Die holozäne Temperatur- und Niederschlagsvariabilität in Europa

1. Die holozäne Temperatur- und Niederschlagsvariabilität in Europa (Quelle: NASA)

2. Programm • Motivation • Grundlagen • Stand des Wissens • Holozäne Temperaturvariabilität Europas • Holozäne Niederschlagsvariabilität Europas • 4. Mögliche Ursachen der Variabilität

3. 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

4. 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)

5. 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)

6. Zusammenhang zwischen Niederschlag und Temperatur - Transport latenter Wärme • mehr Niederschlag höhere Temperatur • aber: Umkehrschluss • höhere Temperatur gesteigerte Verdunstung mehr Niederschlag • im allgemeinen noch nicht gezeigt Wärmeaufnahme Wärmeabgabe Verdampfungsenthalpie von Wasser: ~2450kJ/kg Bei 800mm Jahresnieder- schlag entspricht das: • ~2GJ/(qm*y) • ~ 60W/qm

7. Messreihen Anforderungen: • 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 • 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

8. Räumliche Temperaturvariabilität in Europa (Quelle: Sweklim) Jahresmitteltemperaturen gemittelt über die WMO-Standardperiode 1961-1990

9. Räumliche Jahresniederschlagsvariabilität in Europa (Quelle: IIASA) Jahresniederschläge gemittelt über die WMO-Standardperiode 1961-1990

10. Verlängerung der Messreihen • 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: • Eisbohrkerne • Baumringdicken • Baumgrenzen • Sedimente • Grundwasser • Stalagmiten • Seespiegel und viele mehr … Eisbohrkern (Quelle: L. Augustin) Sedimentkerne (Quelle: Pier der Wissenschaft)

11. 3. Stand des WissensHolozäne Temperaturvariabilität in EuropaHolozäne Temperaturvariabilität der Nordhemisphäre

12. Vergleich mit den Temperaturvariationen vor dem Holozän wärmer kälter • weit geringere Temperaturschwankungen im Holozän als in der Zeit davor • hohe Anforderung an zeitliche Auflösung von Proxy-Daten

13. 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

14. Temperaturtrend pro Dekade gemittelt über die Periode von 1851-1991, auf Monate aufgeschlüsselt (Quelle: Balling et al.)

15. Holozäne Niederschlagsvariabilität in Europa Baumringe (Schweiz) Eisbohrkern (Grönland) Seeleveländerungen (Polen) Pollen aus Sedimenten (österr. und schweiz. Alpen) Sedimentationraten (Deutschland) 2000BP 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 BP • 10500-13000BP 11000BP (Quelle: Haas et al. und Zolitschka 1998)

16. Vergleich mit einer anderen Niederschlagsstudie Phasen höhere Seespiegel in Mitteleuropa Trockenphasen in Südspanien von Eisbergen transportierter Gletscherschutt im N-Atlantik Winterniederschlag in Westnorwegen 0BP 11000BP (Quelle: Magny et al.) kalt/trocken warm/feucht nach Norden nach Süden

17. Niederschlagstrends in holozänen Kältephasen Grenzen des niederschlagsreicheren Bereichs während schwächerer Kältephasen Feuchterer Bereich beim 8,2k Event (Quelle: Magny et al.) • Variation der niederschlagsreichen Zone wahrscheinlich Ergebnis von wechselnder Stärke der Westlagen (Änderungen im Temperaturgradienten zwischen hohen und niederen Breiten)

18. Flächengemittelte Niederschlagsaufzeichnungen Deutschlands (Quelle: Schönwiese und Trömel)

19. 4. Ursachen der Klimaschwankungen im Holozän

20. Variabilität der Sonnenaktivität • Zusammenhang zwischen Temperaturschwankungen und Variabilität der • Sonnenaktivität • Effekte der Variationen alleine zu schwach • Verstärkung dieser Effekte durch Klimasystem

21. Thermohaline Zirkulation (THZ)Strahlungsbilanz • Strahlungsbilanz erfordert Wärmetransport nach Norden, dort Wärmeabgabe an die Atmosphäre • Wärmetransport von 1,2 PW im Atlantik nach Norden (deutsche Kraftwerke: 122 GW) • Massenbilanz erfordert Rückströmung nach Süden Tiefenwasserbildung (Quelle: Bundesministerium für Umwelt)

22. Tiefenwasserbildung im Nordatlantik (Quelle: Rick Williams) • 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

23. Hysteresisverhalten der THZ • mehr oder minder Starke Zirkulation • Zirkulation hört komplett auf • Verschiedene Gleichgewichtszustände der THZ: • 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. Atmosphäre Atmosphäre erwärmte Wasserschicht kühleres Wasser (Quelle: T.F. Stocker)

24. Mögliche Störungen der THZ im Holozän • 8,2ky Event: • Aufgestautes Schmelzwasser des restlichen kan. Eisschildes fließt in den NA ab • „leichtes“ Süßwasser verhindert Tiefenwasserbildung • Ende der THZ für mehrere hundert Jahre • 6ky Coldevent: • nicht durch Schmelzwasser erklärbar, Tiefensedimentkerne aber weisen auf verminderte Tiefenwasserbildung hin • Little Ice Age ?

25. North Atlantic Oscillation (NAO) (Quelle: Visbeck&Cullen, NOAA) NAO+ NAO- • stark neg. SST Anomalien vor Grönland und positive bei den Azoren • starkes Islandtief und Azorenhoch • positive SST Anomalien vor Grönland negative bei den Azoren • Druckzentren nicht voll entwickelt

26. NAO - Index NAO-Index = Differenz der normierten Luftdruckanomalien von Islandtief und Azorenhoch gemittelt über die Wintermonate (DJF)

27. NAO in der Vergangenheit

28. 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…)