Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.
Die natuerliche Belastung der Gesteine, Waesser und Boeden an umweltrelevanten Spurenstoffen im Vorfeld der anthropogenen Verschmutzung, soll fuer ein regionales Modell anhand von jungtaertiaeren Sedimentfallen und Quellwaessern aufgeklaert werden. Rezente Boeden, Sedimente und Waesser sollen zu den regionalen geochemischen Standard in Beziehung gesetzt werden.
Die Wechselwirkungen von solaren Strahlungsflüssen und biologischen Prozessen haben fundamentale Auswirkungen auf physikalische Prozesse, Verfügbarkeit von Nährstoffen und Primärproduktion in den oberen Ozeanschichten, sowie den Austausch von Gasen mit der atmosphärischen Grenzschicht. Durch die Absorption solarer Strahlung tragen optisch aktive Wasserinhaltsstoffe zur Erwärmung der oberflächennahen Ozeanschichten bei und beeinflussen so über die Temperaturabhängigkeit der Stoffwechselraten von marinem Phytoplankton Primärproduktion und Export von Biomasse. Aufgrund der im Vergleich mit dem offenen Ozean stärker variablen Konzentrationen von anorganischen Schwebstoffen und CDOM (coloured dissolved organic matter, im Folgenden als Gelbstoff bezeichnet) ist die Zusammensetzung der Wasserinhaltsstoffe in Küstengewässern und Schelfmeeren oftmals durch eine hohe Heterogenität gekennzeichnet. Die Bildung von Gelbstoff und Änderungen in dessen Zusammensetzung aufgrund nicht-konservativer Prozesse hängen dabei in hohem Maße von der Lichtverfügbarkeit, weiterer Umweltbedingungen sowie der Zusammensetzung des Phytoplanktons ab. Darüber hinaus haben heterogene Verteilungen von Phytoplanktonpigmenten und anderen Wasserinhaltsstoffen Auswirkungen auf sub-mesoskalige vertikale Mischungsprozesse und advektive Flüsse, und damit auch auf Wassertemperatur und dichte, sowie das oberflächennahe Nährstoffangebot. Ein gutes Verständnis der Energieflüsse an der Ozeanoberfläche und in den oberen Ozeanschichten sowie deren Auswirkungen auf den Wärmehaushalt in Küstengewässern und Schelfmeeren ist von großer Bedeutung für die Modellierung des regionalen ozeanischen Klimas. Das vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel, den Beitrag von optisch aktiven Wasserinhaltsstoffen (einschließlich Phytoplankton, Gelbstoff und anorganischen Schwebstoffen) zu den Energieflüssen in den oberen Ozeanschichten und durch die Ozeanoberfläche hindurch zu quantifizieren. Es soll untersucht werden, inwieweit die heterogene Verteilung von Wasserinhaltsstoffen die sub-mesoskaligen vertikalen turbulenten Austauschvorgänge und advektiven Flüsse beeinflusst, und inwieweit die Lichtattenuation durch Gelbstoff Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Phytoplanktons hat. Zu diesem Zweck soll ein gekoppeltes Atmosphäre Ozean Zirkulationsmodell mit integriertem bio-optischem Modul synchron mit einem Atmosphäre Ozean Strahlungstransportmodell betrieben werden, so dass Erwärmungsraten aufgrund hochvariabler Konzentrationen von optisch aktiven Inhaltsstoffen mit hoher Genauigkeit berechnet, und so deren Auswirkungen auf die biophysikalischen Prozesse im Ozean analysiert werden können.
Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen stellen einen der wesentlichen Unsicherheitsfaktoren bei Verständnis und Quantifizierung der geographischen Verteilung von Wolken- und Niederschlagseigenschaften, aber auch des Strahlungsantriebs des globalen Klimawandels dar. Die grundlegende Idee des Projekts ist es, regional unterschiedliche Trends in anthropogenenen Emissionen von Aerosolen zu nutzen, um deren Einfluss auf Trends in Wolken-, Niederschlags- und Strahlungsgrößen zu bestimmen. Hierzu sollen verschiedene Szenarien in Multi-Klimamodell-Ensembles ('historische' Simulationen mit allen Strahlungsantrieben und 'Aerosol'-Simulationen mit allen Antrieben außer anthropogenem Aerosol) analysiert werden und mit Beobachtungsdaten verglichen werden. Konkret werden vier Fragen untersucht:(i) Welche Beziehung besteht zwischen regionalen Trends in Aerosolemissionen und Wolken-Strahlungs-Effekten? - Diese Studien analysieren Simulationen aus dem Multi-Modell-Ensemble.(ii) Wie erfolgreich reproduzieren die Modelle beobachtete Trends? Hier werden die Klimamodelle mit Beobachtungsdaten verglichen.(iii) Welchen Einfluss haben Emissionstrends für Aerosole und resultierende Strahlungsantriebe auf die atmosphärische Zirkulation? Simulationen mit dem Aerosol-Klima-Modell ECHAM6-HAM2 sollen für drei Zeitscheiben durchgeführt und analysiert werden.(iv) Welche Rolle spielen Emissionstrends für Änderungen in Extremniederschlägen in Südost-Asien? - Mit speziellen Simulationen sollen die verschiedenen Hypothesen getestet werden.
Im letzten Jahrzehnt war der grönländische Eisschild mehreren Extremereignissen ausgesetzt, mit teils unerwartet starken Auswirkungen auf die Oberflächenmassebilanz und den Eisfluss, insbesondere in den Jahren 2010, 2012 und 2015. Einige dieser Schmelzereignisse prägten sich eher lokal aus (wie in 2015), während andere fast die gesamte Eisfläche bedeckten (wie in 2010).Mit fortschreitendem Klimawandel ist zu erwarten, dass extreme Schmelzereignisse häufiger auftreten und sich verstärken bzw. länger anhalten. Bisherige Projektionen des Eisverlustes von Grönland basieren jedoch typischerweise auf Szenarien, die nur allmähliche Veränderungen des Klimas berücksichtigen, z.B. in den Representative Concentration Pathways (RCPs), wie sie im letzten IPCC-Bericht genutzt wurden. In aktuellen Projektionen werden extreme Schmelzereignisse im Allgemeinen unterschätzt - und welche Konsequenzen dies für den zukünftigen Meeresspiegelanstieg hat, bleibt eine offene Forschungsfrage.Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, die Auswirkungen extremer Schmelzereignisse auf die zukünftige Entwicklung des grönländischen Eisschildes zu untersuchen. Dabei werden die unmittelbaren und dauerhaften Auswirkungen auf die Oberflächenmassenbilanz und die Eisdynamik bestimmt und somit die Beiträge zum Meeresspiegelanstieg quantifiziert. In dem Forschungsprojekt planen wir zudem, kritische Schwellenwerte in der Häufigkeit, Intensität sowie Dauer von Extremereignissen zu identifizieren, die - sobald sie einmal überschritten sind - eine großräumige Änderung in der Eisdynamik auslösen könnten.Zu diesem Zweck werden wir die dynamische Reaktion des grönländischen Eisschilds in einer Reihe von Klimaszenarien untersuchen, in denen extreme Schmelzereignisse mit unterschiedlicher Wahrscheinlichkeit zu bestimmten Zeitpunkten auftreten, und die Dauer und Stärke prognostisch variiert werden. Um indirekte Effekte durch verstärktes submarines Schmelzen hierbei berücksichtigen zu können, werden wir das etablierte Parallel Ice Sheet Model (PISM) mit dem Linearen Plume-Modell (LPM) koppeln. Das LPM berechnet das turbulente submarine Schmelzen aufgrund von Veränderungen der Meerestemperatur und des subglazialen Ausflusses. Es ist numerisch sehr effizient, so dass das gekoppelte PISM-LPM Modell Ensemble-Läufe mit hoher Auflösung ermöglicht. Folglich kann eine breite Palette von Modellparametern und Klimaszenarien in Zukunftsprojektionen in Betracht gezogen werden.Mit dem interaktiv gekoppelten Modell PISM-LPM werden wir den Beitrag Grönlands zum Meeresspiegelanstieg im 21. Jahrhundert bestimmen, unter Berücksichtigung regionaler Veränderungen von Niederschlag, Oberflächen- und Meerestemperaturen, und insbesondere der Auswirkungen von Extremereignissen. Ein Hauptergebnis wird eine Risikokarte sein, die aufzeigt, in welchen kritischen Regionen Grönlands zukünftige extreme Schmelzereignisse den stärksten Eisverlust zur Folge hätten.
Das Verbundprojekt 'BioRegio - Regionale Bioenergienutzung' übertrug die im BMU-Projekt 'Stoffstrom-Biomasse' erstellten Werkzeuge auf ausgewählte Modell-Regionen und überprüfte die Umsetzungsbedingungen für die nationalen Strategien zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse. Neben EDV- und Datenfragen wurde vom Öko-Institut dabei auch ein Werkzeug zur Berechnung der regionalen Wertschöpfung erstellt. Die Modellregionen waren folgende (in Klammern: betreuendes Institut): Naturpark Saar-Hunsrück (IZES + IfAS), Südlicher Oberrhein und Kiel-Eckernförde-Rendsburg-Neumünster (Öko-Institut), Emscher-Lippe (FhI-UMSICHT), Mecklenburg Ost und Mittelsachsen (IE). Informationen zu den Modellregionen finden sich unter www.bioregio.info
In der letzten Antragsphase wurde das regionale Paläoklimamodell WRF-CEMSYS entwickelt und erfolgreich angewendet, um erstmals hochauflösende regionale Paläoklimadaten für Studien zur Anwesenheit von Homo sapiens unter eiszeitlichen Bedingungen in Europa bereitzustellen. In der dritten Phase konzentriert sich E6 auf die Rekonstruktion regionaler Klimate verschiedener Zeitintervalle, die für die SFB Projekte von zentraler Bedeutung sind. Es werden Potenziale und Begrenzungsfaktoren für die menschliche Präsenz im gesamten SFB-Gebiet untersucht. Dabei werden unterschiedliche Zeitskalen betrachtet, die von synoptischen, über saisonalen, jährlichen bis hin zu dekadischen reichen.
Unser Projekt erforscht das Paläoklima-Archive der Bändertone, die in einem ehemaligen fjordähnlichen See im österreichischen Inntal entstanden sind. Solche Ablagerungen sind eine große Seltenheit in den Alpen und dokumentieren eine Periode gewaltiger Klima-Instabilität zwischen 59.000 und 28.000 Jahre vor heute, deren Spuren - unter dem Namen Dansgaard-Oeschger Ereignisse - im grönlandischen Eis und in Sedimentproben des Atlantiks detektiert wurden. Ihr Impakt auf das damalige Klima und die Umwelt in den Alpen ist jedoch kaum bekannt und bildet das Hauptziel dieses Forschungsprojektes. Herzstück der Untersuchungen ist ein vor kurzem erbohrter 150 m langer Sedimentkern der Bändertone sowie zwei geplante benachbarte Kerne, mit denen die gesamte ehemalige Seefüllung erfasst werden kann. Diese Proben werden mit hochmodernen Methoden analysiert, um zeitlich gut datierte qualitative wie quantitative Proxy-Daten der Temperatur, Primärproduktion, Vegetation und Hydrologie dieses Sees und seines Einzugsgebietes mit jährlicher und z.T. sogar jahreszeitlicher Auflösung zu erheben. Diese Informationen stellen entscheidende Fakten dar um regionale Modelle dieser abrupten Klimaänderungen zu validieren, und den Einfluss von Änderungen der Tiefenwasserströmungen im Atlantik auf das Alpenklima zu erfassen.
Durch die internationale Forschungsgemeinschaft werden Globalmodellläufe in verschiedenen Phasen des Coupled Model Intercomparison Project ( CMIP ) in Vorbereitung des nächsten IPCC-Berichtszyklus berechnet. Ergebnisse dieser Globalmodellsimulationen haben grobe Auflösungen (> 100 km x 100 km), welche für regionale Betrachtungen des zu erwartenden Klimawandels nicht ausreichend sind. Mit Hilfe von Regionalmodellen (Regional Climate Models - RCMs) können die Ergebnisse aus Globalmodellrechnungen auf räumlich höhere Auflösungen gebracht werden: Da regionale Klimamodelle lediglich einen Ausschnitt der Atmosphäre betrachten, benötigen sie geeignete Randbedingungen an den Grenzen des Simulationsgebietes. Diese Randbedingungen stammen aus Simulationen der globalen Klimamodelle. Man spricht davon, dass ein regionales Klimamodell durch ein globales Klimamodell angetrieben wird. Dieser Prozess wird als „Nesting“ bezeichnet. Für die 5. Phase des CMIP (CMIP5) liegen solche regionalisierten Klimamodelldaten für Deutschland bzw. Europa in einer Auflösung von 12,5 km x 12,5 km vor. Diese wurden in verschiedenen Initiativen bzw. Projekten erstellt: EURO-CORDEX, ReKliEs-De, EPISODES (DWD) Im Rahmen von EURO-CORDEX ( Co o r dinated D ownscaling Ex periment - Euro pean Domain), als Teil der CORDEX-Initiative, wurden europaweite, regionalisierte Klimasimulationen/ Projektionen (auf Basis des CMIP5) erstellt. Ein großer Vorteil dieses Ensembles (= Menge an Klimamodellläufen) ist die Festlegung von einheitlichen Ausgabeformaten des Datenoutputs der Modelle (z. B. einheitliche räumliche Auflösung; vorgegebene, obligatorische Ausgabevariablen). Dies erleichtert die Vergleichbarkeit und Auswertung der vorliegenden Modellläufe. In dem BMBF-finanzierten Projekt ReKliEs-De ( Re gionale Kli maprojektionen E n s emble für De utschland) wurden die Ergebnisse aus EURO-CORDEX um weitere Läufe ergänzt. Weitere regionalisierte Projektionsdaten liefert EPISODES. Es handelt sich dabei um eine Empirisch-Statistische Downscaling Methode, welche durch den Deutschen Wetterdienst (DWD) entwickelt wurde. Alle diese benannten Modelldaten stehen auf dem ESGF-Knoten des DWD bzw. des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ) für die Öffentlichkeit zur Verfügung. Aus den oben genannten Initiativen bzw. Projekten ist somit ein Ensemble von regionalisierten Klimamodellsimulationen entstanden, welches im Nachhinein durch verschiedene Gründe/Ausschlüsse nochmal einmal reduziert werden musste: verschiedene Rückzüge einiger Modellläufe aufgrund methodisch begründbarer Modellfehler durch die jeweiligen Modellierergruppen bzw. durch den DWD Ausschlüsse aufgrund von Unplausibilitäten in der Reproduktion der Vergangenheit in manchen Modellen sowie Ausschlüsse von Läufen, welche in der Reproduktion der Vergangenheit die Referenzperiode 1961 bis 1990 nicht abdecken. (Die letzten beide Ausschlüsse erfolgten durch die Umweltämter der drei Bundesländer Sachsen-Anhalt (LAU), Sachsen (LfULG) und Thüringen (TLUBN)) Im Ergebnis ist das mitteldeutsche Referenzensemble entstanden, welches für die Szenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 je 17, 18 bzw. 25 Läufe beinhaltet. Eine genaue Auflistung des Ensembles ist in der Dokumentation zum Mitteldeutschen Kernensemble (MDK, siehe unten) zu finden. Eine ausführliche Auswertung dieses Klimamodellensembles für Sachsen-Anhalt ist im Ergebnisbericht sowie Synthesebericht des Projektes „Klimamodellauswertung Sachsen-Anhalt 1961-2100“ zu finden. Die Broschüre „ Der Klimawandel vor unserer Haustür “ liefert eine etwas leichter verständliche Kurzdarstellung der mittleren Ergebnisse der Klimamodellauswertung. Im Nachfolgenden sei ein kleiner Einblick in die Ergebnisse dieser Auswertung gegeben. Eine Kernaussage des Projektes lautet: „RCP2.6 und RCP8.5 unterscheiden sich in ihren Auswirkungen auf das Klima stark, insbesondere was die Entwicklung des Klimas nach 2050 betrifft. “ Es „[…] wird […] deutlich, dass das RCP8.5 Änderungssignale für das Klima in Sachsen-Anhalt beinhaltet, die weit außerhalb der heute üblichen Bandbreite liegen, während das RCP2.6 lediglich eine moderate Verschiebung des Klimas in Richtung dessen bedeutet, was wir heute als oberen Bereich der Bandbreite beschreiben würden. Die Stärke und besonders die Geschwindigkeit der Änderung des Klimas hängt also sehr stark von den Maßnahmen zum Klimaschutz ab und es könnte sehr schwierig sein, die Infrastruktur sowie andere gesellschaftliche Systeme an die neuen Gegebenheiten anzupassen.“ Anhand der Projektion der Tagesmitteltemperatur sowie des Niederschlags sei dies verdeutlicht. Die Auswertung des Referenzensembles für das Gebiet von Sachsen-Anhalt zeigt folgende, zu erwartende Entwicklungen auf: Stagnation der Erwärmung ab 2050 im RCP2.6 Im RCP2.6-Szenario (Szenario mit globalem Klimaschutz) zeigt sich für Sachsen-Anhalt sowohl für die nahe Zukunft (Mittel der Periode 2021 bis 2050) als auch für die ferne Zukunft (Mittel der Periode 2071 bis 2100) eine Temperaturzunahme von knapp 2 K im Vergleich zur Referenzperiode (1961 bis 1990). Durch die Reduzierung der Treibhausgasemissionen, welche in diesem Szenario angenommen wird, kann die Temperaturzunahme somit eingedämmt werden und stagniert ab Mitte des Jahrhunderts. Beschleunigung der Erwärmung ab 2050 nach RCP8.5 Für das Szenario RCP8.5 (Szenario ohne globalen Klimaschutz) zeigt sich für die nahe Zukunft (2021 bis 2050) eine Temperaturzunahme, die der des RCP2.6 projizierten Temperaturzunahme entspricht (ca. 2 K). Für die ferne Zukunft hingegen zeigt dieses Szenario eine Temperaturzunahme von rund 4 K für Sachsen-Anhalt. Einige Modelle zeigen sogar über 5 K Temperaturzunahme an. Ähnliche Größenordnungen der Temperaturentwicklung der einzelnen Jahreszeiten wie des Gesamtjahrs (für beide Szenarien sowie beide Zukunftsperioden) Ausnahme bildet hierbei der Sommer: Für das RCP8.5 zeigt sich für die ferne Zukunft eine deutlich größere obere Spannweite der Temperaturzunahme von 7 K und mehr. Verschiebung der Niederschlagsverteilung über das Jahr: In beiden RCP-Szenarien zeigt sich eine Tendenz zu leichter Niederschlagszunahme im Winter sowie eine Tendenz zu leichter Niederschlagsabnahme im Sommer, welche je nach betrachtetem Zeitraum und Szenario stärker oder schwächer ausfallen kann. Man beachte hierbei jedoch die Spannweiten der projizierten Niederschlagsänderung, welche zum Teil auch in das entgegengesetzte Vorzeichen (im Vergleich zum Ensemblemittel) rutschen können. Leichte Niederschlagszunahme für das Gesamtjahr Jedoch ist auch hier auf die große Spannbreite der Projektionen hinzuweisen. Die untere Spanne der Modellsimulationen zeigt für beide Zeiträume und beide Szenarien eine Niederschlagsabnahme an. Eine kurze Einordnung der oben benannten Ergebnisse sei im Folgenden gegeben: Unter dem Aspekt, der Temperaturzunahme und damit einhergehend zunehmender Verdunstung ist mit negativen Auswirkungen auf den Wasserhaushalt vor allem im Sommer zu rechnen. Für die Entwicklung des Niederschlags ist anzumerken, dass es sich beim Verständnis und der Modellierung von Wolkenprozessen und damit auch des Niederschlags um Gegenstand der Forschung handelt. Zum einen sind die wolkenphysikalischen Prozesse weiterhin Bestandteil der Grundlagenforschung. Zum anderen bedingt die Kleinskaligkeit der Prozesse, dass diese auf dem Modellgitter nicht aufgelöst werden können und deshalb parametrisiert werden müssen, was Unsicherheiten mit sich bringt. Es ist daher darauf zu verweisen, dass es sich bei der zukünftig zu erwartenden Niederschlagsverteilung/-entwicklung lediglich um Tendenzen handelt, die keine 100-prozentig gesicherten Aussagen liefern können. In der Frage, ob es ein Zuviel oder ein Zuwenig an Wasser geben wird, muss sich die Gesellschaft/Wasserwirtschaft auf beide Möglichkeiten/Herausforderungen einstellen - nicht zuletzt, da es sich bei den dargestellten Tendenzen um 30-Jahresmittel handelt. Innerhalb dieser Zukunftsperioden können trotzdem mehrere zu nasse ggf. hochwassergeprägte Winter (wie bspw. im Dezember 2023) aber auch Winter, die ein potenzielles Niederschlagsdefizit des Sommers nicht durch überdurchschnittliche Niederschläge ausgleichen können, existieren. Ebenso bedeutet die Tendenz zur Abnahme der Sommerniederschläge nicht, dass es keine hochwassergefährdeten Sommer mit überdurchschnittlichem Niederschlag geben werden kann. Soweit möglich, sollten immer so viele Klimamodelle wie möglich ausgewertet werden. Für den Fall, dass dies aus Kapazitätsgründen nicht möglich ist, wurde von den Umweltämtern der Bundesländer Sachsen-Anhalt, Sachsen und Thüringen das Mitteldeutsche Kernensemble (MDK) ausgewählt/erstellt. Das MDK stellt eine reduzierte Auswahl (je 7 Modellläufe für RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5) von regionalisierten Klimamodellsimulationen (basierend auf dem Referenzensemble) für die Region der drei Bundesländer dar. Es wurde erstellt, um den Rechenaufwand für detaillierte Auswertungen und ggf. Impact-/Wirkmodellierung zu reduzieren. Die Reduzierung/Auswahl basiert auf der Erhaltung der zukünftig simulierten Spannbreiten für die verschiedenen meteorologischen Variablen, die die Klimamodelle simulieren. Genaue/ weiterführende Informationen sind in der ausführlichen Dokumentation zum MDK zu finden: Mitteldeutsches Kernensemble - Auswertung regionaler Klimamodelldaten Letzte Aktualisierung: 18.09.2024
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