Genauigkeit             von Schadstoff- und          Klimavorhersagemodellen                   Eberhard Schaller          ...
ProblemstellungDas Problem:1.Durch den natürlichen Treibhauseffekt ist die Temperaturin der Nähe der Erdoberfläche um 32 …...
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Ergebnisse: Klimaprojektion bis 2100 Klimaprojektionen für Brandenburg       IPCC-SRES-            Winter (DJF)     Sommer...
SchadstoffmodellierungLuftqualitäts (Schadstoff-)modelle  benötigen ein Wettervorhersage-/Klimamodell, um diezeitliche Ent...
Schadstoffmodellierung                         Ozonkonzentration                         über Europa                      ...
Schadstoffmodellierung                         Ozonkonzentration                         über Europa                      ...
Schadstoffmodellierung Sie sehen                                    Ozonkonzentration - den Tagesgang des Ozons           ...
Zusammenfassung                     Zusammenfassung1.Durch die Kombination von globalen und regionalen Klima-modellen sind...
Zusammenfassung, Fortsetzung                               Zusammenfassung5.Luftqualitätsmodelle kombinieren ein Wettervor...
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Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100                                           aus: Summary for policy makers, IPCC (2...
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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 Klimavorhersagemodellen

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Genauigkeit von Schadstoff- und Klimavorhersagemodellen (Prof. Dr. Eberhard Schaller)

  1. 1. Genauigkeit von Schadstoff- und Klimavorhersagemodellen Eberhard Schaller LS Umweltmeteorologie BTU CottbusVortrag»Thema« Gliederung: 1.Klimamodellierung 2.Klimaprojektionen bis 2100 3.Modellierung der Luftqualität
  2. 2. ProblemstellungDas Problem:1.Durch den natürlichen Treibhauseffekt ist die Temperaturin 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. 2
  3. 3. Problemstellung 400 heute 375 88 % Emissionen ppm(v) 350 12 % Landnutzung 325 Attraktor CO2 volume mixing ratio „ Klimaoptimum“ 300 Attraktor „Eiszeit“ 1.9 130.78 275 4.67 12.64 4.67 250 104.1 225 200 40.16 42.44 175 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Temperature (difference to preindustrial level) K 3
  4. 4. Problemstellung Zeit Beobachtung, Simulation heute Simulation 51.0 50.5 50.0 49.5 Latitude oN 49.0 48.5 48.0 Hohenpeissenberg 47.5 47.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 unabhängig von den Beobachtungen Longitude oE 4
  5. 5. KlimamodellierungKlimamodelle benutzen die Erhaltungsprinzipien der Physik (für Masse,Impuls und Energie) und haben somit eine exzellentetheoretische Grundlage, können Erhaltungsprinzipen nur näherungsweise lösen, können global nur mit einer räumlichen Auflösung von innaher Zukunft bestenfalls 100 km gerechnet werden, d.h. einWert pro 10.000 km2 pro Klimaelement (Temperatur,Niederschlag, Luftfeuchte, … ), können in der Auflösung verfeinert (‚ regionalisiert‘ werden )Ødurch ‚ Ausschnittsmodell‘ ,Ømit Hilfe statistischer Verfahren. 5
  6. 6. Klimamodellierung Eingabeparameter Beobachtungenextraterrestrische solare Strahlung Zeitreihen (Tagesmittelwerte) anLand-Wasser-Verteilung Stationen (lokal)OberflächeneigenschaftenAnfangswerteTreibhausgaskonzentrationen Globales Klimamodell Klimaparameter (prozessbeschreibend wegen Zeitreihen (Tagesmittelwerte), Erhaltungsprinzipien für Masse, räumliche Auflösung >100 km2 Impuls und Energie)Klimaparameter, abgeleitete regionales Klimamodell Größen (z.B. Strahlungs- (prozessbeschreibend wegen antrieb) Randwerte Erhaltungsprinzipien für Masse,Zeitreihen (Tagesmittelwerte), Impuls und Energie)räumliche Auflösung >10.000 km2 6
  7. 7. Ergebnisse: Gegenwartsklima 20 Lindenberg, 1960-2000 Observations 18 CLM - C20-1 CLM - C20-2 16 CLM - C20-3 REMO - C20-1 REMO - C20-2 14oC 12 Average Temperature 10 8 6 4 2 Lindenberg, 1960-2000, bias corr. Obse rvations CLM - C20-3 0 CLM - C20-1 REM O - C20-1 CLM - C20-2 REM O - C20-2 -2 JAN FEB M AR APR M AY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC AMON ANN 7
  8. 8. Ergebnisse: Gegenwartsklima 100 70 1000 700 Lindenberg, 1960-2000 Obse rvations 90 CLM - C20-1 900 60 CLM - C20-2 600 CLM - C20-3 80 REM O - C20-1 800 50 70 500 700 Precipitation mm/month Precipitation mm/year Precipitation 60 600 40 400 50 500 30 300 40 400 30 20 300 200 20 200 10 100 Linde nberg, 1960-2000, bias corr. 10 Observations CLM - C20-2 REM O - C20-1 100 CLM - C20-1 CLM - C20-3 0 0 JAN FEB M AR APR M AY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC ANN 8
  9. 9. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 10.0 (industrial) C-Emission scenario 9.5 A1B EIA: real world A2 ORNL: real world 9.0 B1 EIA: Kyoto target Gt C/yr B2 ORNL: Kyoto target 8.5 8.0 (industrial) CO2 emissions 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 96 98 00 02 04 06 08 10 12 82 84 86 88 90 92 94 08 19 19 20 20 20 20 20 20 20 19 19 19 19 19 19 19 19 Year 9
  10. 10. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 30 Scenario 28 A1B A2 26 B1 B2 24 RCP-4.5 Gt C/yr RCP-8.5 22 20 (total) CO2 emissions 18 16 14 12 10 8 6 4 30 40 50 70 80 00 90 00 10 20 60 90 8 0 20 20 20 20 20 21 19 20 20 20 20 20 19 Year 10
  11. 11. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100Globaler Strahlungsantrieb 11
  12. 12. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 CH4 Strahlungsantrieb, W/qm 2000 2100 3.5 2050 3 N2O 2.5 RCP 4.5 2 1.5 1 0.5 W/m2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 CO2 Kyoto M ontreal 12
  13. 13. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 CH4 Strahlungsantrieb, W/qm 2000 2100 2050 0.6 N2O RCP 4.5 0.4 0.2 W/m2 0 0.2 0.4 0.6 CO2 Kyoto M ontreal 13
  14. 14. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 CLM REMO 0,165o x 0,165o, ca. (18 x 18) km2 0,088o x 0,088o, ca. (10 x 10) km2 106 Gitterpunkte 303 Gitterpunkte
  15. 15. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 4.5K Lindenberg, Temperature (2 m), bias corr. CLM - A1B-1 REMO - A1B-2Temperature, decadal average, diff. to 1961-90 mean 4.0 CLM - A1B-2 A1B average REMO - A1B-1 A1B bias 3.5 3.0 ~1 K 2.5 2.0 1.5 1.0 Signal/Rauschen = 1 0.5 0.0 -0.5 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 2005 2015 2025 2035 2045 2055 2065 2075 2085 2095
  16. 16. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 4.5K Lindenberg, Temperature (2 m), bias corr. CLM - A1B-1 A1B averageTemperature, decadal average, diff. to 1961-90 mean 4.0 CLM - A1B-2 CLM - B1-1 REMO - A1B-1 CLM - B1-2 3.5 REMO - A1B-2 REMO - B1-1 ~1 K 3.0 2.5 2.0 1.5 ~1 K 1.0 0.5 0.0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 2005 2015 2025 2035 2045 2055 2065 2075 2085 2095
  17. 17. Ergebnisse: Klimaprojektion bis 2100 Klimaprojektionen für Brandenburg IPCC-SRES- Winter (DJF) Sommer (JJA) Jahr Emissionsprojektion 2036 - 2065 2036 - 2065 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) IPCC-SRES- Winter (DJF) Sommer (JJA) Jahr Emissionsprojektion 2036 - 2065 2036 - 2065 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) 17
  18. 18. SchadstoffmodellierungLuftqualitäts (Schadstoff-)modelle benötigen ein Wettervorhersage-/Klimamodell, um diezeitliche Entwicklung der Klimaparameter zu simulieren, verwenden zusätzlich das Prinzip der Massenerhaltung fürjeden betrachteten Schadstoff, benötigen Emissionskataster für jeden Schadstoff, benötigen Reaktionsmechanismus für chemisch reaktiveSchadstoffe, enthalten ‚ eine Näherungslösung der Erhaltungssätze, nur‘ können global über längere Zeiträume nur mit einer räumlichen Auf-lösung von bestenfalls 100 km gerechnet werden, d.h. ein Wert pro10.000 km 2 pro Klimaelement (Temperatur, Niederschlag, … ), können (entweder durch ein ‚ Ausschnittsmodell‘ oder mit Hilfe statis-tischer Verfahren) in der Auflösung verfeinert (‚ regionalisiert‘ werden. ) 18
  19. 19. Schadstoffmodellierung Ozonkonzentration über Europa 10.09.1999, 12 Z 19
  20. 20. Schadstoffmodellierung Ozonkonzentration über Europa 20.09.1999, 12 Z 20
  21. 21. Schadstoffmodellierung Sie sehen Ozonkonzentration - den Tagesgang des Ozons über Europa - die Abhängigkeit von der Wetterlage 01.08. –31.08.1999 - Transporte im Zusammenhang mit Hochs und Tiefs Zeitintervall: 3 Std., d.h. 8 Bilder pro Tag 21
  22. 22. Zusammenfassung Zusammenfassung1.Durch die Kombination von globalen und regionalen Klima-modellen sind Klimaprojektionen bis 2100 mit guter räumlicherAuflösung (gegenwärtig minimal 10 km) möglich2.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. 22
  23. 23. Zusammenfassung, Fortsetzung Zusammenfassung5.Luftqualitätsmodelle kombinieren ein Wettervorhersage-/Klima-modell mit einem Reaktionsschema für die in der Atmosphäreablaufenden chemischen Reaktionen; sie benötigen zusätzlich(mehrere) Emissionskataster 23
  24. 24. 24
  25. 25. Ergebnisse: Klimaprojektion(en) bis 2100 aus: Summary for policy makers, IPCC (2007)

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