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Chemie-Klima-WechselwirkungenGeplanter Beitrag des ICG zum IPCC Report AR5

Martin Schultz, ICG-2

Kolloquium Energie & Umwelt, 22. September 2008

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Inhalt

• Vorbemerkungen: Klimawandel und das IPCC

• Chemie-Klima-Wechselwirkungen

• Chemie-Klima-Modellierung am ICG-2

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Earth‘s Global and Annual Mean Energy Balance(after Kiehl and Trenberth, 1997)

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Incoming SolarRadiation: 342 Wm-2

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Reflection at Gases,Aerosol, Clouds: 77 Wm-2

342

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Reflection at EarthSurface: 30 Wm-2

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77

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Absorption byAtmosphere: 67 Wm-2

342

30

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Absorption bySurface: 168 Wm-2

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67

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Thermals: 24 Wm-2

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168

77

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Evapotranspiration,Latent Heat: 78 Wm-2

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24

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168

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Longwave SurfaceRadiation: 390 Wm-2

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Atmospheric Window: 40 Wm-2

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Back Radiation: 324 Wm-2

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24

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168 78

350

40

Greenhouse

Gases 390

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Emission fromClouds: 30 Wm-2

342

24

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168 78Greenhouse

Gases

324

390

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Emission fromAtmosphere: 165 Wm-2

342

24

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168 78Greenhouse

Gases

324

390

350

30

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342

24

77

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168 78Greenhouse

Gases

324

390

350

30165

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342

24

77

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168 78Greenhouse

Gases

324

390

350

30165

235 Wm-2

total solarabsorption

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342

24

77

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168 78Greenhouse

Gases

324

390

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~65 Wm-2

natural greenhouseeffect

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342

24

77

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168 78

324

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2-8 Wm-2

anthropogenic radiativeforcing

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Greenhouse

Gases

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Historisch einmaliger Anstieg von Treibhausgas-Konzentrationen

IPCC, AR4

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In den letzten 600000 Jahren ist CO2 nie über 300 ppm hinausgekommen

(kyears)IPCC, AR4

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Anthropogener Einfluss

CO2

CH4

O3

CFCs

N2O

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Klimawandel ist beobachtbar

IPCC, AR4

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Polargebiete reagieren am stärksten

sea ice extent 09/12/2008

IPCC, AR4

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Können Modelle das Klima simulieren?

IPCC, AR4

IPCC, AR4

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Was passiert mit Treibhausgas-Emissionen?

CO2 „N2O“ „CH4“

IPCC, AR4

≈ 120 a ≈ 12 a ≈ 100-10000 a

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Das Intergovernmental Panel on Climate Change

• Wissenschaftliches Gremium („intergovernmental“)

• Geführt durch WMO und UNEP seit 1988

• Drei ArbeitsgruppenPhysical basisImpacts-adaptation-vulnerabilityMitigation of climate change

• Bislang vier umfassende Sachstandsberichte:Scientific Assessment of Climate change, 1990Climate Change 1995:The Science of Climate ChangeClimate Change 2001: The Scientific BasisClimate Change 2007: The Physical Science Basis

http://www.ipcc.ch

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Der IPCC Prozess

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Teil 2

Chemie-Klima-Wechselwirkungen

Was treibt den Klimawandel?

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Treibhausgase sind Spurengase

N2 O2 H2O CO2 N2OCH4

78%

20%

0,01-2% 0,038%1,8 ppm

= 0,0002%365 ppb

O3

~60 ppb

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Aerosol-Effekte

Moleküldichte in 4 km Höhe: ~ 1.8 · 1019 molec. cm-3

Aerosoldichte: max. 104 cm-3

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Einfluss von Sulfat-Aerosolen auf das Klima

Abschaltung aller SO2 Emissionen im Jahr 2000 führt zudeutlicher Erhöhung der bodennahen Temperatur

Brasseur&Röckner, 2005

In der Realität noch komplizierter aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Sulfat-Aerosolen mit elementarem/organischem Kohlenstoff, Nitrat, Ammonium, …

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Beispiel: Bedeutung der Atmosphärenchemie für Aerosoleigenschaften

Einfluss der Schwefelchemie (SO2 Oxidation) auf die Aerosol Optische Dichte

+ Bildung von Sulfat-Aerosol

- Ummantelung von Staubteilchen und organischen Aerosolen wasserunlöslich wasserlöslich (Umsatz: ca. 300 Tg/yr)

Pozzoli et al., 2008

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Weitere Beispiele von Chemie-Klima-Wechselwirkungen

• Einfluss von H2O auf OH• Einfluss von Treibhausgasen auf Ozon und Dynamik in

der Stratosphäre• Einfluss von H2O und Dynamik der UTLS auf troposphärisches

Ozon und Aerosole• Auswirkungen von Temperatur- und Niederschlagsänderungen auf

natürliche (und anthropogene) Emissionen (z.B. Feuer)• Auswirkungen von Temperatur- und Niederschlagsänderungen auf

Spurengasbudgets (Reaktionsraten, Deposition, Auswaschen)• Änderungen im Wasserkreislauf und Einfluss auf Gewitter (NOx

N-Kreislauf)• Änderungen des regionalen Klimas (Wetterlagen) und Einfluss auf

Luftverschmutzung (z.B. trockene, heisse Sommer)

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Teil 3

Chemie-Klima-Modellierungam ICG-2

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Wo gibt es Klimamodelle?

MPI-M: ECHAM5-OM

IPSL: CM4

UKMO: HadCM3GFDL: CM2

INM: CM3BCCR: BCM2

NASA: GISS

CCCMA: CGCM3

CNRM: CM3CSIRO: Mark 3.0

NCAR: CCSM3 BCC: CM1

LASG: FGOALS

MRI: CGCM 2.3.2

NIES/FRSCG: MIROC 3.2

AR4 models (http://www.ipcc-data.org)

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Vom Klimamodell zum Erdsystemmodell

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Das Erdsystemmodell ECHAM5-MPIOM-HAMMOZ3

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Geplante IPCC AR5 Simulationen

• Fokus auf dekadischen Szenarien (1970-2050)

• Erstmalig quasi-vollständige Einbeziehung von Atmosphärenchemie

• Zusammenarbeit mit dem MPI-M, Hamburg,ETH-Zürich und EPF Lausanne

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Neue Strategie für den 5. Assessment-Report – „Representative Concentration Pathways“ (RCPs)

Parallele Bearbeitung von Klimasimulationen, Emissionsszenarien, Handlungsoptionen

Je niedriger das angestrebte Konzentrationsniveau, desto eher müssen die Emissionen ihr Maximum erreichen!

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Strahlungsantrieb und CO2 Emissionen

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Definition der „Representative Concentration Pathways“

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Auswahl geeigneter RCPs und der dazugehörigen Emissionsszenarien

Szenarien müssen publiziert sein und genügend Details aufweisen (auch Luftschadstoffe)

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Kontrollmechanismen: Klimawandel - Luftverschmutzung

CO2 Emissionen Schwefel-Emissionen

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Emissionsszenarien: CH4

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Emissionsszenarien: Verkehr

CO

NOx

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IPCC Simulationen - Gesamtüberblick

„Spin-up“: ~1000 years MPI Hamburgcarbon cycle, ocean, prescribed chemistry

„Centennial“: 1850-2300 MPI Hamburgcarbon cycle, ocean, prescribed chemistry

„Decadal“: 1970-2050 FZ Jülichcarbon cycle, ocean, fully coupled chemistry

Sensitivity studies: to be determined

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Szenarien und geplante Läufe

carbon cycle and ocean spin-up (MPI Hamburg) 1000 yrs.

chemistry spin-up 100 yrs.

chemistry control run 100 yrs.

chemistry transient preindustrial-present (1850-2000) 150 yrs.

recent past (1970-2005) 5 35 yrs.

baseline („business as usual“, RPC8.5) (2000-2050) 5 50 yrs.

maximum feasible reduction (RPC2.9) (2000-2050) 5 50 yrs.

current legislation (RPC4.5 or RPC6) (2000-2050) 5 50 yrs.

total 1275 yrs.

Ensemble Rechnungen sind essentiell, um aussagekräftige Statistik zu erhalten.

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Verfeinerte Modellauflösung

1990 1995 2001 2009 2017(?)

Ozon-Simulation NRW, 8. August 2003 15:00 Uhr

EURAD-RM (5 km) MOZART (110 km)

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Infos zum Resourcenbedarf (JUMP Nachfolge)

Zeitschritt ca. 10 Minuten (gesamt: ~ 67 Mio. Zeitschritte)

1,5 Mio. Gitterzellen

ca. 1000 Gleichungen pro Zeitschritt und Gitterzelle

ca. 30 Mio CPU-h auf JUMP Nachfolgerechner

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Zusammenfassung

• Klimawandel ist Realität

• Modelle geben konsistente Prognosen ab, aber noch große Unsicherheiten

• Die größten Unsicherheiten (und spannendsten Fragen) liegen im Bereich Chemie-Klima-Wechselwirkungen

• Jülich kann mit den IPCC Chemie-Klima-Simulationen einen wichtigen Beitrag leisten – weltweit einmalig

• Chemie-Klima-Simulationen Teil des POF2 Programms(sehr positiv begutachtet)

• Modellrechnungen dieser Komplexität praktisch nur in Jülich durchführbar (auf JUMP Nachfolgesystem)