genauigkeit von schadstoff- und klimavorhersagemodellen (prof. dr. eberhard schaller)
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Vortrag von Prof. Dr. Eberhard Schaller von der TU Cottbus zur Genauigkeit von Schadstoff- und KlimavorhersagemodellenTRANSCRIPT
Vortrag»Thema«
Genauigkeit von Schadstoff- und
KlimavorhersagemodellenEberhard Schaller
LS UmweltmeteorologieBTU Cottbus
Gliederung:
1.Klimamodellierung
2.Klimaprojektionen bis 2100
3.Modellierung der Luftqualität
2
Problemstellung
Das Problem:1.Durch den natürlichen Treibhauseffekt ist die Temperatur in der Nähe der Erdoberfläche um 32 … 33 Grad erhöht.
2.Durch menschliche Aktivitäten, nämlich durch
Emission von strahlungsaktiven Substanzen,
Landnutzung,
wird der Treibhauseffekt messbar beeinflusst.
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Temperature (difference to preindustrial level) K
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
CO
2 vo
lum
e m
ixin
g r
atio
p
pm
(v)
1.9
4.67
12.64
40.16
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Temperature (difference to preindustrial level) K
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
CO
2 vo
lum
e m
ixin
g r
atio
p
pm
(v)
1.9
4.6712.64
40.1642.44
104.1
130.78
3
Problemstellung
-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Temperature (difference to preindustrial level) K
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
CO
2 vo
lum
e m
ixin
g r
atio
p
pm
(v)
1.9
4.6712.64
40.1642.44
104.1
130.78
heute
Attraktor„Klimaoptimum“
Attraktor„Eiszeit“
88 % Emissionen12 % Landnutzung
4
Problemstellung
Zeit
heuteBeobachtung, Simulation Simulation
8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0
Longitude oE
47.0
47.5
48.0
48.5
49.0
49.5
50.0
50.5
51.0
Lat
itu
de
oN
Hohenpeissenberg
unabhängig von den Beobachtungen
5
Klimamodellierung
Klimamodellebenutzen die Erhaltungsprinzipien der Physik (für Masse,
Impuls und Energie) und haben somit eine exzellente theoretische Grundlage,
können Erhaltungsprinzipen nur näherungsweise lösen,
können global nur mit einer räumlichen Auflösung von in naher Zukunft bestenfalls 100 km gerechnet werden, d.h. ein Wert pro 10.000 km2 pro Klimaelement (Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchte, … ),
können in der Auflösung verfeinert (‚regionalisiert‘) werden
Ødurch ‚Ausschnittsmodell‘,
Ømit Hilfe statistischer Verfahren.
6
Klimamodellierung
Globales Klimamodell (prozessbeschreibend wegen
Erhaltungsprinzipien für Masse, Impuls und Energie)
regionales Klimamodell(prozessbeschreibend wegen
Erhaltungsprinzipien für Masse, Impuls und Energie)
Eingabeparameterextraterrestrische solare StrahlungLand-Wasser-VerteilungOberflächeneigenschaftenAnfangswerteTreibhausgaskonzentrationen
Klimaparameter, abgeleitete Größen (z.B. Strahlungs-
antrieb)Zeitreihen (Tagesmittelwerte), räumliche Auflösung >10.000 km2
BeobachtungenZeitreihen (Tagesmittelwerte) an
Stationen (lokal)
KlimaparameterZeitreihen (Tagesmittelwerte), räumliche Auflösung >100 km2
Randwerte
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC AMON-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20A
vera
ge
Tem
per
atu
re
oC
Lindenberg, 1960-2000, bias corr.ObservationsCLM - C20-1CLM - C20-2
CLM - C20-3REMO - C20-1REMO - C20-2
7JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20A
vera
ge
Tem
per
atu
re
oC
Lindenberg, 1960-2000ObservationsCLM - C20-1CLM - C20-2CLM - C20-3REMO - C20-1REMO - C20-2
Ergebnisse: Gegenwartsklima
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN0
10
20
30
40
50
60
70P
reci
pit
atio
n
mm
/mo
nth
0
100
200
300
400
500
600
700
Precip
itation
mm
/year
Lindenberg, 1960-2000, bias corr.ObservationsCLM - C20-1
CLM - C20-2CLM - C20-3
REMO - C20-1
JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100P
reci
pit
atio
n
mm
/mo
nth
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Precip
itation
mm
/year
Lindenberg, 1960-2000ObservationsCLM - C20-1CLM - C20-2CLM - C20-3REMO - C20-1
8
Ergebnisse: Gegenwartsklima
1980
1982
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
Year
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
(in
du
stri
al)
CO
2 em
issi
on
s
Gt
C/y
r(industrial) C-Emission scenario
A1BA2B1B2
EIA: real worldORNL: real worldEIA: Kyoto targetORNL: Kyoto target
9
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
1980
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
2060
2070
2080
2090
2100
Year
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
(to
tal)
CO
2 e
mis
sio
ns
G
t C
/yr
ScenarioA1BA2B1B2RCP-4.5RCP-8.5
10
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
11
Globaler Strahlungsantrieb
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
12
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
CO2
CH4
N2O
Kyoto
Montreal
3.5
3.5
3
3
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
10.5
0.50
Strahlungsantrieb, W/qm20002050
2100
W/m2
RCP 4.5
13
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
CO2
CH4
N2O
Kyoto
Montreal
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.20
Strahlungsantrieb, W/qm20002050
2100
RCP 4.5
W/m2
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
CLM0,165o x 0,165o, ca. (18 x 18) km2
106 Gitterpunkte
REMO0,088o x 0,088o, ca. (10 x 10) km2
303 Gitterpunkte
20002005
20102015
20202025
20302035
20402045
20502055
20602065
20702075
20802085
20902095
2100-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Te
mp
era
ture
, d
ec
ad
al
av
era
ge
, d
iff.
to
19
61
-90
me
an
KLindenberg, Temperature (2 m), bias corr.
CLM - A1B-1CLM - A1B-2REMO - A1B-1
REMO - A1B-2A1B averageA1B bias
~1 K
Signal/Rauschen = 1
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
20002005
20102015
20202025
20302035
20402045
20502055
20602065
20702075
20802085
20902095
21000.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
Te
mp
era
ture
, d
ec
ad
al
av
era
ge
, d
iff.
to
19
61
-90
me
an
KLindenberg, Temperature (2 m), bias corr.
CLM - A1B-1CLM - A1B-2REMO - A1B-1REMO - A1B-2
A1B averageCLM - B1-1CLM - B1-2REMO - B1-1
~1 K
~1 K
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100
17
Ergebnisse: Klimaprojektion bis 2100
IPCC-SRES-
Emissionsprojektion
Winter (DJF)
2036 - 2065
Sommer (JJA)
2036 - 2065
Jahr
2036 - 2065
A2 / A1B 2 … 8 % (4) -13 … -8 % (4) -2 … 3 % (4)
B1 -4 … 3 % (3) -5 … 1 % (3) -1 … 3 % (3)
2071 - 2100 2071 - 2100 2071 - 2100
A2 / A1B 13 … 17 % (4) -21 … -14 % (4) -2 … 3 % (4)
B1 8 … 11 % (3) -16 … -9 % (3) 1 … 3 % (3)
Klimaprojektionen für Brandenburg
IPCC-SRES-
Emissionsprojektion
Winter (DJF)
2036 - 2065
Sommer (JJA)
2036 - 2065
Jahr
2036 - 2065
A2 / A1B 1,8 … 3,2 K (5) 1,7 … 1,9 K (5) 1,6 … 2,3 K (5)
B1 1,3 … 1,6 K (3) 1,0 … 1,3 K (3) 1,0 … 1,4 K (3)
2071 - 2100 2071 - 2100 2071 - 2100
A2 / A1B 3,7 … 4,3 K (5) 2,9 … 3,3 K (5) 3,0 … 3,4 K (5)
B1 2,6 … 2,7 K (3) 1,9 … 2,2 K (3) 2,0 … 2,4 K (3)
18
Schadstoffmodellierung
Luftqualitäts (Schadstoff-)modellebenötigen ein Wettervorhersage-/Klimamodell, um die
zeitliche Entwicklung der Klimaparameter zu simulieren,
verwenden zusätzlich das Prinzip der Massenerhaltung für jeden betrachteten Schadstoff,
benötigen Emissionskataster für jeden Schadstoff,
benötigen Reaktionsmechanismus für chemisch reaktive Schadstoffe,
enthalten ‚nur‘eine Näherungslösung der Erhaltungssätze,
können global über längere Zeiträume nur mit einer räumlichen Auf-lösung von bestenfalls 100 km gerechnet werden, d.h. ein Wert pro 10.000 km2 pro Klimaelement (Temperatur, Niederschlag, … ),
können (entweder durch ein ‚Ausschnittsmodell‘oder mit Hilfe statis-tischer Verfahren) in der Auflösung verfeinert (‚regionalisiert‘) werden.
19
Schadstoffmodellierung
Ozonkonzentration über Europa10.09.1999, 12 Z
20
Schadstoffmodellierung
Ozonkonzentration über Europa20.09.1999, 12 Z
21
Schadstoffmodellierung
Ozonkonzentration über Europa01.08. –31.08.1999
Zeitintervall: 3 Std., d.h. 8 Bilder pro Tag
Sie sehen - den Tagesgang des Ozons- die Abhängigkeit von der Wetterlage- Transporte im Zusammenhang mit Hochs und
Tiefs
22
Zusammenfassung
Zusammenfassung1.Durch die Kombination von globalen und regionalen Klima-modellen sind Klimaprojektionen bis 2100 mit guter räumlicher Auflösung (gegenwärtig minimal 10 km) möglich
2.Zwei Ursachen für die Unsicherheit von Klimaprojektionen:Abschätzung des zukünftigen Verhalten der Menschen in Bezug auf die Emission von Treibhausgasen Unzulänglichkeiten bei den Klimamodellen
3. Unsicherheiten betragen bei einem noch kleinen Ensemble für die dekadischen Mittel der Temperatur ± 0,6 K, für den Nieder-schlag einige Prozent.
4. Der aus den anthropogenen Aktivitäten resultierende Strahlungs-antrieb von CO2 ist der dominierende direkte Effekt bei der Ver-änderung des Klimas.
23
Zusammenfassung, Fortsetzung
Zusammenfassung5.Luftqualitätsmodelle kombinieren ein Wettervorhersage-/Klima-modell mit einem Reaktionsschema für die in der Atmosphäre ablaufenden chemischen Reaktionen; sie benötigen zusätzlich (mehrere) Emissionskataster
24
aus: Summary for policy makers, IPCC (2007)
Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100