Warum ist nur alles so kompliziert? Insbesondere das mit der Klimasensitivität. Seit dreissig Jahren liegt die Abschätzungen der sogenannten ECS (equilibrium climate sensitivity) in all den aufeinanderfolgenden IPCC Berichten irgendwo zwischen 2 und 4 Grad. Das bedeutet, dass bei einer Verdoppelung des vorindustriellen CO2 Gehalts sich die Erde um diese Temperatur, eben 2-4 Grad, erwärmen würde, wenn man nur lange genug wartet. Der letzte, fünfte IPCC Report vergrösserte sogar noch einmal leicht den Unsicherheitsbereich, in dem die ECS wahrscheinlich fällt, von vorher 2-4 Grad nun auf 1.5-4.5 Grad. Überfluessig zu erwähnen, dass zwischen diesen beiden Extremen, 1.5 Grad und 4.5 Grad, zwei unterschiedliche Planeten liegen, die sich da in der gar nicht so weiten Zukunft präsentieren. 1.5 Grad sollte die Menschheit mittelfristig managen können (obwohl langfristig auch solch eine Sensitivität kräftig an den Eisschilden Groenlands und der Antarktis knabbern sollte). Bei 4.5 Grad fehlt mir zumindest ein wenig die Phantasie, wie das gehen sollte. Wieso also macht man bei der ECS keine rechten Fortschritte, wo sie doch dermaßen wichtig ist?

Seit langem wissen wir, welches  Subsystem des Klimas für den Groszteil der Unsicherheiten verantwortlich ist. Die Wolken sind so etwas wie die Archillesferse der Klimamodellierung. Ein klassiche Illustration dieser Unsicherheit, die durch die Beschreibung der Wolken in die Klimamodellierung hereingebracht wird, ist sicher Abbildung 1 aus einem Paper von Brian Soden und Isaac Held aus dem Jahr 2006. Es zeigt die Reaktion (den Feedback) verschiedener Klima-Subsysteme, so wie sie die damaligen Modelle berechneten und wie sie sicher so ähnlich noch heute aussieht. Der Wasserdampffeedback ist der wichtigste Feedback: Höhere Temperaturen führen dazu, dass die Atmosphäre mehr Wasserdampf halten kann, Wasserdampf ist ein Treibhausgas, also wird noch mehr Infrarot-Strahlung zurückgehalten und es wird noch wärmer. Zudem ist dieser Effekt nicht ganz gleichmäßig über die ganze atmosphärische Säule verteilt. Alle Modelle sehen eine stärkere Erwärmung in der hohen Troposphäre voraus. Diese überprotional erwärmten Schichten in der Höhe strahlen recht effektiv aus (ist ja nichts mehr drüber) und verringern dadurch wiederum den ursprünglichen Erwärmungseffekt. Kombiniert man aber die beiden Feedbacks, Wasserdampf und Lapse rate feedback, so findet (in Abb.1  die Punkte markiert mit WV+LR) man eine relativ geringe Streuung zwischen den Modellen. Diese Kombination ist nur logisch, denn diejenigen Modelle, die relative viel Wasserdampf in hohe Schichten bringen, erzeugen dort einen starken Treibhauseffekt einerseits und strahlen andererseits in dieser Höhe verstärkt aus. WV + LR hängen also eng miteinander zusammen und zusammengerechnet ergibt sich eben eine relative geringe Streuung zwischen den Modellen. Gleiches gilt auch für den Eis-Albedo Feedback (A in Abbildung 1, weniger Eis und Schnee, mehr dunkle Flächen, erhöhte Absorption kurzwelliger Strahlung), der zwischen den Modellen auch nur gering streut. Der Hauptverursacher der Gesamtstreuung (All in Abb.1) ist in der Tat der Wolkenfeedback (C). Aber wie kommt das eigentlich?

 

SodenHeldFeedback

 

 

 

Abbildung 1: Die verschiedenen Feedbacks wie sie von den Modellen des vierten IPCC Reports dargestellt wurden. Die größten Unsicherheiten beschert der Wolkenfeedback, der in den Modellen von eicht negativ (kühlend) zu stark erwärmend reicht.

 

 

 

 

Die Unsicherheiten in der Wolkenmodellierung und dann auch die Streuung zwischen den Modellen in Bild 1 kommt ursächlich nicht von “exotischen” Effekten, etwa weil das eine Modell kosmische Strahlung versuchte zu berücksichtigen und das andere eine fundamental andere Beschreibung der Aerosol-Wolkenbildungschemie beinhaltete (hier auf Primaklima hatte damals Karsten Haustein einen Überblick über verschiedene Aerosoleffekte gegeben und schön gezeigt wie diese auch mit den Wolken zusammenhängen. )

 

CMIP5Waterplanet

Abbildung 2: Reaktion von 4 verschiedenen Klimamodellen auf eine uniforme 4 Grad Erwärmung auf einem fiktiven Wasserplaneten.

 

 

All das ist in den Modellen nichtmals nötig, um große Variationen zwischen ihnen herzustellen. Die nichtlineare Dynamik zwischen konvektiver Wolkenbildung, veränderter Ein- und Abstrahlung durch veränderte Wolkenbedeckung und dann veränderten Temperaturgradienten (horizontal, vertikal) schaukeln sich leicht so auf, dass signifikant andere Reaktionen auf eine gleiche Erhöhung etwa des CO2 Gehalts simuliert werden. Es geht um die Wolken in den Tropen/Subtropen, wieviel kurzwellige Strahlung sie durchlassen und wieviel Strahlung sie als langwelliger Abstrahler in welcher Höhe wieder abstrahlen. Die Wolken verwalten global gemittelt, je nach Berechnung, zwischen 20-30W/m2. Dieser sogenannte cloud radiative effect (CRE) ist aber regional höchst variable und hängt ganz vom Wolkentypus, Wolkenhöhe, Eisanteil, ja selbst von den Temperaturen der unter den Wolken befindlichen Oberfläche zusammen. Bjoern Stevens und Sandrine Bony machten vor kurzem auf diese fundamentale Unsicherheit in einem Science-Paper aufmerksam. “Back to Basics” forderten sie angesicht von Resultaten wie in Abbildung 2 gezeigt. Auf einem fiktiven Wasserplaneten mit einer uniformen 4 Grad Erwärmung reagierten 4 Standard-Klimamodelle des CMIP5 Projekts sehr unterschiedlich, und zwar gerade dort, wo in den Tropen Konvektion, Wolkenbildung und grossräumige Zirkulation aufeinandertreffen (siehe Abb. 2). Allein die Kombination dieser drei Mechanismen sind schon in der Lage einen beträchtlichen Anteil der Unsicherheiten der Wolkenfeedbacks, von leicht abkühlend bis kräftig erwärmend, zu erzeugen.

Gibt es denn keine Abkürzung, um zwischen Modellen zwischen “guter” und eher “nicht so guter” Repräsentation der wichtigsten Wolkenprozesse zu unterscheiden? Gibt es so etwas wie erste Ordnungsprozesse, die im globalen Mittel bei aller regionaler Variabilität eben dominieren müssen?

Tatsächlich gibt es dazu einige Ansätze.

1)   Die Sättigung eines Luftpakets hängt von der Temperatur ab (Clausius-Clapeyron Gleichung). 1K Erwärmung, so sagt die CC Gleichung, führt zu einem Anstieg der Feuchte von ~7% . Dieser Feuchteanstieg entspricht ungefähr der in praktisch allen Modellen berechneten Konstanz der globalen relative Feuchte. Satellitenbeobachtungen bestätigen ebenfalls ein solches Sättigungsverhalten. Interannual Ozeantemperatur-Schwankungen führen genau zu Feuchteschwankungen in der Grössenordnung von 7%/K. Diese Faustregel hilft einem übrigens nicht weiter um den Wasserdampffeedback abzuschätzen, denn wir sprechen hier hauptsächlich von der unteren Troposphäre. Der zusätzliche Treibhauseffekt des Wassserdampfs aber spielt sich überwiegend in der oberen Troposphäre. Das nur nebenbei.

2)   Dieser Anstieg der hauptsächlich bodennahen Feuchte hat nun aber nichts mit der Intensität des hydrologischen Zyklus, also dem globalen Niederschlag (P) oder Verdampfung (E). Man kann nun in einer an sich sehr einfachen Rechnung zeigen, dass jeder zusätzliche Energieeintrag in die freie Troposphäre durch zusätzliche Kondensation und dann Niederschlagsbildung kompensiert werden muss. Diese Kompensation erfolgt durch eine erhöhte Abstrahlung, die wiederum nur durch den zusätzlichen Wasserdampf erfolgen kann. Diese maximal mögliche Strahlungskühlung begrenzt den Anstieg des Niederschlags bei ca. 2%/K. Das kleiner werdende Verhältniss zwischen P (dem Rückfluss der Feuchte) und M (der sich nach CC akumulierenden Feuchte) wird also durch Strahlungskühlung kontrolliert und führt somit zu einer Verlangsamung des globalen Wasserzyklus und also einer längeren Aufenthaltszeit des Wasserdampfs in der Atmosphäre.

PS. Es sei erwähnt, dass diese Verlangsamung des Wasserzyklus und moderate Anstieg des Niederschlags  nicht unbedingt das ist, was man bisher im sich erwärmenden 20ten Jahrhundert als Änderung des globalen P beobachtet hat. Die meisten Experten vermuten, dass dies wohl mit dem Effekt der Aerosole auf Wolkenbildung und Niederschlag zu tun haben könnte.

Was folgt daraus für Wolkenbildung und insbesondere der tropisch/subtropischen Zirkulation? Und kann man aus diesen Überlegungen vielleicht doch noch etwas über die Klimasensitivität lernen? Was machen die Modelle? Wird so eine theoretisch vermutete Dämpfung des tropischen Wasserzyklus simuliert?  Dazu mehr im zweiten Teil dieses Wolkenfeedback-Beitrag.

Literatur:

1) Stephens and Ellis: Controls of Global Mean precipitation Increases … Journal of Climate 2006

2) Held and Soden: Robust Responses of the Hydrological Cycle to Global Warming, Journal of Climate, 2006

3) Stephens and Bony: What are Climate models missing?

 

Kommentare (20)

  1. #1 Dr. Webbaer
    November 18, 2014

    Interessanter Artikel.

    Das bedeutet, dass bei einer Verdoppelung des vorindustriellen CO2 Gehalts sich die Erde um diese Temperatur, eben 2-4 Grad, erwärmen würde, wenn man nur lange genug wartet.

    So weit die Theorie, blöd nur, dass die Datenprobe in jedem Fall über die Größe 1 nicht hinauskommt.
    Ist es eigentlich korrekt, dass hier die Subsysteme “Atmosphäre”, “Ozeane”, “Kryosphäre”, “Lithosphäre” und “Biosphäre” zu beachten sind, dazu noch die extraterrestrischen Faktoren?

    MFG
    Dr. W

  2. #2 Georg Hoffmann
    November 18, 2014

    @DrWebbaer
    “So weit die Theorie, blöd nur, dass die Datenprobe in jedem Fall über die Größe 1 nicht hinauskommt.”

    Weiss nicht was das bedeutet und will es auch nicht wissen.

    “st es eigentlich korrekt, dass hier die Subsysteme “Atmosphäre”, “Ozeane”, “Kryosphäre”, “Lithosphäre” und “Biosphäre” zu beachten sind, dazu noch die extraterrestrischen Faktoren?”

    In den meisten Modellen sind Atmosphaere und Ozean gekoppelt. Haeufig auch die Biosphaere. Kryosphaere ist sehr selten und nur fuer Spezialanwendungen. Lithosphaere gar nicht (aber siehe ICE 5G https://pmip2.lsce.ipsl.fr/design/ice5g/). Extraterrestrische Faktoren? Wasndasn?

  3. #3 axel
    November 18, 2014

    @ Georg

    Ich bin etwas verwirrt, du sprichts hier von einer Verlangsamung des Wasserkreislaufs. 2012 bei der Besprechung von Durack et al. hast du noch geschrieben

    4) Die Modelle unterschätzen in den 20C3M Läufen die Verstärkung des Wasserkreislaufs systematisch.

    War das damals eine etwas schlampige Sprechweise? Ist es das, was Isaac Held in seinem Post folgendermaßen beschreibt?

    It is confusing to refer to this increase in water fluxes, causing increasing gradients in P-E, as an “increase in strength of the hydrological cycle”. An “increase in water fluxes within the atmosphere” is more understandable and more accurate.

  4. #4 Georg Hoffmann
    November 18, 2014

    @axel

    Sehr gut. Ja genau. P und E gehen beide hoch, aber die Aufenthaltszeit eines Wassermolekuels geht runter, weil die Faehigkeit Wasserdampf in der waermeren Luft zu halten relativ noch staerker hoch geht.
    Es ist eindeutig schlampig von mir formuliert. Verstaerkt wird nicht der Kreislauf, sondern die Bruttofluesse.

  5. #5 Berossos
    Kissing
    November 18, 2014

    “Extraterrestrische Faktoren? Wasndasn?”

    Da meinte der Kommentar Nr. 1 hoffentlich nicht die Milankovic-Zyklen, sondern vermutlich die in gewissen Kreisen sehr beliebte, das Klima total beeinflussende Kosmische Strahlung. Veizer und Shaviv lassen grüßen.

  6. #6 Christian
    November 18, 2014

    Hallo Georg,

    Nettes Thema, aber bin nicht so ganz einverstanden was die ECS angeht. Mir ist grad nicht so klar, warum Sie meinen die Uncertainy würde mit der Zeit sinken? Ok zuzgegeben, in 50 Jahren sind die Chancen nicht schlecht, auf derzeit “now way” den diese kommen ja nicht nur aus den Wolken, sondern vorallem aus:

    – Forcing-Uncertainy

    – Station Coverage-Uncertainy

    – Adjust-Uncertainy

    usw usw

    Das ist eben mitunter der Grund warum die Spanne so extrem weit ist.

    Bezüglich Clouds lege ich mal noch aus den AR4-Bericht 8.5.2.3 folgendes nach:

    Using feedback parameters from Figure 8.14, it can be estimated that in the presence of water vapour, lapse rate and surface albedo feedbacks, but in the absence of cloud feedbacks, current GCMs would predict a climate sensitivity (±1 standard deviation) of roughly 1.9°C ± 0.15°C (ignoring spread from radiative forcing differences).

    Gruss und bei Zeiten vielleicht mehr von mir dazu

  7. #7 Georg Hoffmann
    November 19, 2014

    Hallo Christian
    “Mir ist grad nicht so klar, warum Sie meinen die Uncertainy würde mit der Zeit sinken?”

    Nein, ich meinte, dass man das eigentlich erwarten oder zumindest erhoffen durfte. Nimm irgendein Grossthema in irgendeinem Forschungsthema (schwarze Materie, Supraleitung bei “hohen” Temperaturen, etc etc) dann sind in den letzten 20 Jahren doch meist substantielle Fortschritte erzielt worden, die sich irgendwie in der Reduzierung von Unsicherheiten nachschlagen. Natuerlich wurden in der Klimaforschung auch substantielle Fortschritte erzielt, nur haben sie sich aus meiner Sicht ueberraschenderweise nicht so numerisch niedergeschlagen. Als ich angefangen habe, war die Meinung in der Kaffeekueche des MPI jedenfalls sehr optimistisch: In 10 Jahren wissen wir alles substantielle zum Klima (insbesondere ECS). Es ist nicht ganz so gekommen.

    Absolut einverstanden. Es gibt andere wichtige Unsicherheiten. Aber es ist glaube ich schon fair, zu sagen, dass die Wolken der 800 Pfund Gorilla der ECS Diskussion ist.

    Ansonsten ist das hier nur die Motivation (Teil II) zu Papern von Sherwood und Su, in denen sie nach spezifischen Mustern der Wolken/Zirkulations Kopplung und deren Zusammenhang zur ECS suchen.

    Grusz

  8. #8 Christian
    November 19, 2014

    Hallo Georg,

    Versteh das schon, nur ist das bei Klima ein wenig komplexer (bezüglich der Uncertainy) schließen können wir einfach nicht die Temperatur pre 1920 bestimmen, die dortige uncertainy bleibt, in 50 Jahren hingegen haben wir eine gute lange Messreihe mit wenig Uncertainy was uns dann bezügliche der Temperatur erlaubt erheblich die Uncertainy zu senken.

    Zu den Wolken:

    Ist soweit richtig, aber betrifft ja vorallem die obere uncertainy, da ohne cloudfeedback eh rund 1,9K ECS stehen bleiben und dahin gehend gibt es bisher nur Evidenz dafür, dass das Cloudfeedback positiv ist, aber eben leider nicht wie positiv…

    Aber danke für den sehr interessanten Beitrag, falls ich die Tage Zeit finde, werde ich mal ausführlicher darauf eingehen.

    Gruss

  9. #9 DasKleineTeilchen
    November 19, 2014

    hoppla, was ist den an der ostküste los?

    https://sploid.gizmodo.com/holy-mother-of-god-check-out-this-giant-wall-of-snow-s-1660338942

    ganz schön heftig; und bei uns ist die küste schön mollig warm.

  10. #10 F.Jeschke
    November 20, 2014

    Das ist die Klimaerwärmung stupid

  11. #11 Kassenwart
    November 20, 2014

    Ach der Jeschke wieder. Schon wach und wieder null Ahnung 😀

  12. #12 Dr. Webbaer
    November 20, 2014

    @ Herr Dr. Georg Hoffmann :

    So weit die Theorie, blöd nur, dass die Datenprobe in jedem Fall über die Größe 1 nicht hinauskommt. (Dr. Webbaer)

    Weiss nicht was das bedeutet und will es auch nicht wissen.

    Es wäre vielleicht schon gut, wenn Sie dies verstehen könnten: Das terrestrische Klimasystem ist nicht wie andere physikalische Experimente beliebig wiederholbar, sondern findet nur einmal statt.
    Eine bekannte Problematik bspw. auch bei Unternehmen der Wirtschaft, die so manchen Statistiker und Stochastiker aufgefallen ist; eine generelle Herausforderung bestimmte Systeme betreffend.

    Extraterrestrische Faktoren? Wasndasn?

    Außerhalb der Terra Stehendes, bspw. die Sonne, Meteoriteneinschläge, von außen kommende Strahlung und natürlich auch Sporen, sollte sie es geben, es gibt jedenfalls eine mehr oder weniger ernstgenommene Panspermie. [1]

    HTH
    Dr. W

    [1] vgl. bspw. auch mit diesem Versuch:
    -> https://de.wikipedia.org/wiki/Philae_(Sonde)

  13. #13 Kleine Leuchte
    November 27, 2014

    Veränderungen in der Bewölkung könnten genau so gut zu einem Großteil der Erwärmung gegen Ende es 20. Jahrhunderts beigetragen haben, was nicht nur die modellierten Sensitivitäts Zahlen gehörig durcheinander wirbelt, sondern alles, was man mit diesen Modellen weiter simuliert.
    Übrigens zeigen die IPCC Modelle über die letzten 120a und mehr eine Flatine, also eine Gerade mit +/-0,1K Rauschen um den Mittelwert (exkl. die paar explosiven Vulkanausbrüche), ohne AGW Effekte.

    Wie man so einem Schwachsinn Glauben schenken kann, kann nur an Null Ahnung in Meteorolgie&Klimatologie liegen, denn es gab never ever ein dermaßen konstantes Klima auf Erden. Die Modellierer und Mitläufer sind aber so verliebt in ihre dollen Rechner und Modelle, dass sie sich eben genau so verhalten, wie schwer Verliebte: glücklich, aber sau dumm!

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    Dezember 26, 2014

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  18. #18 clemens
    Berlin
    März 1, 2016

    Hm, gibts hier kommentarspam? Wenn ja, eventuell besser schliessen 🙂
    Eigentlich hab ich ne ganz andere Frage: Gibts dazu noch einen Teil 2, den ich gerade nicht finde, oder ist der untergegangen?

  19. #19 Georg Hoffmann
    März 1, 2016

    @clemens
    Ja, den gibt es als draft auf meinem Rechner. Ich bin ein schlechter undisziplinierter Blogger, mea culpa. Vielleicht setz ich mich noch mal dran, jetzt wo ich sehe das es Interesse gibt. Sorry.

    PS Das mit dem Spam ist ausserhalb meiner Macht. Klar, koennte ich alle Kommentare schliessen, aber es gibt immer wieder nochmal Leute, die auf das Eine oder Andere zurueckkommen will. Bei momentaner Spamdichte wuerde ich nur ungern alle alten Kommentarbloecke schliessen.

  20. #20 clemens
    Berlin
    März 1, 2016

    Danke für die schnelle Rückmeldung 🙂
    Ich bin auch ein undisziplinierter Blog-leser und wollte nicht drängeln. Wenn der Teil 2 irgendwann mal fertig wird, lese ich ihn gerne, aber wenn nicht … ich weiss, es gibt immer so viel zu tun und nur so viel Zeit.