Bei Industrieanlagen und Energieversorgern, welche die gesetzlichen Regelungen bereits weitestgehend umgesetzt haben, läßt der hohe technische Stand kaum noch Minderungspotential offen. Weitere Maßnahmen wären hier so teuer, daß sie erst sinnvoll wären, wenn in den anderen Problembereichen ein ähnliches Niveau erreicht würde. Im Bereich Verkehr setzt das Programm neben sauberen Antriebstechniken (Gas- und Elektromotoren) darauf, die Mineralölsteuer langfristig zu erhöhen und verkehrsfördernde Regelungen wie Stellplatzverpflichtung und Parkplatzsubventionen abzubauen. Wird der Maßnahmenkatalog vollständig umgesetzt, erwarten die Minister mittelfristig einen Rückgang der luft- bzw. wassergetragenen N-Emissionen um 40 bzw. 27 Prozent. Das entspricht einem Gesamtminderungspotential von 35 Prozent (960 kt). Langfristige Minderungsziele von 60 bis 80 Prozent, wie sie Experten fordern, sind mit diesen Maßnahmen allein aber nicht zu erreichen. Da rund 60 Prozent der Stickstoffemissionen über den Luftpfad in die Umwelt gelangen, ist es besonders wichtig, gesamteuropäische Handlungskonzepte zu verwirklichen. (sch)
Das 140seitige N-Minderungsprogramm erhalten Sie gegen 3 DM bei: Niedersächsisches Umweltministerium, Herr Dr. Neidhart, Archivstr. 2, 30169 Hannover, Fon 0511/120-3214.
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Dieser Artikel erschien in den physikalischen Blättern.
Phys. Bl.51 (1995) Nr.4 0031-9279/95/0404-0269-$5.00+.25/0
Copyright VCH, D-69451 Weinheim, 1995
Erreichtes und Probleme bei der Vorhersage und dem Nachweis anthropogener Klimaänderungen mit globalen Klimamodellen
U. Cubasch, B. D. Santer und G. C. Hegerl
Am 20. Februar 1995 meldeten es alle Nachrichtenagenturen: Mit 95prozentiger
Wahrscheinlichkeit ist die in den Klimabeobachtungen verzeichnete globale Erwärmung
um 0,7 Grad Celsius seit Beginn der Industrialisierung anthropogenen Ursprungs. Dieses
Ergebnis einer komplexen Analyse von Klimamodellrechnungen am Deutschen Klimarechenzentrum
in Hamburg gab dessen Direktor Klaus Hasselmann an diesem Tag der Bundesregierung bekannt.
Der folgende Beitrag von Mitarbeitern dieses Zentrums ist eine kritische Analyse der
Methodik von Klimasimultationsrechnungen. Er beschreibt, wie man mit Hilfe von gekoppelten
Ozean-Atmosphäre-Modellen zu einer solchen Aussage gelangt, welche Probleme dabei
auftreten und wo die Grenzen der heutigen Modelle liegen.
Den ausfürlichen Beitrag können Sie lesen unter der URL
http://www.dkrz.de/dkrz/publikationen/klimamodelle/physbl_1.html
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Abstract. Climate research relies on compute and data intensive simulations which have become possible during the recent decades due to the tremendous improvements in high performance computer systems and data storage facilities. Climate simulations belong to the class of Grand Challenge Problems; as such, climate research to the extent that it is based on climate simulations is currently limited by compute power and data management capabilities of available computer systems.
The physical climate system is described by the dynamics of its subsystems and the coupling between them: Atmosphere, ocean, cryosphere, land masses and the biosphere. The most compute intensive part is the modelling of the atmosphere and the ocean which is based on the Navier-Stokes equations, thermodynamics and state equations; the effect of the solar radiation is treated by radiative transfer equations. Basically the atmosphere in a climate model is handled in the same way as it is in a weather forecast model. In a weather forecast model only the variables which describe the development of the atmosphere are predicted and the variables describing the remaining slow subsystems of the climate system are considered to be externally prescribed boundary conditions. In a fully developed climate model the variables of all subsystems need to be predicted as well as the interaction between the subsystems. Climate simulations are extended over periods ranging from a year to many millennia depending on the problem under investigation.
Due to the long integration periods the spatial resolution of climate models currently is relatively poor when compared to weather forecast models. However, a spatial resolution comparable to that used in weather predictions is needed for climate models if statistics of extreme events like hurricanes or severe storm surges are to be extracted from climate simulations. Additional requirements for compute power will arise from the inclusion of bio-geochemical tracers in the climate models and the demand for ensemble predictions.
Since the amount of data created in simulations increases nearly linearly with the available compute power huge quantities of data need to be handled; the amount of data generated from simulations and stored for further investigation for a period of 3 to 5 years is expected to grow during the next decade to about a petabyte at DKRZ. Current hardware and software technology is capable of storing this amount of data; however, the efficient retrieval of the relevant data for further investigations is an yet unsolved problem.
1 Introduction
2 Climate Modelling
Der ausführliche Artikel ist nachzulesen unter der URL:
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