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Jahrgang 30 Heft 4 meteorologische fortbildung Meteorologische Fortbildung 30. Jahrgang, Heft 4, 2004

Thema des Heftes: Herausgeber Numerische Klimamodelle - Was können sie, Deutscher Wetterdienst wo müssen sie verbessert werden? Hauptschriftleiter Teil III: Modellierung der Klimaänderungen durch den Menschen, Dr. H. D. Behr (Hamburg) 2. Teilheft Redaktionsausschuss Fachliche Redaktion: H. Graßl, Hamburg Dipl.-Met. U. Gärtner (Offenbach a. M.) Fachliche Durchsicht: C.-D. Schönwiese, Frankfurt a.M. Prof. Dr. G. Adrian (Offenbach a. M.) Prof. Dr. B. Brümmer (Hamburg) Kapitel Seite Prof. Dr. J. Egger (München) H. BARTELS, K. HOFIUS, B. KATZENBERGER, Prof. Dr. F. Fiedler (Karlsruhe) P. KRAHE, H. WEBER Prof. Dr. G. Groß (Hannover) Dr. J. Neisser (Lindenberg) 27 Klima und Wasserwirtschaft 169-180 Prof. Dr. C.-D. Schönwiese (Frankfurt a.M.) R. SAUSEN Prof. Dr. P. Speth (Köln) 28 Luftverkehr und Klima 181-187 Prof. Dr. G. Tetzlaff (Leipzig) L. BENGTSSON Titelbild: Vegetationsfeuer und Klima 29 Natürliche und anthropogene Antriebe des Klima- Aufgenommen von M. Welling (Max- systems und die Folgen in Klimamodellrechnungen Planck-Institut für Chemie, Abt. Biogeo- für Vergangenheit und Zukunft 188-201 chemie, Mainz) im September 2002. Brandrodung in Rondônia, Brasilien, M. HEIMANN während der dortigen Trockenzeit. 30 Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Diese Feuer in vielen Ländern sind Kohlenstoffkreislaufs 202-212 eine wesentliche Störung mehrerer globaler Kreisläufe, sie sind ebenso wichtig K. G. HOOSS für den Klimaeinfluss des Menschen 31 Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft 213-224 wie Emissionen aus Ballungsräumen. H. GRAßL Deutlich erkennbar ist die Verquickung 32 Reaktion der Weltöffentlichkeit auf Klimamodell- mit dem Wasserkreislauf: Aus gezielten ergebnisse 225-226 Vegetationsfeuern zur verbesserten Landwirtschaft entstehen häufig kräfti- Blick nach draußen ge Haufenwolken, gar Cumulonimben. Das Tschechische Hydrometeorologische Institut CHMI 227-231 Die Niederschlagsbildung wird in diesen rauchgeschwängerten Wolken ver- Institute stellen sich vor zögert und Sonnenlicht erreicht den Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung Boden nur geschwächt. in Karlsruhe 232-235 Die große Herausforderung der Klima- Ein neues Zentrum stellt sich vor modellierung ist es, neben den natürli- chen Vorgängen auch alle Facetten Das Zentrum für Marine und Atmosphärische menschlichen Handelns korrekt zu Wissenschaften (ZMAW) in Hamburg 236-237 beschreiben und ihre Wirkung vorher- G. BUDÉUS zusagen. Langlebige Wirbel in der Grönlandsee 238-242 promet erscheint im Selbstverlag des J. JANSEN Deutschen Wetterdienstes – Kaiserlei- Tropische(?) Zyklone über dem Südatlantik 243-245 straße 29/35, 63067 Offenbach am Main. Bezugspreis pro Jahrgang (4 Hefte) im C. LEFEBVRE Abonnement 22,50 €, Einzelheft 6,50 €, Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nord- Doppelheft 13,– €, Dreifachheft 19,50 € polarmeeres im Allgemeinen und 2002 zur Zeit der zuzüglich MwSt. und Versandkosten. Durchsegelung der Nordostpassage von Arved Fuchs 246-253 Für den Inhalt der Arbeiten sind die Autoren verantwortlich. Alle Rechte Buchbesprechungen 254-256 bleiben vorbehalten. Habilitationen, Promotionen und Diplom-Hauptprüfungen im Jahr 2003 257-260 Satz: Elke Roßkamp Anschriften der Autoren dieses Heftes 261 Deutscher Wetterdienst, Hamburg Druck: Kapitel der bisher erschienenen Ausgaben zum Thema Weppert Print & Media GmbH „Numerische Klimamodelle“ (Teil I-III, 1. Teilheft) 262 97424 Schweinfurt Bisher erschienene Ausgaben von promet 263 Silbersteinstraße 7 ISSN 0340-4552 Redaktionelle Hinweise für Autoren 264 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 169-180 (November 2004) 169 © Deutscher Wetterdienst 2004

H. BARTELS, K. HOFIUS, B. KATZENBERGER, P. KRAHE, H. WEBER 27 Klima und Wasserwirtschaft

1 Klima und Wasser aus globaler Sicht Durch die Verweilzeiten wird die potenzielle Gefähr- dung der Wasservorkommen durch ein sich verändern- Die essentielle Bedeutung des Vorhandenseins von des Klima deutlich. Das Wasser in der Atmosphäre hat Wasser in allen drei thermodynamischen Phasen für die eine kurze Verweilzeit von Tagen: Jährlich fallen etwa bisherige Entwicklung des Lebens auf der Erde sowie 600.000 km3 als Niederschlag aus. Eine Klimaverände- für eine nachhaltige wirtschaftliche und soziale Ent- rung wird diesen Umsatz erhöhen oder die Verweilzeit wicklung der Menschheit ist unbestritten. Auch in Zir- erniedrigen, vor allem polwärts von 30° Breite. Man kulationsmodellen spielt Wasser sowohl für die globale nimmt an, dass eine mittlere globale Temperaturerhö- Umverteilung der ozeanischen Wassermassen, ange- hung von etwa 3 K eine Intensivierung des atmosphäri- trieben durch die thermohaline Zirkulation (GERDES schen Wasserkreislaufs von etwa 10 % bewirkt. et al. 2003), als auch für den Wasserdampftransport in der Troposphäre (RASCHKE und QUANTE 2002) die Die hohe Bedeutung der mit dem Wasserkreislauf ver- entscheidende Rolle.Wasser ist die effektivste Energie- bundenen Bedrohung zeigen folgende Zahlen: Zwi- senke in niederen Breiten, Transportmedium für Ener- schen 1991 und 2000 stieg die Anzahl der jährlich von gie und Quelle gespeicherter Energie in höheren Brei- so genannten Naturkatastrophen betroffenen Men- ten. Umfangreiche Messprogramme im Rahmen des schen von rund 150 Millionen auf mehr als 210 Millio- World Ocean Circulation Experiments (WOCE) und nen. Von diesen Katastrophen waren 90 % wasserbe- des Global Energy and Water Cycle Experiments dingt. Davon entfielen etwa 50 % auf Hochwasser, (GEWEX), zweier Komponenten im Weltklimafor- 28 % auf durch Wasser übertragene Krankheiten und schungsprogramm, haben in den letzten Jahren zur Ver- 11 % auf Dürren. Hochwasser verursachten 15 % und besserung der Modelle des Wasserkreislaufs geführt. Dürren 42 % aller Todesfälle bei diesen Katastrophen (UN-WWDR 2003). Maßnahmen zur Schadensredu- Der Hydrologe wie auch der Wasserwirtschaftler be- zierung bei Hochwasser umfassen technische Bauwer- fassen sich in der Regel nur mit einem kleinen Aus- ke wie Dämme und Deiche und ergänzend dazu Ana- schnitt des globalen Wasser-Kreislaufs, nämlich demje- lysen und Vorhersagen des Ablaufs von Hochwasserer- nigen Teil,der für die Kontinente relevant ist. Dennoch eignissen in Echtzeit, eine angepasste Flächennutzungs- sind die Ergebnisse der globalen Modellierung als planung und Ausweisung von Flächen zur Wasserrück- Randbedingungen für eine heute zumeist auf das Ein- haltung. In den letzten Jahrzehnten wurden die Drei- zugsgebiet von Flüssen beschränkte Modellierung von monats- und Langzeitwettervorhersagen derart verbes- ausschlaggebender Bedeutung. sert, dass das Wassermanagement und die Speicherbe- wirtschaftung in den betroffenen Gebieten erleichtert Wie Tab. 27-1 zeigt, hat Süßwasser mit etwa 2,6 % nur worden sind (UN-WWDR 2003; WMO 2003a). Die ge- einen geringen Anteil am globalen Wasservorkommen. nauen Auswirkungen von Klimaänderungen auf Was- Das meiste davon, nämlich 2 %, sind im Polar- und servorkommen sind ungewiss. Jüngste Schätzungen Meereis sowie in den Gletschern gebunden. Das für (UN-WWDR 2003) lassen jedoch darauf schließen, den Menschen zur Verfügung stehende Wasser beträgt dass Klimaveränderungen trotz insgesamt höherer somit höchstens 0,6 % der gesamten Wasservorkom- Niederschläge wesentlich für die Ausweitung der welt- men auf der Erde. 0,58 % von diesen 0,6 % sind Grund- weiten Wasserknappheit verantwortlich sein werden. wasser und Bodenwasser, nur 0,02 % speichern Seen und Flüsse und nur 0,001 % enthält die Atmosphäre. Für ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen klimatischen und hydrologischen Prozessen tra- Volumen (km³) Anteil in % Verweilzeit gen die drei Global Observing Systems, nämlich das Weltmeere 1 348 000 000 97,39 2500 Jahre Global Ocean Observing System (GOOS), das Global Polareis, Meereis, Gletscher 27 820 000 2,01 9000 Jahre Climate Observing System (GCOS) sowie das Global Grundwasser, 8 062 000 0,58 1400 Jahre Terrestrial Observing System (GTOS) und ferner das Bodenfeuchte 1 Jahr Global Terrestrial Network-Hydrology (GTN-H), eine Seen, 225 000 0,02 17 Jahre gemeinsame Einrichtung von GCOS und GTOS, we- Flüsse 16 Tage sentlich bei. Das Netzwerk umfasst sieben hydromete- Atmosphäre 13 0000,001 8 Tage orologische und drei abgeleitete Variable. Auf der Stauseen 8 000 <0,001 10 Jahre jüngsten 19. Sitzung des IPCC wurde entschieden, in Tab. 27-1: Menge und Verweilzeiten der Wasservorkommen. den 4. bewertenden IPCC-Bericht einen Abschnitt Werte aus SHIKLOMANOV 1997 und UN-WWDR über den Einfluss des Klimas auf die Wasservorkom- 2003. men aufzunehmen (WMO 2003b). 170 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Datenerhebung und Datenaustausch sind eine Voraus- • die Siedlungsentwässerung setzung für die Entwicklung zuverlässiger Modelle. durch Auswirkungen auf die Bemessungskriterien Die WMO hat durch zwei Resolutionen zu einem bzw. Sicherheiten der Entwässerungsnetze (hydrau- freien und ungehinderten internationalen Austausch lische Überlastung) für den Fall zukünftiger intensi- von meteorologischen (1995) und hydrologischen verer konvektiver Starkregen. (1999) Daten beigetragen. Auch die Arbeiten und Pro- dukte des Globalen Abflusszentrums [Global Runoff Die aus globalen Klimamodellen abgeleiteten Aussa- Data Centre (GRDC)] bei der Bundesanstalt für Ge- gen zu künftigen Klimaveränderungen beziehen sich wässerkunde in Koblenz, des Weltzentrums für Nieder- bisher im Wesentlichen auf großräumige Gebiete wie schlagsklimatologie [Global Precipitation Climatology z. B. Nordeuropa. Belastbare Angaben über Änderun- Centre (GPCC)] beim Deutschen Wetterdienst in Of- gen der hydrometeorologischen und hydrologischen fenbach und des International Groundwater Assess- Größen und des Wasserhaushalts im regionalen Maß- ment Centre (IGRAC) in Utrecht tragen erheblich zur stab liegen bislang kaum - zumindest noch nicht für erfolgreichen Arbeit von internationalen Programmen Süddeutschland - vor. Gerade solche Erkenntnisse und Projekten bei (STRIGEL et al. 2004). Wegen der sind jedoch notwendig, um eine zukunftsorientierte, starken räumlichen und zeitlichen Variabilität des Was- nachhaltige Wasserwirtschaftspolitik betreiben zu kön- serdargebots und des unzureichenden Wassermanage- nen. Im großräumigen Bereich heben sich die Un- ments befindet sich die Menschheit zu Beginn des 21. schärfen ein Stück weit auf. Es wird umso komplizier- Jahrhunderts in einer Weltwasserkrise. Die wasserbe- ter, je räumlich differenziertere Aussagen gefordert dingte Sterblichkeitsrate beträgt pro Jahr etwa 2 Milli- werden. Dies ist aber erforderlich, um handlungsorien- onen Menschen. 1 Milliarde Menschen sind nicht an ei- tiert vorgehen zu können. Die regionale Betrachtungs- ne Wasserversorgung angeschlossen und mehr als 2 weise ist somit unumgänglich. Milliarden leben ohne Abwasserentsorgung. Die vor- ausgesagten weiteren Änderungen des Klimas werden Der spektakulärste Bereich, in dem die Wasserwirt- die Wasserkrise zweifellos verschärfen. schaft betroffen sein kann, ist das Thema Hochwasser. Aber auch das Gegenteil, das Niedrigwasser, ist von Bedeutung. Es ist für die Binnenschifffahrt, die Nut- 2 Klima und regionale Wasserbewirtschaftung zung der Wasserkraft, die Nutzung als Kühlwasser für die Wärme-Kraftwerke, oder unter dem Aspekt der Aufgrund der engen Kopplung zwischen Klima und Wasserversorgung, der Grundwasserneubildung, der Wasserhaushalt können Klimaveränderungen (z. B. Wasserbeschaffenheit und der Verfügbarkeit des Was- verändertes Niederschlags- und Verdunstungsregime) sers zu beachten. Auch für den Gewässerschutz unter erhebliche Auswirkungen auf oberirdische Abflüsse dem Gesichtspunkt des jeweiligen Abflussverhaltens, und so mit Verzögerung auf das Grundwasser haben. der Temperaturverhältnisse und der Rückwirkung auf Die Veränderung dieser Wasserhaushaltsgrößen Flora und Fauna und des Stoffhaushalts innerhalb der wiederum hätte eine unmittelbare Auswirkung auf we- Gewässer, ist es von Bedeutung, sofern sich Wasser- sentliche Teilbereiche der Wasserwirtschaft, z. B. auf mengen und deren Temperaturen ändern. • den Hochwasserschutz durch die Veränderung der Höhe, Dauer und Häu- Wasserwirtschaftliche Maßnahmen, die einer mög- figkeit extremer Hochwasser und der damit einher- lichen Klimaveränderung begegnen, können erst dann gehenden Erhöhung des Schadensrisikos, geplant und realisiert werden, wenn regionale und lo- • die Wasserversorgung kale Daten über die wahrscheinliche zukünftige mete- durch die Änderung der Grundwasserneubildung orologische und hydrologische Situation und deren mit Auswirkungen auf die Verfügbarkeit und Be- Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft (Hochwasser, schaffenheit der Grundwasservorräte, Niedrigwasser, Stadtentwässerung, Grundwasserbe- • den Gewässerschutz wirtschaftung, Gewässergüte, Gewässerökologie) vor- durch die Änderung der jahreszeitlichen Abfluss- liegen. und Temperaturverhältnisse mit Auswirkung auf den Stoffhaushalt und die Beschaffenheit der Flüsse Es ist bisher schon eine grundlegende Aufgabe der und Seen, Wasserwirtschaft, Maßnahmen - bezogen auf das aus • die Gewässerentwicklung historischen Zeitreihen hydrometeorologischer und durch die Änderung der Dynamik der Fließgewäs- hydrologischer Größen bekannte bisherige Spektrum ser und Seen, ihrer morphologischen Verhältnisse, von Klimaschwankungen - zu bemessen und zu reali- ihres Wärmehaushalts und ihrer Ökosysteme, sieren. Für den Fall der zusätzlichen, anthropogen be- • die Bewirtschaftung der Gewässer dingten Klimaveränderung muss rechtzeitig geklärt durch die Änderung insbesondere der Betriebs- werden, ob, wo, wie und wann Auswirkungen einer weise der Hochwasser- und Trinkwasserspeicher, möglichen Klimaänderung in Bemessungsgrößen mit der Wasserkraftnutzung, der Schiffbarkeit der Ge- einbezogen und entsprechende wasserwirtschaftliche wässer und auch der landwirtschaftlichen Bewässe- Planungen erstellt bzw. Maßnahmen umgesetzt wer- rung, den müssen. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft 171

3 Klimaveränderung und Konsequenzen für die Die bisherigen Arbeitsschwerpunkte des Vorhabens Wasserwirtschaft - KLIWA KLIWA (1999 bis 2003) umfassen vor allem: - die Ermittlung von Veränderungen in den Messzeit- 3.1 Ziele des Kooperationsvorhabens KLIWA reihen hydrometeorologischer und hydrologischer Kenngrößen durch Analysen im Langzeitverhalten Das Vorhaben „Klimaveränderung und Konsequenzen (z. T. mehr als 100 Jahre), für die Wasserwirtschaft (KLIWA)“ wird in enger Zu- - verschiedene regionale Klimaszenarien zur Ab- sammenarbeit zwischen dem Deutschen Wetterdienst schätzung möglicher zukünftiger Auswirkungen der (DWD) und den Wasserwirtschaftsverwaltungen der Klimaveränderung auf den Wasserhaushalt, zum Länder Baden-Württemberg (BW) und Bayern (BY) Vergleich untereinander und zur Einordnung in Re- unter fachlicher Beteiligung der Bundesanstalt für Ge- lation zum bisherigen Langzeitverhalten und wässerkunde (BfG) durchgeführt (Abb. 27-1). - Klimaszenarien auf Wasserhaushaltsmodelle anzuwenden und zu bewerten. Die Ziele von KLIWA sind: - die bisherigen Veränderungen durch Untersuchun- gen langer Messzeitreihen der Wasserhaushaltsgrö- 3.2 Ergebnisse aus dem Langzeitverhalten hydrome- ßen in Süddeutschland nunmehr in hoher räum- teorologischer und hydrologischer Größen licher und zeitlicher Auflösung zu erfassen, - die Auswirkungen möglicher zukünftiger Klimaver- Im Gegensatz zu den punktförmig ermittelten hydro- änderungen auf den Wasserhaushalt der Flussgebie- meteorologischen Größen ist die Abflussmessung als te in Süddeutschland durch Klimaszenarien-Berech- ein Flächenintegral über einem Einzugsgebiet zu be- nungen zu ermitteln bzw. abzuschätzen, trachten. Somit muss der räumlichen Übertragung der - Veränderungen im Rahmen eines integrierten hydrometeorologischen Punktmessungen auf die jewei- hydrometeorologisch-wasserwirtschaftlichen Mess- lige Fläche eine genaue zeitlich-räumliche Datenprü- netzes zu überwachen und mit den Szenarien-Be- fung vorangehen, um mit Hilfe von Regionalisierungs- rechnungen zu vergleichen sowie verfahren gebietsbezogene Werte oder Rasterwertver- - wasserwirtschaftliche Handlungsempfehlungen - so- teilungen ermitteln zu können. Als Gebietswerte für 33 weit erforderlich - abzuleiten. hydrologisch orientierte Untersuchungsgebiete auf der Basis von Rasterwerten liegen statistische Kennzahlen

Abb. 27-1: Übersicht über die Projekt-Teilbereiche des Kooperationsvorhabens KLIWA, Stand: Dezember 2003. 172 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 und Trendangaben der Lufttemperatur, des Nieder- Schneedeckendauer und eine Änderung in der schlags und der Verdunstung vor (Abb. 27-2). Die Er- Schneeschmelze. Man findet einen Rückgang der mitt- gebnisse zum Langzeitverhalten der Starkniederschlä- leren Anzahl der Tage mit einer Schneedecke in tiefe- ge und des Schneedeckenregimes sind als regionali- ren und mittleren Höhenlagen (unterhalb von etwa sierte Punktverteilungen und als Rasterwerte verfüg- 800 m ü. NN) von bis zu 40 %. Gleichzeitig nimmt der bar. Da noch im Laufe des Jahres 2004 eine Reihe von Niederschlag sowohl im Gebietsmittel als auch in den Abschlussberichten in der Schriftenreihe KLIWA er- stationsbezogenen Starkniederschlägen regionalspezi- scheinen wird und zudem einige Kurzberichte bereits fisch im Winterhalbjahr zu. Ursache dafür sind intensi- im Internet (unter www.kliwa.de) abrufbar sind, kann vere und länger anhaltende Niederschläge. Die Ge- sich die Ergebniszusammenstellung auf die folgenden bietsniederschläge liefern bei nahezu gleich bleiben- Aussagen für Süddeutschland beschränken. dem Jahresniederschlag deutliche Zunahmen im meteorologischen Winter und Frühjahr und gegenläufig da- Die Jahresmitteltemperatur 1931 bis 2000 variiert in zu trockenere meteorologische Sommer. Die halb- den Gebietswerten der 33 Untersuchungsgebiete Süd- jährlichen Höchstwerte der Starkniederschläge zeich- deutschlands (Abb. 27-2) zwischen 6,4 °C (Illergebiet) nen sich durch eine deutliche Zunahme (bis zu 35 %) und 9,7 °C (Rhein zwischen Murg und Neckar); der und einer wachsenden Anzahl von Stationen mit mittlere Jahresniederschlag zeigt Unterschiede in den Trendsignifikanz zu höheren Dauerstufen (von 1 bis 10 Gebietswerten von 720 mm/a (Main zwischen Regnitz Tagen) im hydrologischen Winterhalbjahr aus. Es sind und Fränkische Saale) bis 1740 mm/a (Illergebiet). regionale Schwerpunkte am Schwarzwald und im Nordosten Baden-Württembergs sowie in Franken Entsprechend dem allgemeinen Trend für Mitteleuro- und Teilen des Bayerischen Waldes festzustellen. Zu- pa ist in den Zeitreihen eine flächendeckende Zunah- sammen mit einem häufigeren Auf- und Abbau der me der Lufttemperatur zu erkennen. Im Anstieg der Schneedecke in tieferen und mittleren Höhenlagen Monatsmitteltemperatur ragt das hydrologische Win- wächst das Niederschlagsdargebot (Summe aus Regen terhalbjahr (November bis April) und dort vor allem und Wasserabgabe aus der Schneedecke) an. der Dezember mit regionsspezifischen Werten zwischen 1,8 und 2,7 K/mon heraus. Die Temperaturzu- Im hydrologischen Sommerhalbjahr (Mai bis Ok- nahme im Winterhalbjahr bedingt eine Abnahme der tober) dagegen sind nur geringe bis keine Trendände-

Abb. 27-2: Untersuchungsgebiete (33) und KLIWA-Regionen (9) in Süddeutschland für die Berechnung von Gebietswerten zum Lang- zeitverhalten hydrometeorologischer Parameter und für den Vergleich mit Klimaszenarien. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft 173 rungen zu beobachten: Tendenziell zeigen sich - mit Niveau einzuschwingen scheint. Diese Veränderungen Ausnahme des Monats August - trockenere Sommer der Zirkulationstypen spiegeln sich deutlich im Lang- mit nur einer geringen Zunahme der Lufttemperatur. zeitverhalten der Starkniederschläge wider.

Diese Veränderungen gehen mit einer Umstellung der Die erwähnten Änderungen der hydrometeorologi- Zirkulationstypen etwa ab Mitte der 60er Jahre einher. schen Größen haben Auswirkungen auf das mittlere Von besonderem Interesse ist dabei das bevorzugte Verhalten des Gebietswasserhaushalts. Während das Auftreten von Starkniederschlagsereignissen bei be- Langzeitverhalten der Hochwasserabflüsse bei der stimmten Zirkulationstypen. In den Abbildungen überwiegenden Anzahl der Pegel noch keine Verände- 27-3a und 27-3b ist daher die relative Häufigkeit von rung der Jahreshöchstabflüsse zeigt, lassen die Abfluss- Zirkulationstypen bei Starkniederschlagsereignissen zeitreihen in den letzten 30 bis 40 Jahren regional eine im zeitlichen Verlauf von 1931 bis 2000 aufgetragen. Es Zunahme der Hochwasserabflüsse erkennen. Die mitt- ist deutlich zu erkennen, dass das Auftreten der jeweils leren monatlichen Hochwasserabflüsse sind im Win- 50 größten Starkniederschlagsereignisse (partielle Se- terhalbjahr ab den 70er Jahren höher als in der Zeit da- rie) im Vergleich zur Gesamthäufigkeit dieser Wetter- vor (AK KLIWA 2002). Lediglich die Häufigkeit klei- lagen in Süddeutschland während des hydrologischen nerer Hochwasser hat bevorzugt im Winterhalbjahr Winterhalbjahrs sehr eng mit dem zonalen Zirkula- gebietsweise zugenommen. tionstyp - vor allem den zyklonalen Westlagen - ver- knüpft ist. Das Maximum der Kopplung wird in den Die klimatischen Bedingungen in Süddeutschland mit 60er bis 80er Jahren erreicht und pendelt sich daran Auswirkungen auf den gesamten Wasserhaushalt ha- anschließend auf einem höheren Niveau ein. Im hydro- ben sich im vergangenen Jahrhundert - insbesondere logischen Sommerhalbjahr dagegen ist ein Anstieg des während der letzten drei Jahrzehnte - erkennbar ver- bevorzugten Auftretens von Starkniederschlägen bei ändert. Die Trends überschreiten regionalspezifisch dem meridionalen Zirkulationstyp - vor allem bei den und interannuell die bisher aus langen Messzeitreihen Großwetterlagen Trog über Westeuropa und Trog über bekannte natürliche Schwankungsbreite bei einigen Mitteleuropa - ab den 70er Jahren zu verzeichnen, der Untersuchungsgrößen. Sie legen daher den Einfluss sich ebenfalls ab den 90er Jahren auf einem höheren des Menschen auf das globale und regionale Klima nahe, der in der internationalen Klimaforschung grund- (a) sätzlich nicht mehr in Frage gestellt wird. Auch wenn die regionalen Änderungen noch nicht mit sehr hoher statistischer Sicherheit der menschlich verursachten globalen Klimaveränderung zugeschrieben werden können, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass sich das regionale Klima sehr wahrscheinlich auch in der Zukunft weiter verändern wird. Allerdings bestehen in der Bewertung und Beurteilung über das Aus- maß der zukünftigen regionalen Entwicklung noch erhebliche Unsicherheiten.

3.3 Vergleich von regionalen Klimaszenarien (b) Um eine Basis für die Ableitung wasserwirtschaftlicher Handlungsstrategien schaffen zu können, ist es notwendig, mit Hilfe geeigneter regionaler Klimaszena- rien rasch Aussagen über Veränderungen der hydrometeorologischen Größen im süddeutschen Raum für den Planungshorizont der nächsten Jahrzehnte zu erhalten.

Alle bis heute in Betracht kommenden regionalen Kli- mamodelle und statistischen Verfahren weisen aus verschiedenen Gründen Unsicherheiten auf und haben Vor- und Nachteile, so dass eine zu bevorzugende Me- thode nicht erkennbar ist. Erstes Ziel im Zuge der Er- Abb. 27-3: Relative Häufigkeit von Zirkulationstypen bei Stark- mittlung zukünftiger Klimaszenarien für das Vorhaben niederschlägen für das hydrologische Sommerhalb- KLIWA musste daher sein, durch unterschiedliche jahr (a) und Winterhalbjahr (b), Zeitraum 1931 bis Modelle und Methoden eine Bandbreite von Ergeb- 2000. nissen zu erhalten. Die jeweiligen Ergebnisse sollten 174 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 durch entsprechende Vorgaben vergleichbar sein, um sind und relativ geringe Abweichungen bei der sie vor dem Hintergrund des bisherigen Erkenntnis- Verifikation auftreten (GERSTENGARBE et al. standes über das Langzeitverhalten hydrometeorologi- 2002). Nachteilig wirkt sich aus, dass die Verände- scher Größen zu bewerten. Wie in Abschnitt 2 be- rungen von Wasserhaushaltsgrößen auf dem Kli- schrieben, sind von den Niederschlagsänderungen vor ma der Vergangenheit basieren, so dass keine allem diejenigen im hydrologischen Winterhalbjahr für neuen Extrema und Änderungen im Andauer- den Hochwasserschutz besonders wichtig. Die Ergeb- verhalten simuliert werden können; Veränderun- nisse der Klimaszenarien werden als Eingangsgrößen gen in den Zirkulationsmustern bleiben ebenfalls für Wasserhaushaltsberechnungen verwendet. Sie um- zum Teil unberücksichtigt. fassen folgende Größen: Niederschlag, Lufttempera- 2. Es werden die vom ECHAM4 prognostizierten tur, relative Luftfeuchte, Luftdruck, Globalstrahlung (weniger sicheren) Zirkulationsmuster bzw. Wet- oder Sonnenscheindauer und Windgeschwindigkeit. terlagen verwendet und über eine objektive Wet- terlagenklassifikation statistisch mit den bis- Die Vergleichbarkeit der Szenarien wurde durch fol- herigen Beobachtungen/Messungen verknüpft gende Vorgaben erreicht: (ENKE 2003). - Alle regionalen Modelle nutzen Ergebnisse des glo- Dabei können neue Extrema mit veränderter balen Klimamodells ECHAM4 des Max-Planck-In- Dauer gefunden werden; die Verifikation zeigt stituts für Meteorologie in Hamburg (MPI) für das geringe Abweichungen. Von Nachteil ist, dass Emissionsszenario B2, weil letzteres eine eigenstän- großräumige Zirkulationsveränderungen, wie dige europäische Umweltgesetzgebung und Um- z. B. die ausgeprägte Zunahme der Westwetterla- weltpolitik zulässt. gen im ECHAM4, auch im regionalen Skalenbe- - Die Güte der regionalen Simulationen wird durch reich verstärkt auftreten und somit die Nieder- Vergleich mit und Anpassung an Mess- und Beob- schlagsverteilungen gleichen Wetterlagentyps achtungsdaten von 1971 bis 2000 überprüft. Da- identisch sind. durch werden die veränderten Bedingungen der 3. Es werden alle vom ECHAM4 prognostizierten jüngsten Vergangenheit berücksichtigt. Im parallel und mit Unsicherheiten verbundenen Größen als durchzuführenden Kontrolllauf wird der Einfluss Antrieb für das doppelt genestete regionale Kli- des globalen Klimamodells (ECHAM4) für die glei- mamodell REMO (1/6 Grad) eingesetzt (JACOB che Zeitreihe sichtbar. Mit Hilfe des Kontrolllaufs und BÜLOW 2003). werden aber auch die Differenzen zum vorgesehe- Die dynamische regionale Klimamodellierung ist nen Szenarienzeitraum bestimmbar, wodurch syste- das prinzipiell am besten geeignete Instrument matische Fehler des ECHAM4 zum Teil ausge- zur Ermittlung zukünftigen Klimas, wobei zusätz- glichen werden können. lich eine höhere zeitliche Auflösung möglich ist. - Für den Zeitraum 1951 bis 2000 werden geprüfte lü- Die bisherigen Ergebnisse sind jedoch noch un- ckenlose und homogenisierte Datensätze von rund befriedigend, weil eine Reihe ungelöster Fragen 75 Klimastationen und 450 Niederschlagsstationen weitere Entwicklungsarbeiten erforderlich ma- bereitgestellt. chen; z. B. bei der verbesserten Simulation des - Für die Verifikations- und Validierungsläufe werden Wasserkreislaufs sowie dessen Jahresgang und statistische Kennzahlen zu den Mittel- und Extrem- interannuelle Variabilität in der Atmosphäre werten sowie zum Andauerverhalten der oben ge- (Wasserdampf, Wolkenwasser) und am Boden nannten hydrometeorologischen Größen festge- (Schnee, Bodenwasser, Grundwasser, Abfluss). schrieben. - Für den Vergleich der Regionalmodelle wird ein Die Punktergebnisse der beiden statistischen Verfahren einheitlicher, in der näheren Zukunft liegender (PIK und Meteo-Research) zur Ermittlung von Klima- Zeithorizont von 2021 bis 2050 festgelegt. szenarien für 2021 bis 2050 wurden in regionalisierte - Die Ergebnisse der Modellrechnungen sind als Ta- Zeitreihen täglicher Werte für Rasterfelder umgerech- geswerte bereitzustellen. Ausnahme ist die Model- net. Die Ergebnisse des regionalen dynamischen Mo- lierung des MPI, die Stundenwerte liefern kann. dells (MPI) liegen als Zeitreihen stündlicher Werte in Form von Rasterwertdateien (etwa 18 km x 18 km) vor. Die ausgewählten Klimamodelle und statistischen Ver- Um diesen Unterschieden in den Ausgabedatensätzen fahren unterscheiden sich in den vom Klimamodell der Klimaszenarien-Berechnungen sowie den darin ECHAM4 benötigten Eingaben auf folgende Weise: enthaltenen Unsicherheiten Rechnung zu tragen, wurden einfache und robuste Verfahren zur Regionalisie- 1. Das statistische Downscaling nutzt nur die vom rung der Klimaszenarien gewählt. Zum Vergleich wur- ECHAM4 prognostizierte (relativ sichere) Tem- den zunächst die in Abb. 27-2 dargestellten - aus den 33 peraturverteilung und stellt einen Zusammen- Untersuchungsgebieten abgeleiteten und zusammenhang mit den bisherigen Beobachtungen und gefassten - neun KLIWA-Regionen für Süddeutsch- Messungen her. land definiert und Mittelwerte der Temperatur und des Der Vorteil besteht darin, dass die systematischen Niederschlags für 2021 bis 2050 von allen drei Model- Fehler des ECHAM4 auf ein Minimum reduziert lierergruppen eingetragen und gegenübergestellt. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft 175

(a) Wie aus den Untersuchungen zum Langzeitverhalten der hydrometeorologischen Größen hervorgeht, treten in den Jahren 1971 bis 2000 neben den positiven Temperaturver- änderungen vor allem auch die Niederschlagszunahmen im hydrologischen Winterhalbjahr hervor.

Dieser Trend setzt sich im hydrologischen Winterhalbjahr bei mittleren Zunahmen der Lufttemperatur zwischen +1,0 und +2,0 K über Süd- deutschland entsprechend den Mo- dellberechnungen in der Zukunft in unterschiedlichem Ausmaß fort. Die Berechnungen des PIK (nur mit der Leitgröße Lufttemperatur aus dem (b) globalen Modell) weisen gegenüber dem heutigen Klima (1971 bis 2000) fast keine Niederschlagsverände- rungen auf. Sie liefern somit die untere Grenze der Bandbreite (Abb. 27-4a). Mit der Leitgröße „Wetterla- genklassifikation“ sind nach EN- KE/Meteo-Research (2003) in Süd- deutschland kräftige Niederschlags- zunahmen zu erwarten (Abb. 27-4b). Das dynamische Downscaling des MPI (mit dem Randantrieb durch ECHAM4 bzw. REMO 1/2 Grad) liegt im Mittelfeld (Abb. 27-4c). Zu berücksichtigen ist allerdings, dass bei den beiden statistischen Verfah- ren nur geringe Abweichungen im Verifikationslauf zu beobachten (c) sind, während beim dynamischen Modell zwischen Kontrolllauf und dem heutigem Klima bereits erhebliche Überschätzungen der winterlichen Niederschläge auftreten (Abb. 27-5). Die Überschätzung der Winterniederschläge aus ECHAM4 kann demnach nur zum Teil durch REMO (1/6 Grad) kompensiert werden.

Im hydrologischen Sommerhalbjahr erweitert sich die Bandbreite der drei verschiedenen Modellergeb- nisse erheblich. Die Ursachen liegen in der hohen zeitlichen und räum- lichen Variabilität konvektiver Niederschläge. Diese führen sowohl bei der Übertragung der Punktmes- Abb. 27-4: Vergleich der Ergebnisse aus Szenarien-Berechnungen - Differenz (in %) sungen eines Bodenniederschlags- zwischen Szenarium für 2021 bis 2050 und Messungen oder Kontrolllauf von messnetzes auf die Fläche zu erhöh- 1971 bis 2000 für den Niederschlag im hydrologischen Winterhalbjahr von (a) ten Unsicherheiten bei der Erfas- PIK, (b) Meteo-Research und (c) MPI. sung des heutigen Klimas und erst 176 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

derungen sind wasserwirtschaftliche Aufgaben.

4.2 Modelle des Wasserhaushalts

Zur Untersuchung der Folgen des Klimawandels für Flussgebiete Bayerns und Baden-Württembergs sowie für das internationale Ein- zugsgebiet des Rheins mit den im Rahmen des Projekts KLIWA erstellten regionalen Klimaszenarien kommen die national und international anerkannten und erprobten Wasserhaushaltsmodelle LARSIM (BREMICKER 2000; EBEL et al. 2000) und ASGi (SCHULLA Abb. 27-5: Vergleich zwischen Kontrolllauf und gemessenem Niederschlag in den hyd- 1997; KLEEBERG et al. 1999) so- rologischen Winterhalbjahren 1971 bis 2000, MPI. wie das Niederschlag-Abfluss-Mo- dell HBV-SMHI zum Einsatz recht bei der Simulation von Klimaszenarien. Davon (BERGSTRÖM 1996). betroffen sind sowohl statistische Verfahren als auch die regionale dynamische Klimamodellierung. Bei letz- Für die gesamte Fläche Baden-Württembergs wurden terer dürfte die bei einer Maschenweite von 1/6 Grad Wasserhaushaltsmodelle auf der Basis des Programm- noch unzureichende Konvektionsparameterisierung systems LARSIM (Large Area Runoff Simulation Mo- einen Einfluss haben. del) erstellt. Bei einem Flächenraster von 1 km x 1 km werden die Prozesse Interzeption, Verdunstung, Schneedeckenaufbau, -setzung und -schmelze, Boden- 4 Auswirkung der Klimaveränderungen auf den wasserspeicherung, horizontaler Wassertransport so- Wasserhaushalt/Abfluss - Erste Ergebnisse aus wie Speicherung in Gerinnen und Seen beschrieben. den KLIWA-Pilotprojekten Das Modellsystem ASGi (Kontinuierlicher Abfluss- 4.1 Bedeutung der Wasserhaushaltsmodellierung und Stofftransport - integrierte Modellierung unter Nutzung von GIS) basiert in seinem Modul „Wasser- Die Modellierung der Wasserhaushaltskomponenten haushalt/Abfluss“ im Wesentlichen auf dem Modell reale Verdunstung, Grundwasserneubildung, Boden- WASIM-ETH und wird in Bayern genutzt. Das Modell feuchte, Wasseräquivalent der Schneedecke und HBV (Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning) schließlich Abfluss hat in der operativen Hydrologie ist eine Entwicklung des SMHI (Swedish Meteorologi- und Wasserwirtschaft in den letzten Jahren an Bedeu- cal and Hydrological Institute). Die hydrologische Be- tung gewonnen. Bisher wurden für Bemessungsfragen rechnungseinheit bilden Teileinzugsgebiete, innerhalb und den Betrieb wasserwirtschaftlicher Anlagen die derer über eine Flächen-Höhen-Verteilung in Verbin- entsprechenden hydrologischen Modelle meist für dung mit einer groben Landnutzungsunterteilung kli- kleine (<500 km2, untere Mesoskala) bis mittelgroße matologische und landnutzungsbedingte Heteroge- Einzugsgebiete (<5000 km2, obere Mesoskala) erstellt. nitäten, insbesondere zur Modellierung der Schnee- Mittlerweile treten Untersuchungen zu den Folgen der prozesse berücksichtigt werden können. Es wurde ur- großflächigen Veränderungen unserer Landschaft und sprünglich als ein auf Tageswertbasis arbeitendes zu den Auswirkungen von Klimaveränderungen in den Langzeitsimulationsmodell entwickelt. Die Modell- Vordergrund. Somit verstärkt sich auch die Forderung konzeption erlaubt aber auch Anwendungen des Mo- nach der hydrologischen Modellierung großer Fluss- dells für kleinere Zeitschritte. und Stromgebiete (>10000 km2, Makroskala). Die hydrologische Modellierung einzelner Flussgebiete Integriertes Flussgebietsmanagement heißt die Heraus- unter Verwendung der drei im Rahmen von KLIWA forderung heute. Sie zielt auf die Verbesserung des entwickelten regionalen Klimaszenarien von PIK, von Hochwasserschutzes und der Hochwasservorsorge, aber Meteo-Research und dem MPI (s. Abschnitt 3.3) steht auch der Sicherung des Wasserdargebots, insbesondere erst am Anfang. Hier soll deshalb nur die Vorgehens- in Niedrigwasserzeiten, ab. Aber auch die Aufrechter- weise bei der Umsetzung der Ergebnisse regionaler Kli- haltung der vielfältigen Nutzungen eines Gewässers, wie mamodelle mit hydrologischen Modellen dargestellt z. B. der Wasser- und Energieversorgung, der Schifffahrt und die damit verbundenen Probleme erläutert werden. sowie zur Gewährleistung ökologischer Mindestanfor- Die wesentlichen Wasserspeicher- und Wassertrans- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft 177

Tab. 27-2: Kenndaten der im Pro- Name Räumliche Anzahl Land- Verdunstungsansatz Anwendungsgebiet jekt KLIWA benutzten Auflösung nutzungseinheiten hydrologischen Modelle. LARSIM 1 km x 1 km 16 PENMAN-MONTEITH Baden-Württemberg flächendeckend LARSIM 18 km x 18 km 14 PENMAN-MONTEITH/ Rhein bis zur deutsch- THOMPSON et al. (1981) niederländischen Grenze ASGi 1 km x 1 km bis zu 20 PENMAN-MONTEITH, u. a. oberer Main, WENDLING, HAMON Regnitz, Naab HBV-SMHI ~1000 km2 2 FAO-Gras-Referenz- Rhein bis zur deutsch- verdunstung klimatologisch, niederländischen Grenze WENDLING (1995) portprozesse in und aus einem Flusseinzugsgebiet, die von den in Tab. 27-2 aufgeführten hydrologischen Mo- dellen berücksichtigt werden, sind in Abb. 27-6 schematisch dargestellt. Unterschiede zwischen den Mo- dellen bestehen einerseits in der Detailliertheit der Be- schreibung der Abflussbildungsprozesse und andererseits in der zu Grunde gelegten räumlichen Auflösung. Der Rechenzeitschritt der gegenwärtigen Modelle be- trägt 1 Tag und es können kontinuierliche Simulatio- nen von z. B. 30-jährigen Zeitreihen problemlos durch- geführt werden. Dieser Zeitschritt kann im Bedarfsfall, z. B. für spezielle Hochwasseranwendungen, auch auf 1 Stunde reduziert werden. Hierzu ist in der Regel aber eine Neukalibrierung des hydrologischen Modells erforderlich.

Mit dem Grad der räumlichen Auflösung wächst die Anforderung an die Genauigkeit der hydrometeorologischen Eingangsgrößen. Die wichtigste Eingabe für die Wasserhaushaltsberechnung ist die regionalisierte Niederschlagsverteilung, bezogen auf das gewählte Modellraster; hilfsweise werden dazu auch Hinter- grundfelder herangezogen, die normiert räumliche Verteilungen des Niederschlags in Abhängigkeit von den Wetterlagen und topographischen Verhältnissen widerspiegeln. Abb. 27-6: Komponenten (Wasserspeicher und -transportpro- zesse) hydrologischer Modelle zur Beschreibung der Die wesentlichen Arbeitsschritte bei der Umsetzung Abflussbildungs-, -konzentrations und Wellenablauf- der regionalen Klimaszenarien in die hydrologischen prozesse in Flusseinzugsgebieten (nach BRE- Modelle sind aus Abb. 27-7 ersichtlich. Aussagen für MICKER 2000). zukünftig zu erwartende Veränderungen der hydrometeorologischen Größen (z. B. Niederschlag und Luft- temperatur) können am besten durch den Vergleich zwischen simuliertem Ist-Zustand und Zukunftsszena- rien gemacht werden (siehe Abschnitt 3.3), weil dabei vorhandene systematische Fehler des Klimamodells zumindest teilweise eliminiert werden. Die so gewon- nenen hydrologischen Änderungen bilden die Basis für eine Abschätzung der Wirkungen auf die Wasser- wirtschaft.

4.3 Erste Ergebnisse für verschiedene Einzugsgebiete

Rhein

Hier werden beispielhaft die Ergebnisse von HBV- SMHI, angetrieben von REMO, bis zur deutsch-nieder- Abb. 27-7: Generelle Vorgehensweise bei der Nutzung von Kli- 2 ländischen Grenze (Einzugsgebiet AEo = 159500 km ) maszenarien für Wasserhaushaltssimulationen (bezo- vorgestellt. In den Abb. 27-8 bis 27-11 sind die Ergeb- gen auf die Abflüsse). 178 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 nisse des Modells HBV-SMHI für den Rheinpegel An- dernach zwischen Mittel- und Niederrhein mit einem Einzugsgebiet von 139549 km2 Fläche wiedergegeben. Der Jahresgang des Abflusses (Abb. 27-8) zeigt, dass das Abflussregime in Andernach immer noch stark von dem des Rheins an der deutsch/schweizerischen Gren- 2 ze bei Basel (AEo = 36035 km ) geprägt ist. Bezogen auf den mittleren Jahresabfluss (MQ) bei Andernach beträgt der Abflussanteil des alpinen Einzugsgebietes noch immer etwa 60 % (Abb. 27-11). Aus Abb. 27-8 ist ebenfalls die Größenordnung der Unsicherheiten der hydrologischen Modellierung zu entnehmen. Das der- Jahre zeitig angeeichte Modell HBV-SMHI weist eine leich- Abb. 27-9: Gleitendes Mittel (365 Tage) der Tagesmittel des Ab- te systematische Unterschätzung der Abflüsse im flusses am Pegel Andernach/Rhein für die mit HBV- hydrologischen Winterhalbjahr sowie eine geringe SMHI simulierten Abflüsse unter Verwendung der Überschätzung der Abflüsse in den meisten Monaten regionalisierten Werte des REMO-Kontrolllaufs des hydrologischen Sommerhalbjahres auf. Die Unsi- (blaue Linie), des REMO-Szenarienlaufs 2021 bis cherheiten bewegen sich aber insgesamt gesehen im 2050 (rote Linie) sowie gemessener meteorologischer Rahmen der derzeit generell mit hydrologischen Mo- Größen (schwarze Linie). dellen erreichbaren Genauigkeit. Um REMO-Modell- ergebnisse auf HBV-SMHI anzuwenden, wurden die Niederschlags- und Temperaturreihen zu Tageswerten aufsummiert und anschließend zu Gebietswerten für 134 Teileinzugsgebiete des Rheins zusammengefasst. Damit stehen Zeitreihen für den Kontrolllauf (1971 bis 2000) sowie für 2021 bis 2050 als Eingangsdaten für die hydrologische Modellierung zur Verfügung.

Die mit Szenarien des Niederschlags und der Tempe- ratur berechneten Abflüsse zeigen im Vergleich zu den mit Messungen erzielten Modellergebnissen, dass die interannuelle Variabilität des Abflusses zufriedenstel- lend wiedergegeben wird (Abb. 27-9). Es sind jedoch Monate systematische Unterschiede bei Mittelwerten zu er- Abb. 27-10: Mittlere monatliche Abflüsse am Pegel Andernach/ kennen, die deutlich in der Darstellung des Abflussre- Rhein, basierend auf drei Simulationen mit HBV- gimes (Abb. 27-10) hervortreten. Der Jahresabfluss bei SMHI unter Verwendung des REMO-Kontrolllaufs (blaue Linie), des REMO-Szenarienlaufs 2021 bis Andernach steigt zwischen Kontroll- und Szenarien- 2050 (rote Linie) sowie gemessener meteorologi- lauf um etwa 50 % an. Die in Abb. 27-11 ebenfalls dar- scher Größen (schwarze Linie). gestellten Änderungen des Jahresabflusses am Rhein- pegel Basel sowie der größeren Nebenflüsse des Rheins belegen, dass diese starke Zunahme in allen

Abb. 27-11: Änderungen der mit dem REMO-Kontrolllauf als Eingang berechneten mittleren jährlichen Abflüsse und der Variationskoeffizienten für Pegel der wichtigsten Nebenflüsse des Rheins sowie am Pegel An- dernach/Rhein, bezogen auf die mit dem REMO- Monate Szenarienlauf 2021 bis 2050 (rote Linie) simulierten Abflüsse unter Verwendung von HBV-SMHI. Abb. 27-8: Mittlere monatliche Abflüsse am Pegel Andernach/ Weiterhin ist der Anteil der Nebenflüsse am Abfluss Rhein basierend auf Pegelmessungen (1961 bis 1990) des Rheins am Pegel Andernach/Rhein dargestellt bzw. Simulationen mit HBV-SMHI. (durchgezogene Linie). promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft 179

Flussgebieten auftritt. Gleichzeitig schrumpft die Vari- (a) abilität der täglichen Abflusswerte, hier ausgedrückt als Variationskoeffizient, im Szenarium gegenüber dem Kontrolllauf.

Die in den REMO-Ergebnissen (s. Abschnitt 3.3) of- fenkundige Niederschlagszunahme tritt also im Ab- fluss wesentlich verstärkt zu Tage. Dies belegt die Sen- sitivität hydrologischer Systeme gegenüber Änderun- gen im Niederschlag. Diese gerade von numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen am schwierigsten vorherzusagende Größe ist die wichtigste für die hydrologisch-wasserwirtschaftliche Klimafolgenab- schätzung. (b)

Neckar

In Abb. 27-12a und b sind die Ergebnisse der Simula- tion des Wasserhaushalts mit dem Modell LARSIM bei 1 km2 Auflösung für den Pegel Rockenau am Ne- 2) ckar (AEo = 12676 km dargestellt. Die monatlichen mittleren Abflüsse (MoMQ) nach ENKE/Meteo-Re- search sowie mit REMO/JACOB/MPI werden mit dem statistischen Verfahren zwar besser nachgebildet als mit dem dynamischen Modell, aber beide Ergeb- nisse sind dennoch befriedigend. Der Vergleich zwischen den Perioden 1971 bis 2000 und 2021 bis 2050 Abb. 27-12: Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulation der mitt- zeigt für beide Verfahren der Klimaszenarienberech- leren monatlichen Abflüsse mit dem Zukunftssze- nungen eine starke Zunahme des Abflusses, vor allem narium nach ENKE/Meteo-Research (a) und RE- in den Wintermonaten. MO (b) am Pegel Rockenau/Neckar. (a) Oberes Maingebiet

Das Einzugsgebiet des Oberen Main mit einer Fläche von nur etwa 4400 km2 wurde aus den bayerischen Flussgebieten, für die das Modellsystem ASGi bereits angepasst ist, als Pilotprojekt ausgewählt. Es wurde der Wasserhaushalt mit den Ergebnissen aller drei Klimaszenarien für den Zeitraum 2021 bis 2050 in vol- ler räumlicher (1 km x 1 km) und zeitlicher (Tages- schritte) Auflösung simuliert. Für den Pegel Kem- mern, den Auslasspegel des Untersuchungsgebiets, zeigen die Abb. 27-13a und b die mittleren monatlichen (MoMQ) und die höchsten (MoHQ) Abflüsse (b) pro Monat für 1971 bis 2000, den mit ASGi simulierten Ist-Zustand und das „mittlere“ der drei Zukunfts- szenarien (ENKE/Meteo-Research 2003). Die Gang- linien für die simulierten Ist-Zustände der Abflüsse zeigen eine ausreichende Übereinstimmung. Die mittleren Abflüsse für 2021 bis 2050 nehmen in den Win- termonaten deutlich zu.

Eine vertiefte Bewertung weiterer Simulationen wird die Betroffenheit wasserwirtschaftlicher Nutzfunktio- nen und Schutzsysteme infolge des Klimawandels erkennen und Anpassungsstrategien entwickeln lassen. Abb. 27-13: Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulation der mittleren monatlichen Abflüsse (a) und der mittleren monatlichen Hochwasserabflüsse (b) mit dem Zu- kunftsszenarium nach ENKE/Meteo-Research am Pegel Kemmern/Oberer Main. 180 H. Bartels et al.: Klima und Wasserwirtschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

5 Ausblick ENKE, W. (Meteo-Research), 2003: Abschlussbericht - Anwen- dung einer Wetterlagenklassifikation für Süddeutschland auf Im Projekt KLIWA steht zunächst die exemplarische Kontrolllauf und Szenario eines transienten ECHAM4 Klima- simulationslaufs (Szenario B2) zur Abschätzung regionaler Behandlung der Frage hinsichtlich einer möglichen zu- Klimaänderungen für Süddeutschland. Meteo-Research, Ber- künftigen Hochwasserverschärfung im Vordergrund. lin, im Auftrag des AK KLIWA, unveröffentlicht, 55 Seiten Hochwasserereignisse in den betrachteten Regionen Text,Abbildungen und Tabellen im Anhang. sind vorrangig mit winterlichen Starkniederschlägen GERDES,R., C. W. BÖNING, J. WILLEBRAND, 2003: Allge- verbunden. Somit liefern die in den Pilotuntersuchun- meine Zirkulationsmodelle, Ozean, promet 29, H. 1/4, 15-28. gen eingesetzten Szenarienergebnisse für 2021 bis 2050 GERSTENGARBE, F. W., P. C. WERNER, H. ÖSTERLE, T. von REMO/MPI und ENKE/Meteo-Research auf ZENKER (PIK), 2002: Abschlussbericht zum Werkvertrag Grund der zunehmenden winterlichen Starknieder- B-Nr. 10029524/43, Potsdam-Institut für Klimafolgenfor- schläge deutliche Hinweise auf eine solche Verschär- schung e.V., Potsdam, im Auftrag des AK KLIWA, unveröf- fung. Die Klimaszenarien folgen damit dem in den fentlicht, 29 Seiten Text, Abbildungen und Tabellen im An- letzten drei Jahrzehnten des vergangenen Jahrhun- hang. derts gefundenen Trend. JACOB, D., K. BÜLOW (MPI), 2003: Abschlussbericht - Dyna- mische Erstellung von hochaufgelösten Klimaszenarien (1/6o) Trotz der noch bestehenden Unsicherheiten erscheint als Basis für wasserwirtschaftliche Handlungsempfehlungen die Kopplung von Klimamodellen und hydrologi- im KLIWA-Projekt B 1.1.1 Klimaszenarien., Max-Planck-In- stitut für Meteorologie, Hamburg, im Auftrag des AK KLI- schen Modellen vielversprechend, um Abschätzungen WA, unveröffentlicht, 11 Seiten Text, Abbildungen im An- der Auswirkungen von Klimaänderungen auf den Was- hang. serhaushalt vornehmen zu können. Die bestehenden KLEEBERG et al., 1999: ASGi - Band 1: Theoretische Grundla- Unsicherheiten sind jedoch auf allen Ebenen begin- gen. Unpublizierte Modellbeschreibung, 203 S. nend bei der globalen Klimamodellierung über die regionale Klimamodellierung bis hin zur hydrologischen RASCHKE, E., M. QUANTE, 2002: Wolken und Klima, promet 28, H. 3/4, 95 - 107. Modellierung noch deutlich zu reduzieren. Außerdem sind spezielle statistische Methoden zur Berücksichti- SCHULLA, J., 1997: Hydrologische Modellierung von Flussge- bieten zur Abschätzung der Folgen von Klimaänderungen. gung der verbleibenden Unsicherheiten insbesondere Züricher Geographische Schriften 69, 161 S. im hydrologischen Sommerhalbjahr bei der Bewer- tung von Modellergebnissen zu verbessern bzw. noch SHIKLOMANOV, J.-A. (Hrsg.), 1997: Assessment of Water Re- sources and Water Availability of the World, World Meteoro- zu entwickeln. logical Organization, Genf, 88 S.

Untersuchungen zu ökologischen und sozioökonomi- STRIGEL G., B. RUDOLF,T. MAURER, 2004: Bericht über die Tätigkeit und Produkte des Global Runoff Data Centre schen Folgewirkungen von Klimaveränderungen wer- (GRDC), des Global Precipitation Climatology Centre den sich anschließen müssen. Trotzdem ist es im Sinne (GPCC), und des International Groundwater Assessment des Vorsorgeprinzips bereits jetzt notwendig, über an- Centre (IGRAC). In: Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, gepasste wasserwirtschaftliche Handlungsempfehlun- Heft 1, S. 27-32. gen nachzudenken. THOMPSON, N., I. A. BARRIE, M. AYLES, 1981: The Meteo- rological Office rainfall and evaporation calculation system MORECS (July 1981). Hydrological Memorandum No. 45, Literatur Meteorological Office (GB), 69 S. UN-World Water Development Report (UN-WWDR), 2003: AK KLIWA, 2002: Langzeitverhalten der Hochwasserabflüsse Water for People, Water for Life, UNESCO, Paris, 576 S. in Baden-Württemberg und Bayern, KLIWA-Berichte, Heft 2, WENDLING, U., 1995: Berechnung der Gras-Referenzverdun- JVA-Druckerei, Mannheim, 98 Seiten. stung mit der FAO Penman-Monteith-Beziehung. Wasserwirt- BERGSTRÖM, S., 1996:The HBV Model. In:V.P.Singh (Hrsg.): schaft 85, 602-604. Computer Models of Watershed Hydrology, Water Resources WMO, 2003a: Agrometeorology Related to Extreme Events, Publications, Colorado, USA, 443-476. WMO-No. 943, Genf, 137 S. BREMICKER, M., 2000: Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM WMO, 2003b: The Global Climate System Review, WMO-No. - Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele. - Freiburger 950, Genf, 144 S. Schriften zur Hydrologie, Band 11, 119 S. EBEL, M., K. LUDWIG, K.-G. RICHTER, 2000: Mesoskalige Wasserhaushaltsmodellierung im Rheineinzugsgebiet mit LARSIM. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, Heft 6, 308-312. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 181-187 (November 2004) 181 © Deutscher Wetterdienst 2004

R. SAUSEN 28 Luftverkehr und Klima

1 Einleitung vom Gleichgewicht. Sie ergibt sich durch eine plötzli- che Änderung der Konzentrationen strahlungsaktiver Der Luftverkehr trug 1995 weltweit mit 2,4 % zu den Substanzen, wobei alle anderen Zustandsgrößen kon- anthropogenen CO2-Emissionen bei. Wenn diese CO2- stant gehalten werden. Lediglich die Temperatur der Emissionen der einzige Einfluss des Luftverkehrs auf Stratosphäre darf ein neues Strahlungsgleichgewicht das Klima wären, dann verdiente der Luftverkehr annehmen, d. h. wir betrachten hier das sogenannte nicht die besondere Behandlung, die er durch ein eige- „stratosphere-adjusted, tropopause radiative forcing nes Kapitel in diesem promet-Heft erfährt und die sich (RF)“ oder „fixed dynamic heating RF“ an der Tropo- in einer Vielzahl von Forschungsprojekten und speziel- pause. Positive Strahlungsantriebe führen zu einer Er- len Publikationen (z. B. IPCC 1999; SCHUMANN und wärmung der unteren Atmosphäre, negative zu einer AMANATIDIS 2001; SAUSEN et al. 2004) manifes- Abkühlung. tiert. Der Strahlungsantrieb kann für eine gegebene Störung

Abgesehen von den CO2-Emissionen kann der Luft- mit vergleichsweise geringem Aufwand bestimmt und verkehr das Klima noch auf eine Reihe von anderen als Maßzahl für die zu erwartende Klimaänderung ver- Wegen beeinflussen, wovon einige einzigartig für an- wendet werden (PRATHER und SAUSEN 1999). Für thropogene Klimaänderungen sind (PRATHER und ein gegebenes RF ergibt sich die erwartete Gleichge- SAUSEN 1999; siehe auch deren Abb. 6-1). Flugzeuge wichts-Änderung der global gemittelten Bodentempe- ∆ sind klimawirksam ratur Tsurf in erster Ordnung als (siehe auch IPCC • durch Emission von strahlungsaktiven Substanzen 1996) ∆ λ (Gase und Partikel, z. B. Wasserdampf oder Ruß), Tsurf = RF, (28-1) • durch Emission von Substanzen, die über chemische (und mikrophysikalische) Prozesse strahlungsaktive wobei λ der sogenannte Klimasensitivitätsparameter

Substanzen erzeugen oder zerstören (z. B. Stick- ist. Für eine große Zahl von Klimaantrieben (wie CO2- oxide, die die Ozon- und Methankonzentration ver- Änderungen oder Schwankungen der solaren Strah- ändern) und lung) ist der Klimasensitivitätsparameter λ unabhängig • durch die Emission von Substanzen, die zur Bildung von der Art und Größe des Antriebes, jedoch in hohem zusätzlicher Wolken (Kondensstreifen) und zur Ver- Maße abhängig vom Klimamodell, für das er bestimmt änderung der natürlichen Bewölkung führen. wurde. Bei den derzeit gängigen Klimamodellen liegt der Wert für den Klimasensitivitätsparameter λ zwischen 0,5 K/(Wm-2) und 1,3 K/(Wm-2), beim deutschen 2 Strahlungsantrieb als Metrik für Klimamodell ECHAM4 hat λ den Wert 0,8 K/(Wm-2). Klimaänderungen Gl. (28-1) gilt auch für Linearkombinationen von An- trieben; daher ermöglicht die Kenntnis des Strahlungs- Ein geeignetes Werkzeug zur Bestimmung der Auswir- antriebes den Vergleich verschiedener Antriebe hin- kungen von anthropogenen Emissionen auf das Klima sichtlich ihrer Klimawirkung. sind gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Modelle, wie sie auch vom Intergovernmental Panel on Climate Chan- Weder der Klimasensitivitätsparameter noch Strah- ge (IPCC) zur Bewertung anthropogener Klimaände- lungsantrieb und Gleichgewichtstemperaturänderun- rungen genutzt wurden (z. B. IPCC 2001; siehe auch gen können direkt beobachtet werden. Der Strahlungs- Kapitel 22 im 1. Teilheft), allerdings erweitert um Mo- antrieb ist das Ergebnis eines Gedankenexperiments; dule zur Beschreibung chemischer Prozesse. Jedoch die Gleichgewichtstemperatur wird nie erreicht, da das macht es die Intensität der internen (natürlichen) Vari- Klimasystem nie einem einzigen konstanten Antrieb abilität des Klimasystems schwer, das Signal einer klei- unterworfen ist. Damit lässt sich offensichtlich λ nicht nen anthropogenen Störung (wie z. B. das Signal des exakt aus Beobachtungsgrößen berechnen. luftverkehrsbedingten CO2) vom natürlichen „Rau- schen“, d. h. von der internen Variabilität, zu trennen. 3 Luftverkehrsszenarien Das oben genannte statistische Problem lässt sich weitgehend durch die Bestimmung des Strahlungsantrie- Die zukünftige Entwicklung des Luftverkehrs kann bes RF vermeiden. Unter dem Strahlungsantrieb ver- nicht deterministisch über Jahrzehnte prognostiziert steht man die instantane Abweichung des global ge- werden. Deshalb behilft man sich mit Szenarien der mittelten Netto-Strahlungsflusses an der Tropopause Luftverkehrsentwicklung. Szenarien beschreiben mög- 182 R. Sausen: Luftverkehr und Klima promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

liche (konsistente) Entwicklungspfade, ohne Aussagen 1992 waren etwa 1,2 ppmv des atmosphärischen CO2 über die Wahrscheinlichkeit des Eintreffens eines be- durch den Luftverkehr verursacht. Das sind 1,6 % des stimmten Szenarios zu machen. In IPCC (1999) wird anthropogenen Anstieges (76 ppmv) seit 1800. Gemäß eine größere Anzahl solcher Szenarien vorgestellt, für Szenario Fa1 wird der Beitrag des Luftverkehrs bis eine Untermenge wurde die zu erwartende Klimaän- 2050 auf etwa 6,3 ppmv anwachsen (2,9 % des anthro- derung abgeschätzt. Wir werden uns hier auf ein Bei- pogenen Anstieges gemäß dem Szenario IS92a). Der spiel konzentrieren, auf Szenario Fa1 (Abb. 28-1); hier Strahlungsantrieb des CO2 aus dem Luftverkehr liegt nimmt der Verkehr von 1992 bis 2050 um einen Faktor bei 0,018 bzw. 0,074 W/m2 für 1992 bzw. 2050 (PRA- 6,4 zu, wenn man das Transportvolumen (in Personen- THER und SAUSEN 1999). Zum Vergleich: Das ge- kilometern bzw. Frachttonnenkilometern) betrachtet. samte anthropogene CO2 verursacht einen Strahlungs- Die mittlere jährliche Wachstumsrate liegt bei 3,1 %. antrieb von 1,5 (1990) bzw. 3,8 W/m2 (2050), jeweils Wegen der Einführung effizienterer Flugzeuge und gegenüber dem vorindustriellen Niveau. verbesserter Flugverkehrsmanagementsysteme wachsen die CO2-Emissionen nur um 1,7 % jährlich; das entspricht einer Zunahme um den Faktor 2,7 von 1992 4.2 Ozon bis 2050. Dieses Luftverkehrs-Szenario ist konsistent mit dem Hintergrund-Szenario IS92a (IPCC 1992) für Die Stickoxidemissionen des Luftverkehrs führen alle anthropogenen Beiträge. Auch das in Abb. 28-1 wegen photochemischer Reaktionen zu einer Erhö- dargestellte Luftverkehrs-Szenario Eab sowie einige hung der Ozonkonzentration, im Wesentlichen im Be- weitere sind konsistent zu IS92a. reich der Tropopause der Nordhemisphäre (DAME- RIS et al. 1998). Dort erreichte der Zuwachs 1992 etwa 3 % des Hintergrundwertes, bis zum Jahr 2050 wird der Beitrag des Luftverkehrs auf mehr als 6 % des Hinter- grundwertes anwachsen. Die mittlere Zunahme der Ozonkonzentration auf der Nordhemisphäre hängt in erster Näherung linear von der Gesamtmenge der emittierten Stickoxide ab (GREWE et al. 1999).

Ozon (O3) ist sowohl im solaren (kurzwelligen) Be- reich des Spektrums strahlungsaktiv als auch ein Treib- hausgas (im infraroten Bereich des Spektrums). Be- rechnungen des Strahlungsantriebes des luftverkehrsbedingten Ozons ergeben einen positiven Beitrag, ge- 2 2

Treibstoffverbrauch in Gt C/a Treibstoffverbrauch mäß IPCC (1999) 0,023 W/m für 1992 und 0,06 W/m für 2050. Da Ozon ein kurzlebiges Gas ist, zeigt der Strahlungsantrieb eine deutliche Abhängigkeit von der geographischen Breite. Er ist auf der Nordhemisphäre Jahr um etwa eine Größenordnung stärker als auf der Süd- hemisphäre; das Maximum liegt bei etwa 30° N Abb. 28-1: Der Verbrauch von fossilem Treibstoff durch den (PRATHER und SAUSEN 1999). Luftverkehr von 1950 bis 1992 (dünne ausgezogene Kurve) und für die beiden Szenarien Fa1 und Eab der zukünftigen Entwicklung. Zum Vergleich ist der gesamte Verbrauch von fossilen Treibstoffen (dicke aus- 4.3 Methan gezogen Kurve) und eine potentielle zukünftige Ent- wicklung (Szenario IS92a) dargestellt. Man beachte Während durch eine Vielzahl von menschlichen Akti- die logarithmische Skala. Quelle: PRATHER und vitäten, wie z. B. dem Nassfeldanbau (Reis), zusätzli- SAUSEN 1999. ches Methan (CH4) in die Atmosphäre gelangt, bewirkt der Luftverkehr durch seine Stickoxidemissio- nen neben einem Anstieg der Ozonkonzentration auch 4 Beiträge der einzelnen Komponenten von eine Zunahme der Konzentration von Stoffen, die zum

Luftverkehrsemissionen zum Strahlungsantrieb Abbau des CH4 beitragen wie z. B. des Hydroxyl-Ra- dikals (OH). Damit sorgen die Flugzeuge dafür, dass

4.1 Kohlendioxid die atmosphärische CH4-Konzentration geringer ist als in einer Welt ohne Luftverkehr. Folglich ist auch der

Die atmosphärische Lebensdauer von zusätzlichem totale Strahlungsantrieb durch das anthropogene CH4 Kohlendioxid (CO2) beträgt knapp 100 Jahre. Daher geringer, d. h. der Luftverkehr führt netto zu einem ne- ist CO2 in der Atmosphäre weitgehend homogen ver- gativen Strahlungsantrieb wegen des CH4-Abbaus. Die teilt und es spielt keine Rolle, wo eine Emission statt- Werte liegen gemäß IPCC (1999) bei -0,014 W/m2 findet; lediglich die Menge und der Zeitpunkt der (1992) und -0,045 W/m2 (2050). Da Methan eine atmo- Emission sind für die Klimawirkung von Bedeutung. sphärische Lebensdauer in der Größenordnung von 10 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 R. Sausen: Luftverkehr und Klima 183

Jahren hat, ist es weitgehend homogen verteilt und der eine merkbare Zunahme der Kondensstreifenbede- zugehörige Strahlungsantrieb zeigt nur eine geringe ckung: global werden 0,5 % erreicht (GIERENS et al. Abhängigkeit von der geographischen Breite im 1999); die Werte für Europa und die USA betragen Gegensatz zum Strahlungsantrieb des zusätzlichen dann 4,6 % bzw. 3,7 %. Die zugehörenden Strahlungs- Ozons. antriebe liegen bei 0,02 bzw. 0,1 W/m2 für 1992 bzw. 2050 (MINNIS et al. 1999).

4.4 Wasserdampf Der Kondensstreifenbedeckungsgrad und der Strah- lungsantrieb wachsen wesentlich schneller als der glo-

Wasserdampf (H2O) hat zwar nach CO2 den zweit- bale Verbrauch an Kerosin. Hierfür gibt es mehrere größten Massenanteil an den Flugzeugabgasen, aber Gründe: dennoch trägt H2O aus dem Luftverkehr nur unwe- (1) Wegen eines stärkeren Zuwachses bei den Lang- sentlich zum Strahlungsantrieb bei: weniger als 0,002 streckenflügen nimmt der Treibstoffverbrauch im W/m2 für 1992 und 0,004 W/m2 für 2050. Da Flugzeuge Reiseflugniveau stärker zu als der gesamte Ver- in der Troposphäre, in der H2O durch Niederschlags- brauch. prozesse entfernt wird, und untersten Stratosphäre (2) Neuere effizientere Flugzeuge legen bei gleichem fliegen, wo noch ein kräftiger Massenaustausch mit der Treibstoffverbrauch einen längeren Flugweg zu- oberen Troposphäre stattfindet, kann sich Wasser- rück, und dampf kaum anreichern. Deshalb wird der natürliche (3) effizientere Flugzeuge können schon bei höheren

H2O-Hintergrund kaum gestört und auch in Klimasi- Temperaturen der Umgebungsluft und damit über mulationen findet man keine signifikanten Tempera- einen größeren Höhenbereich der Atmosphäre turänderungen wegen des Wasserdampfes aus dem Kondensstreifen anregen (SCHUMANN et al. konventionellen Luftverkehr (RIND et al. 1996; PO- 2000). NATER et al. 1996). Das gilt selbst dann, wenn man annimmt, dass die gesamte Luftverkehrsflotte durch Die oben genannten Abschätzungen des Strahlungsan- flüssigen Wasserstoff angetrieben wird (MARQUART triebes, die auch Grundlage von IPCC (1999) sind, be- et al. 2001). ruhen auf einigen verallgemeinernden Annahmen, wie z. B. einer konstanten optischen Dicke der Kondens- streifen, unabhängig vom geographischen Ort und von 4.5 Kondensstreifen der Jahreszeit. In jüngster Zeit ist es gelungen, Kon- densstreifen interaktiv in ein Klimamodell zu integrie- Auch wenn der direkte Strahlungseffekt der Wasser- ren (PONATER et al. 2002). Damit gelang eine Ab- dampfemissionen des Luftverkehrs zu vernachlässigen schätzung des zugehörigen Strahlungsantriebes mit er- ist, so haben diese Emissionen dennoch einen wichti- heblich weniger Annahmen: für 1992 beträgt der glo- gen indirekten Einfluss auf das Klima. Der emittierte bal und jährlich gemittelte Strahlungsantrieb aufgrund Wasserdampf regt die Bildung von Kondensstreifen an linienförmiger Kondensstreifen danach nur 3,5 mW/m2 (SCHUMANN 1996). 1992 waren im Mittel 0,1 % der (MARQUART et al. 2003). Erdoberfläche von Kondensstreifen bedeckt (SAU- SEN et al. 1998). In Regionen mit starkem Flugverkehr (Abb. 28-2) wie über Europa oder über den USA lie- 4.6 Aerosole gen die Bedeckungsgrade mit 1,1 % bzw. 1,4 % höher. Gemäß Szenario Fa1 erwartet man bis zum Jahr 2050 Flugzeugtriebwerke erzeugen auch Aerosole und

Aerosolvorläufersubstanzen (wie z. B. SO3). Die wichtigsten durch Flugzeuge generierten Aerosole sind Rußpartikel, die einen positiven Strahlungsantrieb haben, und Sulfat-Aerosole, deren Strahlungsantrieb negativ ist, da hier die Streuwirkung die Absorption überwiegt. Diese Aerosole tragen aufgrund ihrer direkten Strahlungswirkung etwa 3 mW/m2 bzw. -3 mW/m2 zum Strahlungsantrieb des Jahres 1992 bei (PRATHER und SAUSEN 1999).

4.7 „Natürliche“ Zirren

Über die Anregung von Kondensstreifen hinaus kön- Abb. 28-2: Bedeckungsgrad in % durch Kondensstreifen für nen Flugzeuge auch noch die „natürliche“ Bewölkung 1992. Deutlich sind die Regionen mit intensivem modifizieren; primär dürfte die hohe Bewölkung (Zir- Luftverkehr sowie die Hauptflugrouten zu erkennen. ren) betroffen sein. Aus Beobachtungen weiß man, Quelle: SAUSEN et al. 1998. dass bei geeigneten Bedingungen Kondensstreifen 184 R. Sausen: Luftverkehr und Klima promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 sehr lange (Stunden) existieren und sich in „natürli- densstreifen von ähnlicher Größe; der Beitrag von che“ Zirren (sogenannter „Contrail-Cirrus“) umwan- CH4 ist ebenfalls von der gleichen Größenordnung, deln können, denen man ihre Entstehungsgeschichte aber negativ.Alle übrigen Beiträge sind mindestens ei- nicht mehr ansieht (MINNIS et al. 1998). Kürzlich gene Größenordnung kleiner. lang MANNSTEIN und SCHUMANN (2004) eine obere Abschätzung der Strahlungswirkung durch Con- Nach IPCC (1999) beträgt der gesamte (global trail-Cirrus: Diese Grenze ist etwa zehnmal so groß gemittelte) Strahlungsantrieb des Luftverkehrs wie der Strahlungsantrieb durch linienförmige Kon- +0,05 W/m2 für 1992 und +0,19 W/m2 für 2050 (gemäß densstreifen. Der wahre Wert des Strahlungsantriebes Szenario Fa1), d. h. der luftverkehrsbedingte Strah- durch Contrail-Cirrus dürfte zwischen null und dieser lungsantrieb wächst um den Faktor 3,8 im betrachteten oberen Grenze liegen (siehe auch Abb. 28-4). Zeitraum. Die Werte für alle anthropogenen Beiträge liegen bei 1,4 W/m2 für 1990 und 3,8 W/m2 für 2050 Außerdem verändern die von den Flugzeugen emit- (Szenario IS92a); der Steigerungsfaktor liegt hier bei tierten Aerosole die atmosphärische Aerosolkonzen- 2,7. Damit wächst der relative Beitrag des Luftverkehrs tration und können auch die optischen Eigenschaften von 3,5 % auf 5,1 %. Beim Luftverkehrsszenario Eab der Wolken modifizieren. Gegenwärtig kann dieser Ef- (siehe Abb. 28-1), das von einem schnelleren Wachs- fekt jedoch noch nicht quantifiziert werden, da weder tum des Verkehrs ausgeht, wird 2050 ein Luftverkehrs- Beobachtungen noch Modellsimulationen einen ver- anteil von etwa 10 % erreicht. lässlichen Aufschluss geben. Schätzungen reichen von einem vernachlässigbaren Effekt bis zu einem Strah- 2 lungsantrieb, der deutlich größer ist als der durch die 1992 (IPCC, 1999) 2000 bezogen auf IPCC (1999) (linienförmigen) Kondensstreifen verursachte. 2000 (TRADEOFF, 2003, Mittel)

Es besteht sogar die Möglichkeit, dass Aerosole aus Flugzeugen zu einem späteren Zeitpunkt eine Wolken- bildung anregen, ohne dass sich zuvor ein Kondens- streifen gebildet hat. Diese Hypothese bedarf jedoch noch einer Verifizierung durch ein Experiment. Strahlungsantrieb in mW/m

CO2 O3 CH4 H2O Kondens- Zirren Sulfat- Ruß, Summe streifen aerosole, direkter 4.8 Luftverkehrsbedingter Strahlungsantrieb direkter Effekt Effekt Abb. 28-3 fasst die Beiträge der einzelnen Komponen- Abb. 28-4: Luftverkehrsbedingte Strahlungsantriebe: Ergebnisse ten luftverkehrsbedingter Strahlungsantriebe, so wie von IPCC (1999) im Vergleich zu einer aktuellen Ab- sie von PRATHER und SAUSEN (1999) angegeben schätzung. wurden, zusammen. Wie man sieht, sind nach dieser

Abschätzung die Beiträge vom CO2,O3 und den Kon- Abb. 28-4 stellt den von IPCC (1999) publizierten Strahlungsantrieben eine aktualisierte Abschätzung gegenüber, die auf dem EU-Projekt TRADEOFF sowie anderen aktuellen Forschungsergebnissen beruhen (siehe z. B. MARQUART et al. 2003; SAUSEN et al.

2 2004). Die ausgefüllten blauen Balken sind die IPCC- Ergebnisse für 1992, wie sie bereits in Abb. 28-3 dargestellt wurden. Die schraffierten dunkelblauen Balken Sulfat- ergeben sich aus den IPCC-Ergebnissen für 1992 und aerosole, 2015 durch Interpolation/Skalierung. Die hier zu se- direkter CH4 Effekt hende Steigerung des Strahlungsantriebes ist primär

CO2 O3 H2O Kondens- Zirren Ruß, Summe eine Folge der Zunahme des Luftverkehrs. Außerdem streifen direkter (ohne Effekt Zirren) wirken sich noch die Akkumulation von älteren CO2-

Strahlungsantrieb in W/m Strahlungsantrieb in Emissionen sowie eine Steigerung des Gesamtwir- kungsgrades der Flugzeuge aus (bei Kondensstreifen).

von NOx Im Vergleich zur älteren Abschätzung hat bei der neuen, im Wesentlichen auf TRADEOFF-Ergebnissen be- Abb. 28-3: Strahlungsantriebe durch den Luftverkehr für 1992 ruhenden Abschätzung (rote Balken) die relative Be- gegenüber dem vorindustriellen Niveau. Für die Zir- deutung der Kondensstreifen abgenommen: der neue ren ist keine „beste Abschätzung“ angegeben; die ge- strichelte Linie kennzeichnet den Bereich, innerhalb Wert ist vier- bis fünfmal kleiner als der von IPCC dessen die „beste Abschätzung“ liegen könnte. Zur (1999) publizierte. Der Beitrag aufgrund des CO2 ist Bedeutung der Fehlerbalken siehe Text. Quelle: etwas größer, als man aufgrund der skalierten IPCC- PRATHER und SAUSEN 1999. Ergebnisse erwartete; das ist primär eine Folge davon, promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 R. Sausen: Luftverkehr und Klima 185 dass der Luftverkehr von 1992 bis 2000 stärker wuchs 5 Grenzen des Konzeptes „Strahlungsantrieb“ als in dem Szenario, das den IPCC-Zahlen zugrunde liegt. TRADEOFF kam zu einem etwas geringeren Der im vorherigen Abschnitt durchgeführte Vergleich

Beitrag aufgrund des Methanabbaus durch NOx vom der individuellen Beiträge des Luftverkehrs zur an- Luftverkehr. Die anderen Beiträge unterscheiden sich thropogenen Klimaänderung beruht auf der Annah- nicht signifikant von den IPCC-Abschätzungen. me, dass der Strahlungsantrieb für jede Störung des Wegen des geringeren Beitrags durch Kondensstreifen Klimasystems ein guter Prädiktor für die zu erwarten- ist der gesamte vom Luftverkehr bedingte Strahlungs- de Temperaturänderung ist. Eine grundlegende An- antrieb für 2000 kleiner als man aufgrund der IPCC- nahme hierfür ist die annähernde Konstanz des Klima- Abschätzungen erwartet hätte. sensitivitätsparameters λ in Gleichung (28-1). Die Stu- dien von HANSEN et al. (1997) und PONATER et al. Setzt man die hier vorgestellten totalen Strahlungsan- (1999) begründeten Zweifel an der universellen Gül- triebe in Relation zum Strahlungsantrieb nur aufgrund tigkeit dieser Annahme. PONATER et al. (1999) und des CO2, so kann man konstatieren, dass der gesamte STUBER et al. (2001a) zeigten, dass das Klima auf Strahlungsantrieb des Luftverkehrs etwa 2 bis 4 mal so luftverkehrsbedingte Ozonstörungen empfindlicher groß ist, wie es seinen CO2-Emissionen entspräche. reagiert als auf eine homogene CO2-Änderung, d. h. für luftverkehrsbedingte Ozonstörungen ist der Klima- Die hier gezeigten verschiedenen Abschätzungen für sensitivitätsparameter λ größer als „normal“. den gesamten luftverkehrsbedingten Strahlungsan- trieb enthalten alle nicht den Beitrag aufgrund des Um diesen Effekt zu verstehen, wurden mit dem Mo- Contrail-Cirrus (und anderer luftverkehrsbedingter dell ECHAM4/MLO (hier ist das Atmosphären-Mo- Effekte auf „natürliche“ Zirren). Für diesen Beitrag dell ECHAM4 mit einem thermodynamischen Modell sind bislang nur obere Grenzen bekannt. Im Extrem- der ozeanischen Deckschicht gekoppelt) die Reaktio- fall könnte der luftverkehrsbedingte Strahlungsantrieb nen auf räumlich inhomogene Störungen der Ozon- deutlich größer sein als in Abb. 28-4 angegeben. (Man konzentration systematisch untersucht (SAUSEN beachte, dass innerhalb von TRADEOFF zwei obere 2001; STUBER et al. 2001b). In einer ersten Serie von Grenzen, basierend auf verschiedenen Methoden, er- numerischen Experimenten wurde in den Modell- mittelt wurden; der größere Wert liegt bei etwa schichten 2-4, 6-8, 10-12 und 16-19 horizontal homoge- 0,1 W/m2.) ne Ozonstörungen eingeführt. Diese Schichten entsprechen der Stratosphäre, der oberen Troposphäre, der mittleren Troposphäre und der unteren Troposphä- 4.9 Unsicherheiten re (siehe Abb. 28-5 für die vertikale Lage der Schich- ten). Die Ozonmenge wurde jeweils so gewählt, dass Die hier vorgestellten Beiträge zum luftverkehrsbe- der zugehörende Strahlungsantrieb (relativ zu einem dingten Strahlungsantrieb sind mit großen Unsicher- den 1990er Jahren entsprechenden Referenzklima) et- heiten behaftet. Die Fehlerbalken in Abb. 28-3 geben wa 1 W/m2 beträgt. In einer zweiten Serie wurde bei jeweils die geschätzten 67 %-Konfidenzintervalle an. gleicher Wahl der Schichten die Ozonstörung auf die (Die Wahrscheinlichkeit, dass der wahre Wert im ange- nördlichen Extra-Tropen (zwischen 30° N und dem gebenen Intervall liegt, beträgt 2/3.) Die Konfidenzin- Nordpol) beschränkt. Schließlich wurde noch eine Si- tervalle der individuellen Beiträge zum Strahlungsan- mulation mit einer betragsmäßig äquivalenten (räum- ≈ 2 trieb wurden mit sehr unterschiedlichen Methoden ab- lich homogenen) CO2-Änderung (RF 1 W/m ) durch- geschätzt, potenzielle Fehler bei der Bestimmung des geführt. Strahlungsantriebes sind nicht unabhängig voneinander und die Fehlerbalken beruhen nicht unbedingt auf Abb. 28-5 zeigt die Werte des Klimasensitivitätspara- Normalverteilungen. Daher kann nicht ohne weiteres meters λ für die neun betrachteten Fälle. Da der Strah- ein Konfidenzintervall für den gesamten Strahlungsan- lungsantrieb jeweils bei etwa 1 W/m2 liegt, sähe eine trieb des Luftverkehrs angegeben werden. Das in Abb. Darstellung der Änderung der mittleren Bodentempe- 28-3 gezeigte Intervall für „Summe“ ist einfach berech- ratur im Gleichgewicht ähnlich aus wie Abb. 28-5. Wie net als die Wurzel aus der Summe der Quadrate der erwartet liegt der „normale“ Wert (für die äquivalente -2 einzelnen Konfidenzintervalle, ohne Korrelationen zwi- CO2-Störung) bei etwa 0,8 K/(Wm ) (punktierte Linie schen den individuellen Beiträgen zu berücksichtigen. in Abb. 28-5; siehe auch STUBER et al. 2001a). Im Fal- le horizontal homogener Ozonstörungen (ausgefüllte Jüngere Forschungsergebnisse (z. B. SAUSEN et al. Balken in Abb. 28-5) hängt der Klimasensitivitätspara- 2004) führten zu einer Reduktion der Unsicherheiten meter λ von der Höhe der Schicht ab, in der sich die λ bei den Strahlungsantrieben durch O3,CH4 und (li- Ozonstörung befindet, und ist immer signifikant ver- nienförmige) Kondensstreifen. Bei den in Abb. 28-4 schieden vom „normalen“ Wert. Dieser Effekt ist noch angegebenen oberen Grenzen für den Strahlungsan- ausgeprägter, wenn man die Resultate für die auf die trieb durch Contrail-Cirrus ist die Unsicherheit größer nördlichen Extra-Tropen beschränkten Ozonstörun- als ein Faktor 2 (MANNSTEIN und SCHUMANN gen betrachtet. Besonders große Werte für λ ergeben 2004). sich für Ozonstörungen in der Stratosphäre. STUBER 186 R. Sausen: Luftverkehr und Klima promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

ber hinaus könnte die tatsächliche Klimawirkung des Luftverkehrs deutlich größer sein, als man aufgrund des Strahlungsantriebes erwarten würde.

Kondensstreifen und die Beeinflussung „natürlicher“ Wolken durch den Luftverkehr stellen auch weiterhin ein Feld mit vielen offenen Fragen dar. Völlig offen ist auch die Frage nach dem Einfluss der Aerosole aus Flugzeugen auf Bedeckungsgrad und optische Eigen- schaften „natürlicher“ Zirren. Die Hypothese von BOUCHER (1999) weist zwar auf einen Zusammen- hang hin, ebenso wie In-situ-Messungen in der oberen global Modell-Schicht Troposphäre der Südhemisphäre eine deutlich gerin- Druck in hPa Druck gere Aerosolbelastung zeigen als in meteorologisch ähnlichen Gebieten der Nordhalbkugel (SCHLAGER 30° N bis NP 2001). Dennoch steht der Nachweis eines signifikanten Einflusses der Aerosole auf die Zirren (über Kondens- streifen hinaus) noch immer aus.

Literaturverzeichnis Klimasensitivitätsparameter in K/(Wm-2) BOUCHER, O., 1999: Influence of air traffic on cirrus occurren- Abb. 28-5: Der Klimasensitivitätsparameter λ für Ozonstörun- ce. Nature 397, 30-31. gen an verschiedenen Orten (Balken) und für eine DAMERIS, M., V. GREWE, I. KÖHLER, R. SAUSEN, C. äquivalente CO -Zunahme (punktierte Linie). Die 2 BRÜHL, J.-U. GROOß, B. STEIL, 1998: Impact of aircraft senkrechten Balken markieren die vertikale Position NO -emissions on tropospheric and stratospheric ozone. Part der Ozonstörungen. Weitere Einzelheiten siehe Text. x II: 3-D model results. Atmos. Environ. 32, 3185-3200. et al. (2001b) erklären diesen Effekt durch die Wasser- GIERENS, K., R. SAUSEN, U. SCHUMANN, 1999: A diagnos- dampf-Rückkopplung in der Stratosphäre. Bei den tic study of the global distribution of contrails. Part II: Future air traffic scenarios. Theor. Appl. Climatol. 63, 1-9. extra-tropischen Störungen scheint auch noch die Eis- Albedo-Rückkopplung in der Arktis eine Rolle zu GREWE, V., M. DAMERIS, R. HEIN, I. KÖHLER, R. SAU- spielen. SEN, 1999: Impact of future subsonic aircraft NOx emissions on the atmospheric composition. Geophys. Res. Lett. 26, 47-50. Inzwischen wurde mit anderen Modellen die besonde- HANSEN, J., M. SATO, R. RUEDY, 1997: Radiative forcing and re Empfindlichkeit des Klimas auf Änderungen der climate response. J. Geophys. Res. 102, 6831-6864. Ozonkonzentration im Bereich der untersten Strato- IPCC, 1992: Climate Change 1992:The Supplementary Report to sphäre bestätigt; zudem wurden die Untersuchungen the IPCC Scientific Assessment. Prepared by IPCC Working Group I [Houghton, J . T., B. A. Callander, und S. K. Varney auf andere Fälle räumlich inhomogener Störungen (Hrsg.)] and W M O / U N E P. Cambridge University Press, ausgedehnt (JOSHI et al. 2003). Schlussendlich ergibt Cambridge, UK, New York, NY, USA, 200 S. sich so die Notwendigkeit zur Entwicklung einer neu- IPCC, 1996: Climate change 1995 - The science of climate chan- en Metrik zur Bewertung anthropogener Einflüsse auf ge [J. H. Houghton, L. G. Meira Filho, B. A. Callander, N. Har- das Klima. ris,A. Kattenberg und K. Maskell (Hrsg.)]. Cambridge Univer- sity Press, Cambridge, UK, 572 S. IPCC, 1999: Aviation and the Global Atmosphere. A Special Re- 6 Schlussbemerkungen port of IPCC Working Groups I and III. [J. E. PENNER, D. H. LISTER, D. J. GRIGGS, D. J. DOKKEN, M. McFARLAND Der Luftverkehr trägt einige Prozent zum anthropoge- (Hrsg.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 373 S. nen Einfluss auf das Klima bei. Sein relativer Beitrag IPCC, 2001:Climate change 2001 - The scientific basis. [J. H. wird selbst in einer „Business-as-usual“-Welt (wie Sze- Houghton, Y. Ding, D. J. Griggs, M. Nouger, P. J. van der Lin- nario IS92a) noch zunehmen. Wegen seines indirekten den, X. Dai, K. Maskell und C. A. Johnsin (Hrsg.)]. Cambridge chemischen Einflusses (Ozonproduktion und Methan- University Press, Cambridge, UK, 881 S. abbau aufgrund von NOx-Emissionen) und wegen der JOSHI, M., K. SHINE, M. PONATER, N. STUBER, R. SAU- Anregung von Kondensstreifen und Cirrus ist der ge- SEN, L. LI, 2003: A comparison of climate response to diffe- samte Strahlungsantrieb des Luftverkehrs etwa zwei- rent radiative forcings in three general circulation models: to- bis viermal so groß wie man es aufgrund der CO - wards an improved metric of climate change. Climate Dyn. 20, 2 843-854. Emissionen des Luftverkehrs erwarten würde. Dieser Effekt wäre zu berücksichtigen, wenn man den Luft- LEE, D. S., R. SAUSEN, 2000: New Directions: Assessing the verkehr in den Emissionshandel gemäß dem Kyoto- real impact of CO2 emissions trading by the aviation industry. Atmos. Environ. 34, 5337-5338. Protokoll einbezöge (LEE und SAUSEN 2000). Darü- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 R. Sausen: Luftverkehr und Klima 187

MANNSTEIN, H., U. SCHUMANN, 2004: Observations of con- RIND, D., P. LONERGAN, K. SHAH, 1996: Climatic effect of trails and cirrus cover over Europe. In R. SAUSEN, C. FICH- water vapor release in the upper troposphere. J. Geophys. Res. TER, G. AMANATIDIS (Hrsg.): European Conference on 101, 29395-29406. Aviation, Atmosphere and Climate (AAC) - Proceedings of SAUSEN, R., K. GIERENS, M. PONATER, U. SCHUMANN, an International Conference. Air Pollution Research,Rp.83, 1998: A diagnostic study of the global distribution of contrails: European Commission, Brüssel, 242-246. Part I. Present day climate. Theor. Appl. Climatol. 61, 127-141. MARQUART, S., R. SAUSEN, M. PONATER, V. GREWE, SAUSEN, R, 2001: Aviation Impact as Part of Global Climate 2001: Estimate of the climate impact of cryoplanes. Aerosp. Change. In SCHUMANN, U., G. AMANATIDIS (Hrsg.): Avi- Sci. Technol. 5, 73-84. ation, Aerosols, Contrails and Cirrus Clouds (A2C3), Procee- MARQUART, S., M. PONATER, F. MAGER, R. SAUSEN, dings of a European Workshop, Seeheim, Germany, July 10-12, 2003: Future development of contrail cover, optical depth and 2000, Air Pollution Research Report 74, EUR 19428, Europe- radiative forcing: Impacts of increasing air traffic and climate an Commission, Brussels, 275-280. change. J. Climate 16, 2890-2904. SAUSEN, R., C. FICHTER, G. AMANATIDIS (Hrsg.), 2004: MINNIS, P., D. F.YOUNG, D. P. GARBER, L. NGUYEN, W. L. European Conference on Aviation, Atmosphere and Climate SMITH, JR.,R. PALIKONDA, 1998: Transformation of con- (AAC) Proceedings of an International Conference. Air Pol- trails into cirrus during SUCCESS. Geophys. Res. Lett. 25, lution Research Report 83, European Commission, 369 S. 1157-1160. SCHLAGER, H., 2001: Das globale Nord-Süd-Experiment. MINNIS, P., U. SCHUMANN, D. R. DOELLING, K. M. GIE- DLR-Nachrichten 100, Sonderausgabe zum Falcon-Jubiläum, RENS, D. W. FAHEY, 1999: Global distribution of contrail ra- 26-29. diative forcing. Geophys. Res. Lett. 26, 1157-1160. SCHUMANN, U., 1996: On conditions for contrail formation PONATER, M., S. BRINKOP, R. SAUSEN, U. SCHUMANN, from aircraft exhausts. Meteorol. Z. 5, 4-23. 1996: Simulating the global atmospheric response to aircraft SCHUMANN, U., G. AMANATIDIS (Hrsg.), 2001: Aviation, water vapour emissions and contrails - A first approach using Aerosols, Contrails and Cirrus Clouds (A2C3), Proceedings of a GCM. Ann. Geophys. 14, 941-960. a European Workshop, Seeheim, Germany, July 10-12, 2000, PONATER, M., R. SAUSEN, B. FENEBERG, E. ROECKNER, Air Pollution Research Report 74, EUR 19428, European 1999: Climate effect of ozone changes caused by present and Commission, Brussels, 314 S. future air traffic. Climate Dyn. 15, 631-642. SCHUMANN, U., R. BUSEN, M. PLOHR, 2000: Experimental PONATER, M., S. MARQUART, R. SAUSEN, 2002: Contrails test of the influence of propulsion efficiency on contrail for- in a comprehensive global climate model: Parameterisation mation. J. Aircraft 37, 1083-1087. and radiative forcing results. J. Geophys. Res. 107, D13, doi STUBER, N., R. SAUSEN, M. PONATER, 2001a: Stratosphere 10.1029/2001JD000429, ACL 2-1 - 2-15. adjusted radiative forcing calculations in a comprenhensive PRATHER, M., R. SAUSEN, 1999: Potential climate change climate model. Theor. Appl. Climatol. 68, 125-135. from aviation. In J. E. PENNER, D. H. LISTER, D. J. STUBER, N., R. SAUSEN, M. PONATER, 2001b: Is the climate GRIGGS, D. J. DOKKEN, M. MCFARLAND (Hrsg.): Avia- sensitivity to ozone perturbations enhanced by stratospheric tion and the Global Atmosphere. A Special Report of IPCC water vapor feedback? Geophys. Res. Lett. 28, 2887-2890. Working Groups I and III. Cambridge University Press, Cam- bridge, UK, 185-215. 188 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 188-201 (November 2004) © Deutscher Wetterdienst 2004

L. BENGTSSON 29 Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems und die Folgen in Klimamodellrechnungen für Vergangenheit und Zukunft

1 Einleitung hersagen (LORENZ 1968). Gestützt auf numerische Modellstudien gilt dies nicht bei ausschließlicher Be- Das Klima der Erde wird allgemein als ein dynami- rücksichtigung der Atmosphäre. Es gibt aber keine sches System betrachtet, das komplexe Schwankungen Hinweise, dass dies nicht der Fall sein könnte, wenn durchläuft, angetrieben durch natürliche wie anthro- Ozean, Landoberflächen und Atmosphäre voll gekop- pogene Faktoren. Weil die Menschen die Zusammen- pelt sind. In der Tat gibt es z. B. für die thermohaline setzung der Atmosphäre zusehends stärker beeinflus- Zirkulation Hinweise für die Nichteindeutigkeit, wie sen, werden Klima und Umwelt schon jetzt signifikant schon von STOMMEL (1961) angedeutet. Der Grund geändert. Der anthropogene Beitrag ist schon größer dafür ist, dass der Salzgehalt des Ozeans den vertika- als der natürliche und wird wohl in Zukunft dominie- len Wärmeaustausch stark mitbestimmt, nicht aber die ren. Die Vorhersagen des zukünftigen Klimas sind da- Wechselwirkung mit der Atmosphäre (BRYAN 1986). her eine Priorität für die Wissenschaftsgemeinschaft. Auch für die Wechselwirkung von Vegetation und At- mosphäre gibt es Hinweise für verschiedene mögliche Was heißt Klimavorhersage? Lorenz, der Vater der regionale Klimazustände bei gleichem externen An- Chaos-Theorie (GLEICK 1988), hat den Unterschied trieb (CLAUSSEN 1998; BROVKIN et al. 1998). zwischen der Vorhersage einer Klimaanomalie, wie z. B. des El Niño-Phänomens, und derjenigen des Kli- Dies sowie die Tatsache, dass Klima die Synthese des mazustandes durch Änderungen der Sonnenstrahlung Wetters über längere Zeitabschnitte ist, macht aus der oder der Zusammensetzung der Atmosphäre deutlich Klimavorhersage ein fundamentales Problem. Hier gemacht. Ersteres kann konkret vorhergesagt werden, soll die Betrachtung auf wenige hundert Jahre vom Be- während wir für letzteres nur die Änderung des statis- ginn der Industrialisierung an bis etwa in die Mitte des tischen Zustandes bestimmen können. Die Eigenhei- 22. Jahrhunderts sowie auf verschiedene externe An- ten eines bestimmten Sommers können wir daher nicht triebe und die Reaktion des Klimas darauf beschränkt vorhersagen, wohl aber, in wie vielen Sommern die bleiben. Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegen könnte. Abschnitt 2 behandelt die Beobachtung des Klima- wandels, gestützt auf die Rekonstruktion der oberflä- Es versteht sich von selbst, dass die Vorhersage zweiter chennahen Lufttemperatur der nördlichen Erdhälfte Art nicht sehr genau sein kann, aber nichtsdestoweni- im vergangenen Jahrtausend (MANN et al. 1999). In ger sind für Gesellschaft und Umwelt der mittlere Zu- Abschnitt 3 wird die physikalische Basis der Klimamo- stand und die Häufigkeitsverteilung bedeutend. Eine dellierung angesprochen, bevor in den Abschnitten 4 nur geringe Änderung der mittleren Temperatur oder und 5 Modellaspekte sowie die Analyse der Modeller- des Niederschlags kann für die Statistik der Extreme gebnisse diskutiert werden. viel bedeuten. So ist in den meisten Städten und Ge- meinden die Infrastruktur für den Schutz vor Hoch- wasser so angelegt, dass sie einem Extremwert mit ty- 2 Befunde aus der Beobachtung pischer Wiederholperiode von z. B. 100 Jahren stand- hält. Eine Erwärmung um 1 K erhöht aber die absolu- Während die Klimaschwankungen auf Zeitskalen von te Feuchte der Luft um etwa 6 bis 8 % mit der Folge, 10 bis 100 Jahrtausenden mit hoher Wahrscheinlichkeit dass extremer Niederschlag wahrscheinlich häufiger von den Schwankungen der Sonnenstrahlung inner- wird. Dabei wird der Ausdruck „Vorhersage“ nur im halb eines Jahres als Folge der Variationen der Erd- Sinne einer Fähigkeit, die zukünftige Klimastatistik bahn um die Sonne verursacht werden (MILANKO- abzuschätzen, verwendet. WITSCH 1920, 1941; BERGÉR 1988), sind die Schwankungen auf kürzeren Zeitskalen noch größten- Eine grundsätzliche Frage ist die nach der Transitivität teils unverstanden. Die auffälligsten davon, aus Eis- des Klimas, d. h. nach der Existenz nur einer Statistik bohrkernen erschlossen, mit einigen Grad Temperatur- bei vorgegebenen externen Parametern. Ein intransiti- änderung, waren während der vergangenen intensiven ves Klima wäre unvorhersagbar, weil es mehrere Sta- Vereisung häufig. Seit mindestens 8000 Jahren wurden tistiken bei nur einem externen Antrieb gäbe. Die Vor- sie allerdings nicht mehr gefunden. Weitere Einzelhei- hersagbarkeit wäre also begrenzt wie bei Wettervor- ten wurden von HERTERICH (2002) diskutiert. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems 189

Auch schwächere Fluktuationen haben Bedeutung für die Gesellschaft. Während der vergangenen tausend Jahre wurde speziell in Europa über relativ warme Ab- schnitte vom 11. bis zum 13. Jahrhundert und eine lange kältere Phase, die „kleine Eiszeit“ vom 14. bis zum Ende des 19. Jahrhunderts, berichtet.

Direkte und indirekte Beobachtungen über das ver- gangene Klima sind nur gebietsweise vorhanden, bis zum Ende des 18. Jahrhunderts nur in Europa und Tei- len Chinas, das sind zusammen nur 3 % der Erdober- fläche. Darüber hinaus zeigen diese Beobachtungen und Modellstudien, dass die Anomaliemuster für die Temperatur sehr spezifisch sind: In einigen Gebieten sind diese Muster mit der globalen Mitteltemperatur negativ korreliert, z. B. im arktisch-atlantischen Sektor einschließlich Teilen Nordeuropas, so dass Island, Grönland und Nordskandinavien kälter als normal Abb. 29-2: Rekonstruierte oberflächennahe Lufttemperatur seit sind, wenn die Erde wärmer als normal ist. Dagegen 1400 (nach MANN et al. 1999). sind der tropische Pazifik und der Indische Ozean stark positiv korreliert. Interessanterweise zeigen auch rückgeführt werden. MANN et al. (1999) haben dieses Klimamodelle diese Muster (Abb. 29-1). Modellexpe- Problem in lobenswerter Weise recht umfassend unter- rimente deuten auf langfristig vorhandene Anomalien sucht. Aus jährlich vorhandenen Anzeigern, z. B. in bestimmten geographischen Bereichen hin, die von Baumringen oder Eisbohrkernen, haben sie so die internen langfristigen Schwankungen oder häufig ähn- mittlere oberflächennahe Lufttemperatur der nörd- lichen Zirkulationsmustern herrühren (BENGTSSON lichen Erdhälfte einschließlich ihrer Unsicherheit re- et al. 1997). Aus räumlich begrenzter Klimainforma- konstruieren können. Nach Abb. 29-2 folgen daraus tion auf generell unterschiedliches Klima zu schließen, drei wichtige Aspekte: Erstens, eine leichte Abkühlung ist demnach manchmal irreführend, wenn z. B.Anoma- von 1000 bis 1900 n. Ch. um etwa 0,1 K in Einklang mit lien vorschnell auf Vulkan- oder Sonneneinfluss zudem Antrieb durch die veränderte Erdbahn. Zweitens gibt es stets kräftige Schwankungen, z. B. von Jahr zu Jahr bis hin zu Jahrzehnten. Drittens fällt eine starke Erwärmung seit Beginn des 20. Jahrhunderts auf, die sich jüngst beschleunigt hat. Die 90er Jahre waren das wärmste Jahrzehnt. 1995, 1997 und 1998 als wärmste Jahre des ganzen Jahrtausends ragen mit mehr als 3 Standardabweichungen über dem Mittel seit 1400 heraus. Die Gründe für langfristige Schwankungen und den starken Anstieg im 20. Jahrhundert müssen noch erklärt werden. Über MANN et al. (1999) hinausge- hend soll hier mit Hilfe jüngerer Klimamodellergeb- nisse eine Bewertung versucht werden: ROECKNER et al. 1999; BENGTSSON et al. 1999. Zuvor jedoch sollen die möglichen Mechanismen vorgestellt werden.

3 Physikalische Basis der Antriebe

3.1 Stochastischer Antrieb

Der stochastische Antrieb, wie ursprünglich von HAS- SELMANN (1976) vorgeschlagen, ist in der Tat ein Abb. 29-1: a) Beobachtete punktweise Korrelation der mittleren Mechanismus, der langfristige Schwankungen im Kli- oberflächennahen Lufttemperatur mit der mittleren masystem anstoßen kann. Wie geht das? Die ständig globalen oberflächennahen Lufttemperatur für 1950 sich bewegende Atmosphäre kann leicht Schwankun- bis 1995. b) Entsprechend für die 300 Jahre lange Si- gen im Bereich von Jahrzehnten und länger in den trä- mulation mit dem gekoppelten Modell ECHAM4/ OPYC3. Man beachte die leicht negative Korrelation geren Teilen des Klimasystems wie dem Ozean anre- im Bereich um Grönland, sowohl in den Beobach- gen, die mit der Atmosphäre verbunden sind. SARA- tungen wie der Simulation. Ähnliches gilt für das Mo- CHIK et al. (1996) haben als Analogie das Werfen ei- dell auch bei Mittelung über längere Zeitintervalle. ner Münze vorgeschlagen. Dies erzeugt fast beliebig 190 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 große Schwankungen, je größer die Anzahl der Würfe klären, während derjenige in der 2. Hälfte des 20. Jahr- ist. In einem gekoppelten System werden beliebig lan- hunderts höchstwahrscheinlich auf anthropogene Ef- ge und große Auslenkungen durch dämpfende Mecha- fekte zurückzuführen ist. nismen verhindert. Zusätzlich zur Strömung der At- mosphäre können auch unregelmäßig vorkommende Antriebe wie El Niño-Ereignisse in ähnlicher Weise 3.2 Änderungen der Sonnenstrahlung sehr langfristige Schwankungen anregen. Ich stimme voll der Sichtweise von WUNSCH (1992) zu, der vor- Der Antrieb von Klimaprozessen durch die Strahlung schlug, dass stochastischer Antrieb als die Null-Hypo- der Sonne ist, soweit wir es gegenwärtig wissen, sogar these für Klimaschwankungen bei Zeitskalen von Jahr- in einer Langzeitperspektive bemerkenswert stabil. zehnten und Jahrhunderten angesehen werden sollte. Die Variabilität kann von der Erdoberfläche aus wegen der Wolken, der Aerosole, des Ozons, des Was- Kann ein Klimamodell diese Schwankungen wiederge- serdampfs und anderer Gase nicht genau genug be- ben? Es sollen dazu Ergebnisse des Hamburger ge- obachtet werden. Beobachtungen von Satelliten aus koppelten Modells für gegenwärtige Treibhausgaskon- gibt es aber erst seit etwa 25 Jahren. Für diese Periode zentrationen gezeigt werden (ROECKNER et al. gibt es keinen Trend in der mittleren Abstrahlung, je- 1999). Abb. 29-3 enthält die Ergebnisse eines 300 Jahre doch Variabilität bei kurzen Perioden und im quasi- langen Modelllaufs für die mittlere oberflächennahe 11jährigen Zyklus. Seine Amplitude beträgt zwischen Lufttemperatur der nördlichen Erdhälfte zusammen 1 und 2 W/m2, was bei 1367 W/m2 mittlerer Bestrah- mit der 50-jährig gemittelten. Beim direkten Vergleich lungsstärke eine Schwankung um nur etwa 1 ‰ bedeu- mit Abb. 29-2 fällt die beinahe identische statistische tet. Diese Amplitude führt zu einem Strahlungsantrieb Variabilität auf. Es ist deshalb recht wahrscheinlich, von nur etwa 0,2 W/m2, weil ja der Erdquerschnitt nur dass die interne Variabilität des Klimasystems die beein Viertel der Erdoberfläche ist und die Erde 30 % obachteten Schwankungen vor allem bei Zeitskalen des Angebots zurückstreut. Modellexperimente von von Jahrzehnten für den Zeitraum 1000 bis 1900 er- CUBASCH et al. (1997) deuten an, dass ein so gerin- klärt. Das Modell kann jedoch die seit 1900 beobach- ger Antrieb in der Troposphäre mit starker interner tete Erwärmung von fast 1 K nicht wiedergeben. Ein Variabilität nicht entdeckbar sein sollte, auch weil der weiterer Modelllauf ohne die Kopplung an den zirku- dämpfende Einfluss des Ozeans hinzukommt. lierenden Ozean, aber mit einer ozeanischen Deck- schicht, enthielt dieselbe Langfristschwankung nicht. Die Frage nach längerfristigen Schwankungen der Das deutet auf gekoppelte Prozesse wie ENSO-Ereig- Sonnenstrahlung ist jüngst heiß debattiert worden. Sol- nisse, die im Hamburger Modell realistisch wiederge- che Schwankungen werden aus Sonnenfleckenschwan- geben werden, als Voraussetzung für langfristige kungen erschlossen (EDDY 1976), aus Analogien mit Schwankungen.Wir können also daraus schließen, dass sonnenähnlichen Sternen und aus Änderungen im Ge- stochastischer Antrieb mit höchster Wahrscheinlich- halt radioaktiver Isotope in Ablagerungen, die mit der keit für die beobachteten Schwankungen vor 1900 ver- Sonnenaktivität gekoppelt sein können. CUBASCH et antwortlich ist. Ähnliche Ergebnisse zeigen auch ande- al. (1997) haben ein Klimamodell mit Daten nach LE- re Modelle (MANABE und STOUFFER 1997). REI- AN et al. (1995) sowie HOYT und SCHATTEN (1993) CHERT et al. (2002) haben jüngst die statistische von 1700 bis heute angetrieben. Wie erwartet, folgt das Struktur der Simulation mit ECHAM4 genutzt, um Modell den langfristigen Schwankungen. Die mittlere den Rückzug der Gebirgsgletscher bis 1900 als von na- globale Erwärmung für das Jahrhundert von 1893 bis türlichen Schwankungen dominierten Prozess zu er- 1992 betrug 0,19 bzw. 0,17 K, siehe dazu CUBASCH (2002). Wenn also die geschätzten Daten der Schwan- kungen der Strahlkraft der Sonne korrekt sind, dann können damit bei Zeitskalen bis zu einem Jahrhundert wenige Zehntel Grad Temperaturänderung erklärt werden. Das Hauptproblem bleibt das Fehlen von Da- ten zur langfristigen Änderung der so genannten Solar- konstante, denn nur für die vergangenen 25 Jahre gibt es zuverlässige Messungen, die aber keine systematische Änderung zeigten. Mit hoher Wahrscheinlichkeit müssen wir deswegen die Sonne als Haupteinflussfak- tor für die Erwärmung im 20. Jahrhundert ausschließen.

3.3 Einfluss der Vulkane

Abb. 29-3: Simulierte Variation der Temperatur über 300 Jahre mit Vulkan-Aerosole in der Stratosphäre, überwiegend aus ECHAM4/OPYC3 sowohl für Jahresmittel als auch ei- Schwefelsäure, sind als global klimawirksame Beimen- ne 50-jährige Mittelung (nach BENGTSSON 2001). gungen vorgeschlagen worden, sofern ausreichend promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems 191

Schwefeldioxid (SO2) bei einem Vulkanausbruch in die Die Abkühlung der Troposphäre entspricht gut den Stratosphäre injiziert wird. Der sehr große Ausbruch Beobachtungen, dabei trat sie in allen 6 Modellläufen des Pinatubo auf der philippinischen Insel Luzon am 15. sehr ähnlich auf. Die Erwärmung in der Stratosphäre und 16. Juni 1991 schuf die Gelegenheit, den Effekt ist dagegen etwas überbewertet. Der Vulkaneinfluss ziemlich genau zu quantifizieren. Etwa 14-21 Mill. Ton- dauerte drei bis vier Jahre, wobei er durch den Ozean- nen SO2 sind dabei in die Stratosphäre emittiert worden einfluss etwas verlängert wurde. Also können in die (KRUEGER et al. 1995). Die Vulkanwolke bewegte Stratosphäre vordringende Vulkanausbrüche das Kli- sich mit etwa 20 m/s ostwärts in etwa 3 Wochen um die ma global beeinflussen, der Effekt klingt aber nach

Erde, unter Umwandlung des SO2 in Schwefelsäure dem Abbau der Aerosolschicht in der Stratosphäre (BLUTH et al. 1992). Einen Monat nach dem Ausbruch rasch ab. Nur eine Serie großer Eruptionen kann daher war die Aerosolwolke nur im Band zwischen 20° S und die mittlere globale Temperatur über Jahrzehnte und 30° N verteilt, um danach in einigen Monaten global länger erklären, und damit vielleicht Teile der Schwan- verbreitet zu sein. Radiosonden und Satellitendaten er- kungen über der nördlichen Erdhälfte zwischen 1000 gaben eine mittlere globale Erwärmung in der strato- und 1900 (LINDZEN und GIANNITES 1998). Die ra- sphärischen Aerosolschicht von etwa 2 K. Die Beobach- sche Erwärmung im 20. Jahrhundert kann keineswegs tungen zeigten auch eine Kühlung der unteren Tropo- fehlender Vulkanaktivität zugeschrieben werden. Le- sphäre und der Erdoberfläche um bis zu 0,5 K (DUT- diglich zur Erwärmung bis 1940 könnte die seit Ende TON und CHRISTY 1992), siehe auch GRAF (2002). des 19. Jahrhunderts bis zu dieser Zeit abnehmende Vulkanaktivität beigetragen haben. Das bisher wärm- Es gab mehrere Versuche, den Einfluss des Pinatubo ste Jahrzehnt, von 1991 bis 2000 enthielt sogar den zu modellieren, z. B. von HANSEN et al. (1997). stärksten Vulkanausbruch des 20. Jahrhunderts. BENGTSSON et al. (1999) verwendeten dazu das hochauflösende Hamburger Klimamodell, in das das Ziemlich sicher können wir daher feststellen, dass re- Vulkanaerosol Monat für Monat, wie über 2 Jahre be- duzierte Vulkanaktivität die rasche und anhaltende Er- obachtet, integriert wurde. Wie beobachtet, erwärmte wärmung im 20. Jahrhundert nicht verursacht haben sich die Stratosphäre rasch und auch die Abkühlung in kann. Dieser Prozess der Elimination von Einflussfak- der Troposphäre konnte festgestellt werden. In Abb. toren führt zum anthropogenen Einfluss als wahr- 29-4 ist der Vergleich des Modells mit den Daten des scheinlichster Ursache. Mikrowellensondierers auf Satelliten (MSU), in dessen Einheiten, für das Mittel aus 6 Realisierungen des Modells vorgestellt. Die Abbildung zeigt den Verlauf 3.4 Einfluss des Menschen seit 1979, wobei auch beobachtete Ozonkonzentratio- nen mit eingegeben worden sind. Der Ausbruch des El In den bewertenden Berichten des Zwischenstaat- Chichón 1982 ist nicht modelliert worden, weil die zu- lichen Ausschusses über Klimaänderungen (IPCC, gehörige Aerosolwolke nicht ausreichend genau vor- Intergovernmental Panel on Climate Change) wurden zugeben war. nicht nur der Antrieb zu Klimaänderungen durch Treibhausgase, Aerosole und Landnutzungsänderun- gen seit Beginn der Industrialisierung dokumentiert, sondern auch seine zeitliche Zunahme. Seit etwa 1850

hat der gemeinsame Antrieb von Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O, Lachgas) und der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) um etwa 50 % des gesamten vorindustriellen Antriebs zugenommen, wobei mehr als die Hälfte davon in den vergangenen 40 Jahren hinzukam. Trotz der Versuche, Emissio- nen zu reduzieren, ist es nicht zu vermuten, dass man weitere 30 % Zuwachs bis zur Mitte dieses Jahrhun- derts noch vermeiden könnte. Die Wahrscheinlichkeit für einen noch höheren Anstieg ist recht hoch.

Abb. 29-4: a) Beobachtete Temperatur (gestrichelt) der Atmo- Das IPCC hat auch über die Versuche berichtet, zu- sphäre, abgeleitet aus der Mikrowellensondiereinheit künftige Konzentrationen der langlebigen Treibhaus- (MSU) der NOAA-Satelliten für 1979-1997 und b) gase abzuschätzen. Entsprechende Projektionen in die modellierte Temperatur unter Beachtung des Pi- Klimamodellen basieren auf der Extrapolation der natubo-Vulkanausbruchs und der stratosphärischen Trends vergangener Jahrzehnte (+ 1 % pro Jahr für das Ozonverdünnung (durchgezogene Kurve als Mittel „äquivalente“ CO ), obwohl beachtet werden muss, aus 6 Simulationen) mit Angabe der Standardabwei- 2 dass die Zuwächse jüngst kleiner waren und näher bei chungen der Simulationen. Man beachte die systematischen Veränderungen in der Stratosphäre und die 0,5 % pro Jahr lagen. Zukünftige Methankonzentratio- hohe Variabilität in der unteren Troposphäre (Kanal nen, beispielsweise, sind sehr schwierig einzuschätzen, 2 LT); nach BENGTSSON et al. (1999). da Quell- und Senkenstärken recht ungenau bekannt 192 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 sind. So ist der Rückgang der Zuwachsraten des Me- Als Folge des Ungleichgewichts kühlt sich die Strato- thans bisher unerklärt. Auch die Änderungen im ter- sphäre ab, weil erhöhter CO2-Gehalt die Emission er- restrischen Kohlenstoffkreislauf sind unsicher. Wird höht. Weil die Temperatur in der Stratosphäre mit der die terrestrische Biosphäre mehr oder weniger als jetzt Höhe zunimmt, ist die Abstrahlung in den Weltraum aufnehmen? Bisherige Modellierversuche widerspre- höher als die Absorption der Wärmestrahlung aus nie- chen sich, schließen aber eine positive Rückkopplung drigeren Schichten. Dies ist in der Tat der Grund für nicht aus, was zusätzliche Emissionen aus der Biosphä- die Abkühlung der Stratosphäre bei CO2-Zunahme. re bedeuteten würde. Das durch die Kühlung erreichte neue Strahlungs- gleichgewicht vermindert die Emission nach unten um Während der Strahlungsantrieb der langlebigen Treib- etwa 0,2 W/m2, so dass an der Tropopause der Antrieb hausgase (CO2,CH4,N2O, FCKW) mit einem Fehler un- entsprechend kleiner wird. ter 10 % bekannt ist, sind alle anderen Antriebe, siehe Abb. 29-5, weit weniger sicher anzugeben. Das gilt ins- Das System Oberfläche/Troposphäre wird also weiter- besondere für den indirekten Aerosoleffekt. Der Ein- hin erwärmt, bis wieder ein neues Energiegleichge- fluss von Landnutzungsänderungen ist ebenfalls sehr wicht erreicht ist. Das dauert sicherlich Jahrzehnte, ungenau bekannt und realistische Modelluntersuchun- weil die sehr hohe Wärmespeicherfähigkeit des Oze- gen dazu fehlen bisher. Hauptziel zugehöriger For- ans verzögernd wirkt. Warum erwärmt sich das System schung muss es daher sein, die Antriebe genauer zu spe- Oberfläche/Troposphäre überhaupt, denn im neuen zifizieren, speziell derjenigen durch die Aerosolteilchen. Gleichgewicht muss nur die Abstrahlung der unverän- derten Absorption von Sonnenenergie wieder kompensiert werden? Der Grund ist die Temperaturabnah-

me mit der Höhe in der Troposphäre, was bei CO2-Zu- nahme zur Abstrahlung aus höheren und somit kälte- ren Schichten führt. Die erhöhte nach unten gerichtete Wärmestrahlung erwärmt die Troposphäre und die Oberfläche so lange, bis der Temperaturanstieg zur vollen Kompensation der verminderten Abstrahlung ausreicht (Abb. 29-6). Ohne Temperaturabnahme mit der Höhe in der Troposphäre gäbe es überhaupt keinen Treibhauseffekt der Atmosphäre.

Ohne Reaktion des Wasserkreislaufes und bei unverän-

dertem Temperaturgradienten bewirkt eine CO2-Ver- doppelung etwa 1,3 K Erwärmung an der Oberfläche (RAMANATHAN 1981). Weil die Atmosphäre die re- Abb. 29-5: Der zusätzliche Treibhauseffekt in W/m2 an der Tro- popause seit Beginn der Industrialisierung im Ver- gleich mit Ozon- und Aerosoleffekten; nach IPCC (2001).

4 Reaktion des Klimasystems

Über einige Jahre gemittelt ist die Energiebilanz der Erde (siehe dazu Abb. 2-4 in Kapitel 2 des ersten Hef- tes der Klimatrilogie) wahrscheinlich ausgeglichen, d. h. die absorbierte Sonnenenergiemenge S wird als Wärme F abgestrahlt. Was passiert, wenn S oder F sich rasch ändern? Nehmen wir z. B. eine Verdoppelung des

CO2-Gehaltes in der Atmosphäre an. Die unmittelbare Reaktion ist eine Abnahme der abgestrahlten lang- welligen Strahlung um 3,1 W/m2 an der Tropopause und eine Zunahme der nach unten gerichteten Wär- mestrahlung aus der Stratosphäre um 1,3 W/m2.Die Summe, also 4,4 W/m2, ist der spontane Nettoantrieb in Abb. 29-6: Schema des Treibhauseffektes. Die Höhe der äquiva- Höhe der Tropopause. Dies kann natürlich auch für an- lenten Wärmeabstrahlung entspricht der Schwarzkör- dere Höhen berechnet werden. Die Wahl der Tropo- pertemperatur 255 K. Eine Verdoppelung des Kohlen- dioxidgehaltes hebt die Höhe der äquivalenten Wär- pause wird durch die rasche Angleichung in der Stra- mestrahlung um einige hundert Meter an, wodurch tosphäre und die langsamere der Troposphäre begrün- die Oberfläche für gleich hohe Abstrahlung wie vor- det. her sich erwärmen muss (hier bei Annahme eines mittleren Temperaturgradienten von -5,5 K/km). promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems 193 lative Feuchte im Mittel konstant zu halten scheint, Schnee fast null, weil sie ähnlich hell wie diese Ober- führt die Erwärmung jedoch zu höherer absoluter flächen sind. Feuchte und somit weiterer Erwärmung, also einer positiven Rückkopplung durch Wasserdampf. Interessan- Oberflächenprozesse wie das Schmelzen von Schnee terweise hat sogar schon ARRHENIUS (1896) diese und Eis bei Erwärmung senken das Reflexionsvermö- Wasserdampfrückkopplung beachtet. Empirische gen und stoßen eine positive Rückkopplung an, wäh- Untersuchungen (HENSE et al. 1988; FLOHN und rend Änderungen der Wolkenbedeckung und der Wol- KAPALA 1989; RAVEL und RAMANATHAN 1989; kenverteilung mit der Höhe positiv wie negativ rück- GAFFEN et al. 1991; INAMDAR und RAMANA- koppeln können. Andere Rückkopplungen wiederum THAN 1998) zeigen, dass Temperatur- und Wasser- hängen von der Zirkulationsänderung ab, wie Zugbah- dampfänderungen positiv korreliert sind, ebenso wie nen und Stabilität der atmosphärischen Schichtung die dies Modellstudien zeigen (MANABE und WEATHE- Oberflächentemperatur ändern können. Deshalb kann RALD 1967; MITCHELL 1989). Sowohl einfache Ab- man vom Antriebsmuster nicht auf Klimaänderungen schätzungen als auch Klimamodelle und empirische in bestimmten Regionen schließen. Das ist der Haupt- Studien berechnen einen positiven Rückkopplungsfak- grund, warum möglichst realistische Klimamodelle für tor des Wasserdampfes von 1,3 bis 1,7. Der integrierte eine Untersuchung von Rückkopplungen verwendet Effekt der Substanz Wasser jedoch, z. B. die Albedore- werden müssen. Der Vergleich der geographischen duktion bei Erwärmung in bisher schneebedeckten Muster, hier vom Hamburger Modell (ROECKNER Gebieten, ist noch höher. HALL und MANABE (1999) entfernten den Effekt von Wasserdampf in ihrem Kli- mamodell bei einem CO2-Verdopplungsexperiment. Die mittlere Erwärmung fiel von über 3 K auf wenig über 1 K. Die einzigen von der positiven Rückkopplung durch Wasserdampf abweichenden Studien stellt LINDZEN (1990, 1994) vor, welche einen regional ne- gativen Rückkopplungseffekt durch den Wasserdampf nicht ausschließen, als Folge einer Austrocknung der oberen Troposphäre durch Absinken im Umfeld von intensivierter hochreichender Konvektion.

INAMDAR und RAMANATHAN (1998) haben gezeigt, dass es beträchtliche geographische Variationen der Wasserdampfrückkopplung gibt mit Dominanz dieses Effektes in äquatornahen Ozeangebieten. Dort übersteigt die Rückkopplung die bei Temperaturerhö- hung zunehmende Schwarzkörperemission und führt zu einem Supertreibhauseffekt (RAMANATHAN und COLLINS 1991). Dies unterstreicht die hohe Be- deutung einer realistisch reproduzierten dreidimensionalen atmosphärischen Zirkulation und der zugehöri- gen Wasserdampfverteilung.

Während die Modelle bezüglich Vorzeichen und Grö- ße der Wasserdampfrückkopplung übereinstimmen, ist die Rückkopplung durch Wolken viel schwieriger zu beschreiben. Der global gemittelte Effekt der Wolken heißt Kühlung der Erdoberfläche und der Troposphä- re, weil der Effekt durch verminderte Absorption von Sonnenenergie größer ist als die verminderte Abstrah- lung von Wärme. Netto beträgt die Strahlungsbilan- zänderung etwa -20 W/m2. Die Wolkenwirkung bei er- höhtem Treibhauseffekt ist stark modellabhängig, so- Abb. 29-7: a) Strahlungsantrieb durch Treibhausgase, Sulfataero- gar das Vorzeichen ist umstritten (CESS et al. 1997). sole (mit indirektem Effekt) und Ozon in der Tropo- Das ECHAM4/OPYC3-Modell, das im Weiteren ver- sphäre seit 1860 (siehe auch Tab. 29-2). In der nörd- wendet wird, hat eine negative Wolkenrückkopplung, lichen Erdhälfte gibt es große Gebiete mit negativem wobei er umso negativer wird, je mehr sich der Treib- Antrieb durch Sulfataerosole. b) Regionale Verteilung der Temperaturänderung an der Oberfläche im hauseffekt erhöht (BENGTSSON 1997). Die Wolken- Gleichgewichtszustand mit dem obigen Strahlungsan- rückkopplung hängt beträchtlich von der unteren trieb, berechnet mit ECHAM4 gekoppelt an eine oze- Randbedingung ab. Über Wasser ist die negative anische Deckschicht bei Mittelung über 20 Jahre; nach Rückkopplung der Wolken stärker, über Meereis und ROECKNER et al. (1999). 194 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 et al. 1999), zeigt dies klar (Abb. 29-7). Das Antriebs- 5 Modellergebnisse für Szenarien verschiedener muster wurde von einem Klimaänderungsexperiment Klimaänderungen ohne Kopplung an den Ozean übernommen, wobei Änderungen der Treibhausgase, der Sulfataerosole Numerische Modelle differieren noch beträchtlich bei und des troposphärischen Ozons seit Beginn der In- vorgegebenem festem Antrieb. Auch bei zeitabhängi- dustrialisierung vorgeschrieben worden waren (siehe gem Antrieb gilt das, weil die Klimaänderungsrate Tab. 29-2). Es gibt praktisch keine Korrelation zwi- stark von der Reaktion der Dynamik des gekoppelten schen Antriebs- und Temperaturänderungsmuster. Ge- Systems abhängt. Die ausgeprägte Erwärmung der biete mit negativem Nettoantrieb über Eurasien wer- nördlichen Erdhälfte in den vergangenen 25 Jahren ist den signifikant wärmer. Der Grund dafür ist, dass die mitgeprägt von stärkeren El Niño-Ereignissen und Erwärmung aus anderen Regionen, z. B. den tropi- stärkerem Westwind über dem Nordatlantik, welche schen Ozeanen, in die höheren Breiten transportiert beide zu den milderen Wintern über Landgebieten ge- wird. führt haben (HURRELL 1995).

Folglich sind die Erwärmungsmuster und Nieder- Falls sowohl El Niño-Ereignisse wie stärkere West- schlagsänderungen sicherlich auch modellabhängig, winddrift unvorhersagbar auf längeren Zeitskalen wie LE TREUT und MC AVANEY (1999) zeigten. sind, führte das zu langfristigen Differenzen zwischen Abb. 29-8 unterstreicht dies für 11 „state-of-the-art“- Modellen, auch wenn sie beide Effekte statistisch kor-

Modelle bei einem einfachen CO2-Verdopplungsexpe- rekt aber phasenverschoben enthielten. Andererseits riment für die Parameter globale mittlere Temperatur könnte es aber auch passieren, dass beide Zirkula- und Niederschlag. Weiterhin wird daraus klar, dass die tionsanomalien auf den Antrieb mit veränderter Wahr- Zunahme des Niederschlags weit geringer ist als es die scheinlichkeitsdichteverteilung reagierten und dann Clausius-Clapeyronsche Gleichung fordert. Der wäre die Zunahme in den jüngsten Jahrzehnten eine Grund liegt bei der Balance zwischen Verdunstung korrekte Reaktion auf den Antrieb. Wir können es und Niederschlag, denn erstere ist vom Nettoantrieb noch nicht entscheiden. Einige Modelle deuten eine an der Oberfläche abhängig. Dieser ist aber häufig erhöhte Westwinddrift in zeitabhängigen Läufen an, durch erhöhte Lufttrübung geschwächt. Wir müssen andere wie das Hamburger Modell, zeigen keine signi- daher immer noch mit erheblichen Fehlerbalken, fikante Reaktion. Letzteres deutet auf eine langsame selbst bei global gemittelten Werten, bei einer Klima- Zunahme der Amplitude von El Niño- und La Niña- änderung rechnen, und sogar dann noch, wenn der An- Ereignissen hin (TIMMERMANN et al. 1999), was in trieb genau bekannt wäre. anderen Modellen weniger klar auftritt.

Man hat auch versucht, die Klimareaktion aus Daten Aus dieser Diskussion folgt auch, dass regionale Kli- der Klimageschichte zu erschließen. LEA (2004) hat maänderungen noch stärker vom gewählten Modell die CO2-Gehalte aus dem Wostok-Eisbohrkern mit abhängig sind, z. B. weil kleine Zugbahnenverschie- Oberflächentemperaturdaten im östlichen äquatoria- bungen in globalen Modellen lokal sehr starke Unter- len Pazifik kombiniert, wobei eine Empfindlichkeit des schiede provozieren können. Dies hat RÄISÄNEN tropischen Klimas von 4,4 bis 5,6 K für eine CO2-Ver- (1999) unterstrichen, der 12 gekoppelte Modelle spe- dopplung folgt. Die Empfindlichkeit könnte also noch ziell für Nordeuropa und den östlichen Nordatlantik höher sein als bisher angenommen. verglich. Allen Modellen eigen ist eine starke Erwär- mung der Arktis, kaum eine über der Antarktis und dem südlichen Ozean.

Mit diesen generellen Bedenken sollen nun zeitabhän- gige Modellläufe, wie in Tab. 29-1 detailliert vorgestellt, diskutiert werden (ROECKNER et al. 1999). Start der Läufe ist im Jahr 1860. Bis 1990 wurden beobachtete Treibhausgaskonzentrationen vorgegeben, danach wird entsprechend dem Szenario IS92a des IPCC angetrieben (dies wird inzwischen als besonders stark anstei- gendes gesehen). Troposphärische Ozonkonzentratio- nen wurden aus Vorläufergasen berechnet.

Im ersten Lauf werden nur Treibhausgaskonzentratio-

nen geändert (GHG) und zwar von CO2,CH4 und N2O Abb. 29-8: Niederschlagszunahme und mittlere globale Erwär- sowie FCKW und HFCKW. Die Absorptionseigen- mung an der Oberfläche bei Gleichgewicht mit dem schaften jedes Gases sind getrennt berechnet worden. Strahlungsantrieb eines doppelten CO2-Gehalts für 11 allgemeine Zirkulationsmodelle; nach LE TREUT Im zweiten Lauf (GSD) werden zu GHG nur die an- und MCAVANEY (1999). thropogenen Sulfataerosole hinzugefügt, natürliche Sulfatkonzentrationen bleiben unberücksichtigt. Aus promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems 195

Bezeichnung Antrieb Simulationsperiode gen in Sulfat, Transport sowie tro-

GHG CO2 und weitere gut durchmischte Treibhausgase 1860-2100 ckene und nasse Deposition des Sul- GSD GHG sowie Sulfat-Aerosole (nur direkter Effekt) 1860-2050 fats im Modell beachtet werden. Der GSDIO GHG sowie Sulfataerosole (direkter und 1860-2050 dritte Lauf (GSDIO) beachtet auch indirekter Effekt) und troposphärisches Ozon den indirekten Einfluss der Aeroso- le auf die Wolkenalbedo und zusätz- Tab. 29-1: Referenz-Experimente (nach ROECKNER et al 1999). lich ist troposphärisches Ozon aus Vorläufergasen im Modell enthalten. Experiment Antriebsexperimente an Hand Strahlungsantrieb von Messdaten (1860-1990) in W/m2 Abb. 29-9 zeigt den Versuch, die Sul- fatablagerung (in ng/g) mit derjeni- 1 Gut durchmischte Treibhausgase (CO2,CH4,2,11 N2O, FCKWs, H-FCKWs usw.). Gleicher Antrieb gen im Eis Grönlands an der Station wie bei dem Experiment GHG Dye 3 zu vergleichen. Beide Zeitrei- 2 Troposphärisches Ozon 0,39 hen stimmen grob überein. 3 Sulfataerosole, direkter Effekt -0,35 4 Sufaltaerosole, indirekter Effekt -0,91 Die mittlere globale Temperaturän- 5 Effekte 1 bis 4 berücksichtigt. Gleicher Antrieb 1,24 derung aller drei Modellläufe in wie bei dem Experiment GSDIO. Abb. 29-10 ist am höchsten bei GHG Tab. 29-2: Mittlerer globaler Strahlungsantrieb durch verschiedene Faktoren. und am geringsten bei GSDIO. Bis 1980 sind die Ergebnisse im Rahmen Emissionsangaben sind die Aerosole im Modell be- der Fluktuationen des Kontrolllaufs (nicht gezeigt); rechnet worden, wobei neben der geographischen Ver- der Verlauf zeigt große, Jahrzehnte andauernde teilung der Emissionen, auch chemische Umwandlun- Schwankungen in Übereinstimmung mit denen in den Beobachtungen. In den Modellergebnissen gibt es aus- geprägte sehr langfristige Schwankungen in hohen Breiten der südlichen Erdhälfte, aber über ihre Reali- tätsnähe kann wegen fehlender Messungen nichts aus- gesagt werden. In Gebieten mit Messungen stimmen die Modellergebnisse einigermaßen mit den Beobach- tungen überein, wie Abb. 29-11 verdeutlicht.

Abb. 29-10: Zeitliche Entwicklung der simulierten mittleren oberflächennahen Lufttemperatur im Vergleich zu Beobachtungen seit 1860 (dicke schwarze Kurve). Die durchgezogene dunkle Kurve zeigt den Effekt der Treibhausgase, die helle graue den einschließlich Abb. 29-9: Verlauf des Sulfatgehaltes im Schnee an der Station der Sulfataerosole und die graue den zusätzlich mit Dye 3 im südlichen Grönland (65° N, 43° W); a) be- Ozonänderungen, jeweils für ein gleitendes 5-jähri- obachtet (LEGRAND 1995); b) Simulation für den ges Mittel. Die Temperatur ist bis 2003 um weitere nächst gelegenen Gitterpunkt bei natürlichen Schwe- 0,2 K angestiegen, weniger als die Modellergebnisse, felgasemissionen (graue Kurve) und gesamter Emis- die Emissionen lagen aber auch um 50 % unter den sion; nach ROECKNER et al. (1999). 1990 angenommenen Zuwachsraten. 196 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Als nächstes soll das Verhältnis zwischen zonal ge- mitteltem Antrieb und Reaktion als Funktion der geographischen Breite für den Zeitabschnitt 2040-2050 untersucht werden (Abb. 29-12). Das Ergebnis ist ähn- lich dem für ein anderes Experiment, ohne zirkulie- renden Ozean aber mit einer Ozeandeckschicht, was auf die große Bedeutung atmosphärischer Prozesse hinweist. Der GHG-Lauf mit maximalem Antrieb bei 20° N zeigt die höchste Erwärmung in hohen nörd- lichen Breiten; das gilt auch noch für GSD und GSDIO, obwohl der Antrieb in diesen Breiten wegen der hohen Schwefelbelastung relativ gering ist. Woher kommt das?

Das Erwärmungsmuster ist die Folge einer Reihe von Rückkopplungen im Modell. Wegen der Komplexität des Modells und der langen Zeitskalen ist eine Analy- se nur ein erster Erklärungsversuch. Die meisten Mo- delle erhöhen als erste Reaktion den Wasserdampfge- halt und halten die relative Feuchte annähernd konstant, was eine positive Rückkopplung auslöst. Dieser Effekt ist besonders stark in Gebieten hohen Wasser- dampfgehaltes wie der Innertropischen Konvergenz- zone und die Erwärmung ist über Land höher als über dem Meer, weil die Wärmekapazität die Erwärmung verzögert. Die Erwärmung ist besonders verzögert im stark durchmischenden südlichen Ozean. Auch die Zy- Abb. 29-11: Beobachteter Trend der oberflächennahen Lufttem- klonenbahnen rücken etwas polwärts, besonders in der peratur 1900-1994 und simulierter Trend für die glei- nördlichen Erdhälfte. In hohen Breiten wirkt auch der che Periode (ECHAM4/OPYC3). Rückgang der Schnee- und Eisbedeckung weiter er- wärmend. Diese und weitere Rückkopplungen sind der Grund für die komplexe Reaktion. Da die Rück- kopplungen von der jeweiligen Parameterisierung physikalischer Prozesse im Modell abhängt, müssen sich die Modellergebnisse deutlich unterscheiden, wie schon in Abb. 29-8 gezeigt.

Ein weiteres Problem muss hier noch erörtert werden: Radiosonden- und Satellitendaten zeigen eine schwä- chere Erwärmung in der mittleren und oberen Tropo- sphäre als an der Oberfläche in-situ gemessen (siehe u. a. CHRISTY et al. 2003; BENGTSSON et al. 2004). Das ist schwer verständlich, weil Modelle höhere Er- wärmung in der oberen Troposphäre berechnen. BENGTSSON et al. (1999) haben das untersucht und die Beobachtungen als sehr wahrscheinlich korrekt bezeichnen können, weil die Modelle weder die Ozon- verdünnung in der Stratosphäre noch das dortige Vul- kanaerosol berücksichtigt haben.

Wir finden in diesem Zusammenhang für zusätzliche Modellexperimente (GSO, GSP, GSOP, siehe Tab. 29-3 und Abb. 29-13): Die Hauptunterschiede zu GSDIO treten in hohen Breiten der nördlichen Erdhälfte sowohl in der Troposphäre wie der Stratosphäre auf. Hier weist besonders hohe interne Dynamik auf die Bedeu- Abb. 29-12: a) Mittlerer breitenabhängiger Strahlungsantrieb an tung der mehrfachen Modellläufe (Ensembles) hin. der Tropopause für 2030-2050 für drei Simulationen GHG, GSD und GSDIO; b) zugehörige breitenab- Abb. 29-14 verdeutlicht zusätzlich die Bedeutung von hängige Erwärmung in Oberflächennähe; nach Vulkanausbrüchen (GSP) und stratosphärischer Ozon- ROECKNER et al. (1999). verdünnung (GSOP) sowohl für mittlere wie be- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems 197

Bezeichnung Experiment und Antrieb Simulationsperiode Tab. 29-3: Modellläufe mit Berücksichtigung der stratosphärischen Ozon-Ver- GSO Wie GSDIO mit Messdaten der stratosphärischen 1979-1999 Ozonverteilung, 2 Modellläufe teilung und des Pinatubo-Aus- bruchs. GSP Wie GSDIO, aber zusätzlich mit Pinatubo-Ausbruch 1991-1997 GSOP Wie GSDIO mit Messdaten der stratosphärischen 1979-1997 Ozonverteilung sowie Berücksichtigung des Pinatubo-Ausbruchs

Modelllauf GSOP GSOP GSOP Tab. 29-4: Vergleich dekadischer Temperaturtrends in K seit 1979 (Mittel) (Minimum) (Maximum) für das GSOP-Experiment. (1): Mittelwert von 6 Modell- Druckniveau (1) (2) (3) läufen, (2) und (3): kleinster bzw. größter dekadischer 50 hPa -0,17 -0,15 -0,17 Temperaturtrend aller Modellläufe. Beim GSOP-Experi- 500 hPa +0,10 +0,02 +0,16 ment wurden zusätzlich zum GSDIO-Experiment noch 850 hPa +0,10 +0,03 +0,15 die Effekte des stratosphärischen Ozons sowie des Pina- tubo-Ausbruchs berücksichtigt. Boden +0,12 +0,04 +0,19

Abb. 29-13: a) Breiten-Höhen-Schnitt der Temperaturänderung pro Dekade für die Periode 1979-1997 für den Mo- dellauf GSO; b) Differenz GSO-GSDIO; jeweils Mittel aus 2 Simulationen. Man beachte die starke Abkühlung in der unteren Stratosphäre hoher Brei- ten. sonders starke oder schwache Erwärmung der Tropo- sphäre in den 6 Realisierungen. Die Tab. 29-4 erweitert das durch Angabe der Temperaturänderungen bei den Druckniveaus 50, 500 und 850 hPa sowie an der Ober- fläche. Der Effekt des reduzierten stratosphärischen Ozons ist: stark verminderte Erwärmung in der unteren Stratosphäre und oberen Troposphäre sowohl für Abb. 29-14: a) Breiten-Höhen-Schnitt der Temperaturänderung pro Dekade für mittleres stratosphärisches Ozon den mittleren, maximalen und minimalen Temperatur- und den Ausbruch des Vulkans Pinatubo (GSOP); trend in allen 6 Realisierungen. Wird auch noch der b) für Modelllauf mit minimaler Erwärmung der Ausbruch des Pinatubo berücksichtigt (Abb. 29-14 und Troposphäre und c) mit maximaler Erwärmung der Tab. 29-4), so folgt für die Realisierung mit minimalem Troposphäre. 198 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Trend, dass es fast keine mittlere globale Erwärmung 6 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen mehr gibt. Beobachtungen zusammen mit theoretischen Studien In Abb. 29-15 werden die geographischen Muster für und Klimamodellsimulationen erlauben für die ober- das Ensemblemittel und die Realisierungen maxima- flächennahe Lufttemperatur der nördlichen Erdhälfte len bzw. minimalen Trends im 50 und 500 hPa Niveau der letzten etwa 1000 Jahre folgende Charakterisie- sowie an der Oberfläche vorgestellt, wobei jeweils ne- rung: Erstens, eine mit der Milankowitsch-Theorie ben der Ozonverdünnung in der Stratosphäre auch der konsistente langsame Abkühlung bis 1900 von insge- Ausbruch des Pinatubo beachtet wurde. Die Abküh- samt 0,2 K. Zweitens, ein rapider Temperaturanstieg lung der Stratosphäre ist besonders ausgeprägt in den im 20. Jahrhundert, der höchstwahrscheinlich anthro- hohen Breiten beider Erdhälften, die Erwärmung in pogen ist. Überlagert sind große Schwankungen bei den Tropen ist eine Folge des Vulkanausbruchs. Im 500 Zeitskalen von Jahren bis mehrere Jahrzehnte, welche hPa-Niveau gibt es markante Musterverschiebungen höchstwahrscheinlich aus internen Wechselwirkungen für verschiedene Realisierungen (Läufe) aufgrund ho- folgen. Auch große Vulkanausbrüche tragen dazu bei her interner Variabilität. Auch an der Oberfläche ver- und können über einige Jahre die Oberfläche kühlen. schieben sich die Muster. Über Teilen Eurasiens Falls langfristige Schwankungen der Bestrahlungsstär- (40 - 70° N; 10° W - 135° E) ist die Differenz des Trends ke der Sonne existieren, können diese in ähnlicher pro Jahrzehnt zwischen wärmster und kältester Reali- Weise langfristige Schwankungen der Temperatur ver- sierung sogar 0,8 K. Nehmen wir an, dass die wirkliche ursachen. Atmosphäre sich ebenso verhält, dann kann man aus Beobachtungen über so kurze Zeitabschnitte keine Wir können auch recht sicher ausschließen, dass die Aussagen über die globale Klimaänderung machen, bisher noch nicht beobachtete massive Erwärmung im und noch weniger, falls nur Regionen betrachtet wer- 20. Jahrhundert von natürlichen Prozessen angestoßen den. worden ist, weil sowohl Amplitude als auch Andauer zu groß sind, um von einem Modell wiedergegeben zu

Abb. 29-15: Temperaturänderung pro Dekade für 1979-1997 in der Simulation (GSOP), links: für die Erdoberfläche, Mitte: im 500 hPa- Niveau, rechts: im 50 hPa-Niveau. a) Mittelwert; b) minimale Erwärmung der Troposphäre; c) maximale Erwärmung der Tro- posphäre. Man beachte die starke Variabilität in hohen nördlichen Breiten. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems 199 werden, noch können wir aus den Beobachtungen der Drift auftritt. Simulationen von Klimaänderungen sind letzten 1000 Jahre Unterstützung für frühere ähnlich daher Störungsrechnungen und wahrscheinlich dann massive Erwärmungen finden. falsch, wenn die Störungen zu groß werden. Für Simu-

lationen bei doppeltem oder dreifachem CO2-Gehalt Dass die Erwärmung im vergangenen Jahrhundert an- scheint das jedoch noch keine große Einschränkung zu thropogen ist, wird auch von vielen Modellstudien ge- sein. stützt. Gekoppelte zeitabhängige Modellsimulationen, die von Änderungen der Treibhausgase und der Sulfa- Die so genannte Flussanpassung (flux adjustment), zu- taerosole angetrieben worden sind, können mindes- erst beschrieben von SAUSEN et al. (1988), ist kriti- tens den beobachteten langfristigen Temperaturtrend siert und als Beispiel dafür herangezogen worden, dass im 20. Jahrhundert wiedergeben, wobei es wichtig ist, gekoppelte Modelle, die sie verwenden, weniger glaub- dass alle Einflussfaktoren berücksichtigt sind. Dies ist würdig seien. Jüngst sind Modellläufe mit signifikant noch nicht ganz der Fall, weil andere als Sulfataeroso- geringerer Anpassung der Energieflüsse oder ganz oh- le und in der Atmosphäre gebildete Treibhausgase wie ne sie vorgestellt worden. Mit oder ohne Flussanpas- Ozon noch nicht voll berücksichtigt worden sind. Auch sung sind die Ergebnisse jedoch sehr ähnlich. Es ist zu Landnutzungsänderungen als Folge der Landwirt- erwarten, dass die neue Generation der gekoppelten schaft, der Forstwirtschaft und der Verstädterung sind Modelle, z. B. ECHAM5/MPI-OM in Hamburg, diese nur unzureichend enthalten. Debatte beendet, weil sie ohne Flussanpassung aus- kommt. Sogar wenn Modelle in der Simulation einer Erwär- mung übereinstimmen, gibt es doch Modellunterschie- Ein herausragendes Problem, welches abschließend de bezüglich Muster und Geschwindigkeit der Erwär- hier betont werden muss, ist die inhärente stochasti- mung, was auf die Bedeutung der Rückkopplungen für sche Variabilität der Modelle und - wie ich glaube - regionale Änderungen von Temperatur, Niederschlag auch der Natur. Rein zufällig können Klimaanomalien und Zirkulationsmustern hinweist. Noch ist das Mo- Jahrzehnte andauern und regionales Klima signifikant dellergebnis stärker von Modelleigenschaften als De- beeinflussen. Solche Anomalien werden oft als Klima- tails des Antriebs bestimmt. Daraus folgt, dass die Mo- änderungen missverstanden, wie nach der Periode von delle sehr detailliert sein müssen, denn eine systemati- 1930 bis 1940 und erneut nach dem kalten Abschnitt in sche Schwäche würde ein fehlerhaftes Muster der Kli- den 60er und 70er Jahren des 20. Jahrhunderts, als Kli- maänderungen erzeugen. Mindestens das gegenwärti- maforscher die Möglichkeit eines anhaltenden Wech- ge Klima und seine Variabilität müssen sie beschreiben sels zu einem viel kälteren Klimaabschnitt vorschlu- können. Vereinfachte Modelle könnten irreführend gen. sein. Die gegenwärtigen Modelle leiden noch an unzu- reichender horizontaler und vertikaler Auflösung, wo- Wir wissen noch nicht, ob Anomalien wie El Niño und durch Orographie und Küstenlinien sowie Zirkula- die nordatlantische Oszillation sich bei allgemeiner tionsmuster nicht gut genug aufgelöst bzw. wiederge- Erwärmung systematisch ändern. geben werden. Das betrifft nicht nur regionale Klima- simulationen, sondern auch zum Teil die großräumige Zum Schluss soll zur Frage nach der dynamischen Sta- Zirkulation, weil diese zum Teil von mesoskaligen Wet- bilität des Klimas der Erde zurückgekehrt werden, ob tersystemen angetrieben wird. also das Klima transitiv oder intransitiv ist. Das wahr- scheinlichste Ereignis, das den Umschwung in ein an- Ein weiteres großes Problem ist die Darstellung physi- deres Klimaregime bringen könnte, ist - wenn auch nur kalischer Prozesse, die vom Modellgitter nicht aufge- regional - die Schwächung bzw. der Stopp der thermo- löst werden, als da sind Wolken-Strahlungs-Wechsel- halinen Zirkulation des Nordaltantiks. Die Folge wä- wirkung, hoch- bzw. tiefreichende Konvektion, Turbu- ren niedrigere Temperaturen der Ozeanoberfläche lenz in Grenzschicht und freier Atmosphäre bzw. im (MAROTZKE und WILLEBRAND 1991). Modelle Inneren von Ozeanen. Sie sind Beispiele für schwierig haben darauf hingewiesen, dass eine solche Instabilität zu handhabende Prozesse, weil zum Teil Beobach- angeregt werden könnte durch erhöhte Niederschläge tungen fehlen sowie manchmal auch das Prozessver- entlang der Zugbahnen nordatlantischer Tiefdruckge- ständnis. biete oder rasches Schmelzen des südlichen grönländi- schen Inlandeises. Ob ein solches Ereignis Wirklichkeit Die Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean ist ein wird, ist ungewiss und viele detailliertere Modellstu- besonderes Problem. Geringe Änderungen von Wol- dien einschließlich neuer Testdaten sind dazu notwen- ken und Meereis beeinflussen drastisch den Austausch dig. von Energie und Wasser. Kleine Fehler in den Modell- komponenten können als langfristige Klimadrift bei Integration über Jahrhunderte wieder gefunden werden. Viele Modellierer handhaben dies durch kleine systematische Korrekturen der Energieflüsse an der Oberfläche, so dass ohne Klimaänderungen keine 200 L. Bengtsson: Natürliche und anthropogene Antriebe des Klimasystems promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

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M. HEIMANN 30 Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs

1 Einleitung Abb. 30-1 zeigt schematisch die wichtigsten Wechsel- wirkungslinien zwischen dem physikalischen Klima- Das globale Umweltsystem der Erde besteht aus einer system und dem darin eingebetteten Kohlenstoffkreis- Vielzahl von wechselwirkenden Komponenten. Neben lauf. Systemanalytisch sind zwei wichtige Kopplungsli- den zentralen Kreisläufen von Energie, Impuls und nien zu unterscheiden: Wasser, welche in traditionellen Klimamodellen seit langem berücksichtigt werden, stehen eine Reihe von 1. Eine enge lokale Wechselwirkung besteht bei den

Kreisläufen der chemischen Elemente (u. a. C, N, P, S, Austauschvorgängen von CO2 und Wasser an der O), deren Umsätze durch physikalische, chemische Landoberfläche. Hier spielen die Blattöffnungen ei- und biologische Prozesse gesteuert werden. Diese so ne wichtige Rolle bei der Verdunstung über vegeta- genannten biogeochemischen Kreisläufe sind maßgeb- tionsbedeckten Oberflächen. Dieser Widerstand lich an der Kontrolle der atmosphärischen Konzentra- wird neben den vorliegenden physikalischen Klima- tion einer Reihe von wichtigen Spurengasen beteiligt bedingungen (in erster Linie Temperatur und

(CO2,CH4,N2O, DMS u. a.). In den meisten Untersu- Feuchte) ebenfalls durch eine Reihe von pflanzen- chungen mit Klimamodellen werden die Konzentratio- physiologischen Parametern und Prozessen gesteu- nen dieser Gase aus Beobachtungen oder aus ge- ert (SELLERS et al. 1997; SCHULZE et al. 2002), sonderten Kreislaufmodellrechnungen vorgeschrie- wobei auch die jeweils vorhandene atmosphärische ben. Weil jedoch das physikalische Klimasystem auf CO2-Konzentration eine wichtige Rolle spielt. Ne- die Quellen und Senken dieser Gase rückwirkt, be- ben dieser direkten, biophysiologischen Rückkopp- steht ein Interesse, diese potentiell signifikanten Rück- lung bilden die Eigenschaften der Landvegetation kopplungsschleifen in globalen Klimamodellen expli- (Albedo, Wurzeltiefen, Rauigkeit) zentrale Größen zit und interaktiv mit zu berücksichtigen. für die Beschreibung des Austauschs von Energie und Impuls an der Erdoberfläche. Da der terrestri- Unter dem Gesichtspunkt des anthropogenen globa- sche Kohlenstoffkreislauf entscheidend durch die len Wandels kommt dabei dem Kohlenstoffkreislauf Vegetationsdynamik geprägt wird, ergeben sich wei- eine wichtige Rolle zu. Seine wichtigste atmosphäri- tere mögliche, potenziell signifikante Rückkopp- sche Komponente, das Kohlendioxid (CO2), wird lungsschleifen (CLAUSSEN 2003). durch den Menschen direkt bei der Verbrennung von Kohle, Öl und Gas erhöht. Diese direkten Emissionen 2. Eine globale Wechselwirkung besteht über die at- aus fossilen Brennstoffen werden zudem noch ver- mosphärische CO2-Konzentration. Auf Grund der stärkt durch weiteres CO2, welches bei Änderungen der Land- nutzung, z. B. bei der Rodung von Waldflächen für die Landwirt- schaft, freigesetzt wird. Da das

CO2 in der Troposphäre chemisch inert ist, müsste dieses anthropogene CO2 in der Atmosphäre ak- kumulieren. Direkte Messungen des Anstiegs der CO2-Konzentra- tion zeigen jedoch, dass nur etwa

40 % des emittierten CO2 in der Atmosphäre bleiben. Austausch- prozesse von Kohlenstoff mit dem Ozean und der Landbio- sphäre moderieren offenbar wesentlich den CO2-Anstieg. Diese Austauschprozesse sind aber kli- maabhängig und damit können Klimaänderungen den atmosphä- rischen Anstieg des CO2 poten- Abb. 30-1: Vereinfachtes Schema des Kohlenstoffkreislaufes im globalen Klimasystem. ziell verlangsamen oder be- Reservoirgrößen und Austauschflüsse in PgC, bzw. PgC/a (SABINE et al. schleunigen. 2004), 1 Pg = 1015 g. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs 203

langen Abklingzeit einer atmosphärischen CO2-Stö- diese in CO2-Konzentrationen umgewandelt werden. rung (Ն 100 a)1 im Vergleich mit der Durchmi- In der Vergangenheit, bis hin zum jüngsten Bericht des schungszeit der Troposphäre (~1a), ist die atmo- IPCC (HOUGHTON et al. 2001) wurde dies mit Hilfe

sphärische CO2-Konzentration im Jahresmittel von einfachen, globalen Kohlenstoffkreislaufmodellen räumlich relativ uniform und kann daher in Klima- im Offline-Modus berechnet. Rückwirkungen des sich modellen bei der Berechnung der Strahlungsbilanz verändernden Klimas auf den Kohlenstoffkreislauf als räumlich und jahreszeitlich konstant vorge- können damit nicht, oder höchstens iterativ abge- schrieben werden. Lokale Störungen der Kohlen- schätzt werden. stoffsenken und -quellen führen zu Änderungen der

global gemittelten CO2-Konzentration und verän- Schließlich stellen Klimamodelle mit interaktiv einge- dern damit die atmosphärische Strahlungsbilanz auf bettetem Kohlenstoffkreislauf ein unabdingbares der globalen Skala. Diese Rückkopplungsschleife Werkzeug dar, eine der großen Herausforderungen der stellt einen von mehreren „biochemical feedbacks“ Klimamodellierung anzugehen, nämlich die Nachbil- dar. dung der großen, langsamen und schnellen Schwan- kungen des Klimasystems und der sich dabei parallel

Die Untersuchung und Quantifizierung der verschie- verändernden CO2-Konzentration während der letzten denen Rückkopplungseffekte zwischen Kohlenstoff- Eiszeitzyklen. kreislauf und Klimasystem bedarf der Entwicklung von realitätsnahen, gekoppelten Kohlenstoff-Klima- In einigen Erdsystemmodellen mit reduzierter Kom- modellen (Coupled Carbon Cycle Climate Models, plexität (CLAUSSEN et al. 2002) ist der vollständige CCCM). Mit diesem Werkzeug lassen sich verschiede- Einbezug des Kohlenstoffkreislauf bereits gelungen ne Fragen untersuchen wie z. B.: und erste Simulationen liegen vor (BROVKIN et al. - Wie verändert sich das ozeanische Speichervermö- 2002). Ebenfalls wurden in jüngster Zeit zwei Simula-

gen für Überschuss-CO2 bei sich ändernder Ozean- tionen zum globalen Wandel mit gekoppelten komple- zirkulation und wie wirkt sich diese auf Kohlenstoff- xen Klimamodellen durchgeführt. Die zum Teil kon- austauschprozesse mit marinen Organismen aus? trären Ergebnisse werden unten näher diskutiert. Die - Heute stellen viele der naturnahen Teile der Land- Task-Force „Global Analysis, Integration and Model-

vegetation eine CO2-Senke dar - wie verändert sich ling“ des „International Geosphere-Biosphere Pro- diese bei einer globalen Erwärmung? grams“ (IGBP) hat zusammen mit der „Working Zwar lassen sich diese Fragen auch mit Hilfe von par- Group on Coupled Models“ des „World Climate Re- tiell-gekoppelten Modellen untersuchen, etwa indem search Programme“ (WCRP) hierzu eine spezielles nur die Kopplung Klimamodell-ozeanischer Kohlen- Projekt geschaffen: das „Coupled Carbon Cycle Cli- stoffkreislauf berücksichtigt wird oder ein Landvege- mate Model Intercomparison Project“ (C4MIP 2000). tationsmodell mit Kohlenstoffkomponenten entweder In diesem Projekt soll durch Vereinheitlichung der interaktiv oder im offline-Modus mit den von einem Protokolle für einige Kontrollsimulationen die Ver- Klimamodell berechneten Klimadaten angetrieben gleichbarkeit der verschiedenen in Entwicklung ste- wird. Dabei werden allerdings die anderen Kompo- henden Modelle gewährleistet werden. nenten des globalen Kohlenstoffkreislaufs festgehal- ten. Aus Konsistenzgründen ist jedoch eine vollständi- Im Folgenden wird kurz auf den Stand des Prozessver- ge dynamische, prozessorientierte Beschreibung des ständnisses und der Modellierung der wichtigsten gekoppelten Klima-Kohlenstoffkreislaufsystems er- Kohlenstoffkreislaufkomponenten eingegangen und strebenswert. anschließend das Kopplungsproblem erörtert. Selbst- verständlich bedürfen die neuen Klimamodellkompo- Aus Anwendersicht besteht zudem ein direktes Inter- nenten der intensiven Überprüfung. Schlussendlich esse an der Entwicklung von realistischen CCCMs. werden erste Ergebnisse von gekoppelten Modellen Szenarien der zukünftigen sozioökonomischen Ent- diskutiert und in einem Ausblick zukünftige Erweite- wicklung liefern immer nur CO2-Emissionen; um derungen/Entwicklungen angesprochen. ren Auswirkungen auf das Klima zu erfassen, müssen

2 Beschreibung der Kohlenstoffkreislauf- 1 Die atmosphärische CO2-Abklingzeit hängt von der Zeitskala Komponenten einer CO2-Störung ab. Sie ist nicht zu verwechseln mit der at- mosphärischen „Lebensdauer“ eines CO2-Moleküls, welche nur 2.1 Atmosphäre etwa 3 Jahre beträgt. Die CO2-Abklingzeit ist deshalb so groß, weil die meisten von Landbiosphäre und Oberflächenozean auf- Kohlenstoff liegt in der Atmosphäre vorwiegend in genommenen Kohlenstoffatome nach relativ kurzer Zeit wieder Form des inerten Gases CO2 vor. Chemische Spuren- in die Atmosphäre zurückgegeben werden. Nur ein kleiner Teil gase wie CO, CH4 und weitere flüchtige organische wird in Kohlenstoffspeicher mit längeren Umwälzzeiten ver- Verbindungen (VOC) machen weniger als 1 % des at- frachtet (z. B. Holz, Böden, Tiefsee, Sedimente) und damit der mosphärischen Kohlenstoffs aus und können bei der Atmosphäre längerfristig entnommen. Beschreibung der Dynamik des Kohlenstoffkreislaufs 204 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

stoffstrom durch CO2-Aufnahme in kalten und Ausga- 2 vernachlässigt werden .CO2, das aus den verschiede- sen in warmen Ozeangebieten. Dieser Kohlenstoff- nen Quellen und Senken an der Erdoberfläche in die transport wird oft als „Löslichkeitspumpe“ bezeichnet. Atmosphäre gelangt, wird als chemisch inerter Tracer durch die Luftströmungen verfrachtet. Wie in der Ein- Neben dem anorganischen Kohlenstoff spielt die mari- leitung bereits dargelegt, ist für die Beschreibung der ne Biosphäre eine wichtige Rolle. Beim Wachstum von

Klimawirksamkeit des CO2 nur die global gemittelte Phytoplankton in der lichtdurchfluteten Ozeandeck- Konzentration des CO2 von Bedeutung. Im gekoppel- schicht wird Kohlenstoff aufgenommen und in organi- ten Kohlenstoffkreislauf-Klimamodell könnte daher scher Form gespeichert. Nach Absterben der Organis- im Prinzip die Atmosphäre als ein einzelnes Reservoir men wird dieser wieder durch Bakterien abgebaut und betrachtet werden, welches durch die Kohlenstoffquel- zu anorganischem Kohlenstoff remineralisiert. Da ein len und -senken gespeist wird. Die durch den atmo- Teil dieser Remineralisierung nach Absinken von to- sphärischen Transport erzeugten raum-zeitlichen Kon- ten Organismen in tieferen Bereichen des Ozeans ge- zentrationsmuster sind jedoch von großer Bedeutung schieht, wird dort anorganischer Kohlenstoff angerei- für die Überprüfung der ozeanischen und terrestri- chert. Vertikaler Transport und Mischungsprozesse schen Kohlenstoffmodellkomponenten (s. u.). Aus die- bringen dieses übersättigte Ozeanwasser wieder nach sem Grunde wird angestrebt, auch in gekoppelten oben, bis sich im globalen und längerfristigen Mittel

CCCM das CO2 in der Atmosphäre als 3-dimensiona- ein Gleichgewicht einstellt. Insgesamt erniedrigt diese les, zeitlich variables skalares Feld darzustellen, wel- „marine biologische Pumpe“ den Kohlenstoffgehalt ches der Kontinuitätsgleichung unterliegt. der Deckschicht und, im Gleichgewicht, damit auch

den CO2-Partialdruck der Atmosphäre. Würde sie ab- gestellt, so ergäbe sich eine Erhöhung der CO2-Kon- 2.2 Ozean zentration in der Atmosphäre um 150-200 ppm (GRU- BER und SARMIENTO 2002). Eine eingehende Darstellung des marinen Kohlen- stoffkreislaufs wurde in dieser Zeitschrift bereits vor Neben organischem Material bilden einzelne marine einiger Zeit veröffentlicht (KÖRTZINGER und Organismen auch Kalkschalen (CaCO3), welche nach WALLACE 2002). Die hier aufgeführten Prozesse be- dem Absterben ebenfalls in die Tiefe sinken und dort schränken sich auf diejenigen, welche in heutigen glo- unterhalb der sogenannten Lysocline wieder gelöst balen Modellen des ozeanischen Kohlenstoffkreislaufs werden. Paradoxerweise wirkt sich die Karbonatpum- entweder explizit oder in parameterisierter Form ent- pe gerade entgegengesetzt der organischen Pumpe auf halten sind. das atmosphärische CO2 aus: eine Verstärkung des Kalktransportes nach unten exportiert zwar Kohlen-

Das CO2 in der Atmosphäre tauscht über molekulare stoff, führt jedoch auch zu einer Verschiebung der Io- Diffusion durch die Wasseroberfläche mit dem Ozean nenbilanz und damit der Dissoziation von CO2, Bikar- Kohlenstoff aus. Der Netto-Gasfluss wird getrieben bonat und Karbonat in der Deckschicht. Insgesamt be- durch die Partialdruckdifferenz zwischen gelöstem CO2 wirkt diese Pumpe eine Erhöhung des CO2-Partial- in der ozeanischen Deckschicht und der darüber lie- drucks. genden Atmosphäre. Der Widerstand, den die Luft- Wasser-Grenzschicht dem Austausch entgegensetzt, Wichtig für das dynamische Verhalten des ozeanischen hängt primär von der Turbulenz auf der Wasserseite der Kohlenstoffkreislauf ist die Lehrmeinung, dass das Grenzschicht ab, welche ihrerseits durch Windstress, Wachstum mariner Organismen nicht von dem vor- Wellenfeld sowie brechende Wellen bestimmt wird. handenen Kohlenstoffangebot abhängt, welcher über- all ausreichend vorliegt. Entscheidend für die marine Im Ozean liegt der größte Teil des Kohlenstoffs in an- biologische Pumpe und für die Karbonatpumpe ist das organischer Form als gelöstes CO2 (als H2CO3), Bikar- Vorliegen von Nährstoffen (vor allem N, P und Si), – = bonat (HCO3) und Karbonat (CO3) vor. Aus der Kon- welche primär das Planktonwachstum limitieren. In zentration des gesamten anorganischen Kohlenstoffs jüngerer Zeit hat sich zudem der Befund erhärtet, dass – = (SC = H2CO3 + HCO3 + CO3), sowie der gesamten Io- in gewissen ozeanischen Gebieten sogenannte „Micro- nenbilanz (ausgedrückt durch die Alkalinität oder pH) nutrients“ (Fe, Mn u. a.) ebenfalls das Wachstum be- lassen sich die Anteile der einzelnen Fraktionen aus grenzen. Aus diesem Grunde führt eine atmosphäri- dem chemischen Gleichgewicht bei gegebener Tempe- sche CO2-Zunahme nicht zu einer Verstärkung der ma- ratur und Salinität bestimmen. Da die Löslichkeit von rinen biologischen Pumpen. Hingegen können Ände-

CO2 in kaltem Wasser grösser ist als in warmem Was- rungen der Nährstoffe, z. B. durch Änderung der Oze- ser, ergibt sich ein natürlicher anorganischer Kohlen- anzirkulation oder durch direkten Eintrag (z. B. durch Staubtransport) potenziell diese beeinflussen und damit auf den globalen Kohlenstoffkreislauf rückwirken. 2 Diese Gase sind jedoch für die Luftchemie wichtig und einige davon sind ebenfalls wichtige Treibhausgase (z. B. CH4 und Diese hier kurz skizzierten Prozesse bilden die wich-

N2O), s. Kapitel 24 von J. LELIEVELD im 1. Teilheft. tigsten Elemente der heute vorliegenden 3-dimensio- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs 205 nalen Modelle des ozeanischen Kohlenstoffkreislaufs (1) Physikalische Gesetze beschreiben Transport und (Ocean Carbon Cycle Models, OCCMs). Diese werden Mischung. Diese lassen sich auf die Grundglei- eingebettet in ein ozeanisches Zirkulationsmodell. chungen der Hydrodynamik zurückführen und Wichtige Aspekte der Dynamik des ozeanischen Koh- sind so gut numerisch dargestellt wie im zu Grun- lenstoffkreislaufs, wie sie sich z. B. bei der Simulation de liegenden Zirkulationsmodell. der Aufnahme des atmosphärischen Überschuss-CO2 (2) Chemische Gleichgewichtsreaktionen beschreiben abbilden, hängen daher nicht allein von den spezifi- die Dissoziation der verschiedenen anorganischen schen Kohlenstoffkomponenten ab, sondern werden Kohlenstofffraktionen und Salze. Diese sind im zu einem wesentlichen Teil von den Eigenschaften des Allgemeinen sehr gut verstanden und die Reak- verwendeten Zirkulationsmodells bestimmt. tionskonstanten im Labor oder in situ genau gemessen worden. Abb. 30-2 zeigt schematisch die Prozesse, welche in (3) Die Beschreibung der biologischen Prozesse ba- heutigen globalen OCCM explizit dargestellt werden siert vorwiegend auf empirischen Untersuchun- (SIX und MAIER-REIMER 1996). Neben den drei gen. Diese bedingen die größten Unsicherheiten, marinen Pumpen werden auch Sedimentbildung und da bei einer Szenarienrechnung in einen anderen -lösung in vereinfachter Form simuliert (ARCHER et Klimazustand implizit angenommen wird, dass sich al. 2002). Der Kreislauf der Nährstoffe wird meistens die empirischen Beziehungen nicht ändern. durch einen einzigen, repräsentativen Nährstoff dargestellt, der für N oder P steht. Das System der Kontinuitätsgleichungen muss numerisch auf dem Gitter des ozeanischen Zirkulationsmo- In formaler Hinsicht unterliegt jeder Spurenstoff in ei- dells gelöst werden. Als Eingangsgrößen werden Was- nem OCCM einer dreidimensionalen Kontinuitätsglei- sertemperatur, Salzgehalt, Druck, Strömungsvektor so- chung. Neben dem gesamten anorganischen Kohlen- wie Mischungsparameter zur Beschreibung von sub- stoff und der Alkalinität werden für die Darstellung skaliger Diffusion und Konvektion aus dem ozeani- der Effekte der marinen Biosphäre eine Reihe weite- schen Zirkulationsmodell vorgeschrieben. Für die Be- rer Stoffe (organischer Kohlenstoff, Phytoplankton, schreibung der marinen Biosphäre müssen zudem das

Zooplankton, POC, DOC, O2, N, u. a. m.) benötigt; so- einfallende Sonnenlicht, und gegebenenfalls die Einträ- mit ergibt sich ein System von mehr als 9 gekoppelten ge von Nährstoffen durch Wind (z. B. Saharastaub) und Kontinuitätsgleichungen. Die Umwandlungsprozesse Flüsse vorgeschrieben werden. Die hohe Anzahl der zu der verschiedenen Spurenstoffe erscheinen dabei als betrachtenden Tracer sowie die unter Umständen auf- Quellen und Senken. Für diagnostische Zwecke wer- wändige Berechnung der chemischen und biologischen den meistens noch weitere Tracer mitberechnet, wie Umsatzprozesse bewirkt, dass ein OCCM in den meis- z. B. Kohlenstoffisotope (13C, 14C) in den verschiedenen ten Fällen mehr Rechenzeit benötigt, als das ozeani- Kohlenstoffformen. Die Parameterisierungen, welche sche Zirkulationsmodell, in welches es eingebettet ist. einem OCCM zu Grunde liegen, sind von unterschiedlicher Qualität: Die heutige Entwicklung geht in Richtung einer besseren Darstellung der marinen Biosphäre entweder durch explizite Darstellung mehrer funktionaler Grup- pen von marinen Organismen, durch Berücksichtigung weiterer Attribute des Planktons, wie z. B. verschiedene Größenklassen, oder durch die explizite Beschrei- bung höherer trophischer Ebenen der marinen Nah- rungskette. Erste Ergebnisse sind vielversprechend (AUMONT et al. 2003; MOORE et al. 2002; GREGG et al. 2003); allerdings werden diese Ansätze erst in der nächsten Generation von CCCMs Eingang finden. Ein systematischer Vergleich heutiger ozeanischer Kohlen- stoffmodelle wurde im Rahmen des Ocean Carbon Model Intercomparison Project (OCMIP) durchge- führt (ORR et al. 2001).

2.3 Terrestrische Biosphäre

Die terrestrische Biosphäre nimmt CO2 durch Photo- synthese auf. Der Kohlenstoff wird in den verschiedenen Pflanzenteilen in organischer Form gespeichert Abb. 30-2: Vereinfachtes Schema der in einem Simulationsmo- dell des ozeanischen Kohlenstoffs (OCCM) darge- und später über eine Vielzahl von Respirations- und stellten Reservoire und Prozesse (HAMOCC3, SIX Abbauprozessen wieder an die Atmosphäre abgege- und MAIER-REIMER 1996). ben. Abb. 30-3 zeigt in vereinfachter, schematischer 206 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Weise die wichtigsten Prozesse, welche in einem mo- in die verschiedenen Pflanzenkompartimente (Blätter, dernen dynamischen Vegetationsmodell (DGVM) be- Struktureile, Wurzeln usw.) und die Erzeugung von to- schrieben werden. Pauschal lassen sich die verschiede- tem Pflanzenmaterial (u. a. Blattabwurf) sowie die nen Prozesse nach ihren charakteristischen Zeitskalen mikrobielle Umsetzungen des Kohlenstoffs zu Humus in drei Kategorien einordnen. und schließlich zurück in CO2. Für die Darstellung dieser Prozesse in DGVM müssen Parameterisierungen

Auf kurzen Zeitskalen verläuft die Aufnahme von CO2 basierend auf empirischen Messungen verwendet wer- und gleichzeitige Abgabe von H2O bei der Photosyn- den.Viele dieser Prozesse sind neben der lokalen Tem- these. Diese Prozesse sind unmittelbar mit der lokalen peratur und Feuchte zudem durch das vorliegende Bilanz von Energie und Wasser an der Erdoberfläche Nährstoffangebot (vor allem Stickstoff und Phosphor) gekoppelt. Ein wichtiges Steuerelement für den Gas- bestimmt. Eine quantitative, konsistente Berücksichti- austausch bildet dabei die von den Spaltenöffnungen gung dieser Abhängigkeiten in DGVMs würde daher abhängige Leitfähigkeit der Blätter, welche durch zusätzlich die explizite Modellierung der Kreisläufe physiologische Pflanzenprozesse kontrolliert wird. Da von N und P erfordern. Wegen ungenügendem Pro- die diesem Prozess zu Grunde liegenden Gesetze nicht zessverständnis und zur Begrenzung der Komplexität aus einer allgemeinen Theorie quantitativ abgeleitet werden diese jedoch in der Darstellung der terrestri- werden können, wird die stomatäre Leitfähigkeit in schen Biosphäre in heutigen CCCMs vernachlässigt Abhängigkeit von Umweltgrößen wie Lufttemperatur oder nur implizit berücksichtigt, z. B. durch die Annah- und Feuchte, verfügbarem Wasser sowie der aktuellen me, dass Nährstoffe in jedem Falle unbegrenzt vorlie- Photosynthese basierend auf empirischen Messungen gen, oder dass nährstoffbedingte Begrenzungen des parameterisiert (SELLERS et al. 1997; COLLATZ et Wachstums in spezifischen Ökosystemen aus empiri- al. 1991). Die Photosynthese selbst lässt sich durch bio- schen Daten vorgeschrieben werden. chemische Grundgesetze angenähert beschreiben (FARQUHAR et al. 1980). Die Gesamtheit dieser Über noch längere Zeiträume gesehen sind Änderun- schnellen Prozesse wird oft auch biophysikalische gen der Pflanzenzusammensetzung sowie deren geo- Rückkopplung genannt. Sie ist in vielen modernen at- graphische Ausbreitung zu berücksichtigen - Wechsel- mosphärischen Zirkulationsmodellen bereits als Teil wirkungen dieser Art mit dem Klimasystem werden als des Landoberflächenschemas enthalten, wie z. B. beim biogeographische Rückkopplungen bezeichnet. In amerikanischen SIB2-Modell (SELLERS et al. 1997) DGVMs geschieht dies durch die Darstellung der Ve- oder beim Oberflächenschema, das im zukünftigen getationszonen als Zusammensetzung verschiedener Hamburger ECHAM5-Klimamodell eingebaut wird, funktionaler Pflanzentypen („Plant Functional Types“, basierend auf dem Modell von BETHY (KNORR und PFT). Wachstum und Ausbreitung der PFTs wird si- HEIMANN 2001). muliert durch vorgeschriebene PFT-spezifische Ab- hängigkeiten gegenüber Umweltbedingungen sowie Auf längeren Zeitskalen sind biogeochemische Prozes- durch den Wettbewerb mit anderen PFT um Res- se zu betrachten. Hierzu gehört das Wachstum der sourcen, wie z. B. Wasser und Licht (SITCH et al. Pflanzen durch Einbau des assimilierten Kohlenstoffs 2003). Eine wichtige Rolle spielen dabei Störfaktoren wie z. B. Feuer, welche die Verbrei- tung vorherrschender PFT reduzieren können, um damit anderen PFT die Gelegenheit zu geben, sich tem- porär oder bei geändertem Klima auch langfristig durchzusetzen.

Viele der in heutigen DGVM beschriebenen Prozesse können nur in hoch parameterisierter Form dargestellt werden und basieren in den meisten Fällen auf einer sehr be- grenzten Anzahl empirischer Unter- suchungen. Dennoch können heutige DGVM die Beobachtungen auf einer Vielzahl räumlicher und zeitlicher Skalen beeindruckend wiedergeben. Als Beispiele seien genannt: auf langen Zeitskalen die Verschiebungen der globalen Vegetationszonen seit der letzten Eiszeit, auf der histori- Abb. 30-3: Vereinfachte, schematische Darstellung der in einem dynamischen Vegeta- schen Zeitskala die Aufnahme des tionsmodell (DGVM) betrachteten Prozesse. CO2 während der letzten 200 Jahre promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs 207

(MCGUIRE et al. 2001) bis hin zu der Beschreibung der Simulation mit in situ Beobachtungen, die auch be- des Austauschs von CO2 und H2O an einzelnen Stand- reits mit partiell gekoppelten Modellen durchgeführt orten während eines Jahres (SITCH et al. 2003). werden können, gibt es eine Reihe von regionalen und globalen Tests, welche eine Bewertung der Qualität ei- Dennoch ist die Beschreibung der terrestrischen Bio- nes Modells erlauben. Wie bei allen Experimenten zur sphäre in den heutigen DGVMs in vielen Aspekten Überprüfung von komplexen Modellen stellen sie noch unbefriedigend. Bereits oben wurde das Fehlen allerdings nur einen notwendigen, aber nicht hinrei- einer expliziten Darstellung der Nährstoffkreisläufe in chenden Test dar, da immer nur ein bestimmter Aspekt den DGVMs angesprochen. Obwohl plausibel als er- der Modelldynamik erfasst wird. ster Ansatz, berücksichtigt das Konzept der PFT nicht weitergehende Fragen wie z. B. diejenige nach der Rol- Quellen und Senken des CO2 an der Erdoberfläche er- le von Biodiversität, welche für die Stabilität von Öko- zeugen raumzeitliche Variationen der atmosphäri- systemen unter sich veränderndem Klima von großer schen CO2-Konzentration. Wegen der starken Durch- Bedeutung sein könnte. Daneben fehlt in heutigen mischung der Atmosphäre werden diese Signale inte- DGVMs eine explizite Darstellung der Altersstruktur griert und spiegeln daher das großräumige Quellen- von Ökosystemen, welche ebenfalls die Vegetationsdy- und Senkenmuster wider. Die Simulationsergebnisse namik signifikant beeinflusst. Noch weitgehend unbe- von CCCM lassen sich daher anhand von Beobach- rücksichtigt sind ferner alle möglichen direkten und in- tungen von atmosphärischen CO2-Konzentrationsvari- direkten Einwirkungen durch menschliche Aktivitäten ationen überprüfen. Hierzu muss allerdings das atmo-

(Landnutzung, Landnutzungsänderungen und -ma- sphärische CO2 im Atmosphärenmodell als eigenes, nagement). 83 % aller Landflächen der Erde und sogar dreidimensionales Tracerfeld mitgerechnet werden.Ei- 98 % aller Landflächen, auf denen potenziell Reis, ne zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich aus dem Um-

Weizen oder Mais angebaut werden könnte, unterlie- stand, dass die Atmosphäre die Summe aller CO2- gen bereits heute signifikant menschlichen Einflüssen Quellen und -Senken widerspiegelt. In der Nordhemi-

(SANDERSON et al. 2002). Dies hat gravierende Aus- sphäre sind dies auch die Emissionen von CO2 aus der wirkungen auf Vegetationsdynamik, Kohlenstoffum- Verbrennung von fossilen Energieträgern, während in satzraten und -speicherung in der Landbiosphäre. den Tropen auch die Emissionen aus Änderungen der Landnutzung eingehen, welche in den heutigen CCCM-Simulationen noch nicht berücksichtigt wor- 3 Kopplung, Initialisierung und Überprüfung den sind. Ein herausragendes atmosphärisches Signal stellt der Jahresgang dar, der insbesondere in der Die Kopplung von Komponentenmodellen des Koh- Nordhemisphäre sehr ausgeprägt die jahreszeitliche lenstoffkreislaufs zu einem globalen CCCM ist im Aktivität der Landbiosphäre widerspiegelt und damit Prinzip relativ einfach. Die meisten OCCM sind im ein wichtiges Diagnosemittel darstellt (HEIMANN et Normalfall bereits eingebettet in ein OGCM entwi- al. 1998). ckelt worden. Obwohl das etwas schwieriger ist, kann auch die neueste Generation von DGVM mit Wetter- Der wohl kritischste Test einer gekoppelten CCCM-Si- daten aus einem atmosphärischen Zirkulationsmodell mulationsrechnung über die historische Periode ergibt angetrieben werden. Die Rückkopplung vom Kohlen- sich aus dem Vergleich des simulierten CO2-Konzen- stoffkreislauf auf das Klimasystem erfolgt über das at- trationstrends mit Beobachtungen aus Eiskernen und mosphärische CO2, welches als neue prognostische Va- den direkten Messungen seit 1959 von Mauna Loa und riable eingeführt werden muss. Über die Schwierigkei- dem Südpol. Die kritische Modellgröße ist dabei die so ten bei der Implementation der Rückkopplungseffek- genannte „Airborne Fraction“, d. h. der in der Atmo- te zwischen Vegetation und Atmosphäre berichtet sphäre verbleibende Teil einer CO2-Emission. Be- CLAUSSEN (2003). obachtet wird ein Wert von etwa 0,44, der allerdings mit relativ hohen Unsicherheiten behaftet ist, da ins- Da sowohl der ozeanische wie auch der terrestrische besondere die Emissionen aus Änderungen der Land- Kohlenstoffkreislauf eine lange Einstellungszeit nutzung nur sehr ungenau bekannt sind. Da diese (>1000 bzw. >500 Jahre) benötigen, werden die einzel- Emissionen in den heute vorliegenden CCCM-Simula- nen Komponenten zunächst entkoppelt mit vorge- tionen nicht oder nur pauschal berücksichtigt wurden, schriebenem atmosphärischen CO2 durch separate steht dieser harte Test noch aus. Einschwingsimulationen initialisiert. Danach wird zu einer dynamischen CO2-Konzentration übergegangen. In den beiden heute vorliegenden Simulationen mit 4 Erste Simulationsergebnisse CCCMs stellte sich ohne Flusskorrektur eine relativ stabile CO2-Konzentration im Kontrolllauf heraus Bis heute (2003) wurden zwei Szenarienrechnungen (COX et al. 2000; DUFRENE et al. 2002). des globalen Wandels über den Zeitraum 1850-2100 mit CCCM durchgeführt und publiziert: mit dem Had- Es existiert eine Vielzahl von Möglichkeiten, um ge- ley Centre Modell des englischen Wetterdienstes koppelte CCCM zu überprüfen. Neben dem Vergleich (HADLEY: COX et al. 2000) sowie mit dem französi- 208 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 schen Modell des Institut Pierre Simon Laplace in Pa- (feine Linien), wie im gekoppelten Lauf (fette Linien). ris (IPSL: DUFRESNE et al. 2002). Die Resultate wer- Die IPSL-Simulation benutzte etwas höhere Emissio- den im Folgenden dargestellt und verglichen. Beiden nen (integriert 1850-2100: 2220 PgC gegenüber der Modellsimulationen liegen vergleichbare Randbedin- Hadley-Simulation mit 1880 PgC). Beide Simulationen gungen zu Grunde, die im Wesentlichen nur aus den weisen im ungekoppelten Fall fast denselben atmo- vorgeschriebenen CO2-Emissionen aus der Verbren- sphärischen CO2-Verlauf auf mit einem Endwert von nung fossiler Energieträger bestanden. Änderungen etwa 700 ppm in 2100. Die etwas höheren Emissionen der Landnutzung wurden nicht berücksichtigt, und die in der IPSL-Simulation werden durch eine etwas hö- simulierte Vegetation bestand nur aus potenzieller na- here Ozeanaufnahme kompensiert (s. unten). Die ge- türlicher Vegetation unter Vernachlässigung von Land- koppelten Simulationen weisen hingegen dramatisch wirtschaft. In beiden Studien wurden neben einem unterschiedliche globale Ergebnisse auf: Beim IPSL-

Kontrolllauf eine ungekoppelte und eine gekoppelte Modell ergibt sich eine moderate CO2-Erhöhung ge- Simulation durchgeführt. In der ungekoppelten Rech- genüber dem ungekoppelten Lauf mit einem Endwert nung wurde dem physikalischen Klimasystem ein kon- in 2100 von etwa 750 ppmv. Demgegenüber ergibt die stanter, vorindustrieller Wert der atmosphärischen gekoppelte Hadley Simulation einen wesentlich stär-

CO2-Konzentration vorgeschrieben und damit die keren CO2-Anstieg in der Atmosphäre auf ungefähr Kohlenstoffaufnahme in Ozean und Landbiosphäre im 1000 ppmv. Diese unterschiedlichen atmosphärischen

Kontrollklima berechnet. In der gekoppelten Simula- CO2-Verläufe in den gekoppelten Simulationen spie- tion wurde dann das volle CCCM mit den vorgeschrie- geln sich auch in der simulierten Erhöhung der global benen Emissionen angetrieben. gemittelten Lufttemperatur in Oberflächennähe wider: Diese steigt in der IPSL-Simulation um +3 K bis zum Jahre 2100 gegenüber +5 K in der gekoppelten 4.1 Globale Ergebnisse Hadley-Simulation.

Abb. 30-4 zeigt die vorgeschriebenen Emissionen, den Worauf sind diese beiden sehr verschiedenen Simula- resultierenden atmosphärischen CO2-Konzentrations- tionsergebnisse zurückzuführen? Abb. 30-5 zeigt die verlauf sowie die global gemittelte Lufttemperatur in berechnete, global integrierte CO2-Aufnahme in Oze- Oberflächennähe in den beiden Simulationen. Darge- an und in der Landbiosphäre, sowohl für die ungekop- stellt sind sowohl die Ergebnisse im ungekoppelten pelte als auch die gekoppelte Rechnung.

(a) Emission in Pg C/a -Aufnahme in Pg C/a -Aufnahme

(b) 2 -Konzentration in ppm -Konzentration 2 CO (c) -Aufnahme in Pg C/a-Aufnahme CO 2 CO Lufttemperatur in °C Lufttemperatur

Abb. 30-4: Globale Ergebnisse von Szenarienrechnungen mit

CCCM. (a) Emissionen, (b) CO2-Konzentration, Abb. 30-5: Berechnete global integrierte CO2-Aufnahme in Oze- (c) global gemittelte Lufttemperatur in der Nähe der an und Landbiosphäre. Man beachte den unter- Erdoberfläche. schiedlichen Maßstab an den y-Achsen. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs 209

(a) Beide Modelle unterscheiden sich im ungekoppelten Falle bezüglich der Ozeanaufnahme. Im gekoppelten Fall erhöht sich in beiden Modellen die Ozeanaufnah- me. Dies ist in erster Linie durch die höheren atmo- sphärischen CO2-Konzentrationen im gekoppelten Lauf verursacht, welche eine erhöhte Partialdruckdif- ferenz zwischen Oberflächenozean und Atmosphäre erzeugen und damit einen etwas größeren CO2-Fluss in den Ozean. Bezüglich der Landbiosphäre unterscheiden sich die beiden Modelle in der ungekoppelten (b) Rechnung nur geringfügig. Im gekoppelten Fall jedoch zeigt sich ein stark unterschiedliches Verhalten in der Simulation nach etwa 2020: In der Simulation mit dem

IPSL-Modell ergibt sich eine etwas verringerte CO2- Aufnahme, während in der Hadley-Simulation die Auf- nahme durch die Landbiosphäre stark zurückgeht und in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts sogar zu einer zusätzlichen CO2-Quelle wird.

Die Differenz zwischen der berechneten Temperatur- zunahme in den beiden gekoppelten Modellsimulatio- nen (2 °C) liegt in derselben Größenordnung wie die vom IPCC angegebenen Unsicherheiten der Tempera- Veränderung des gespeicherten Kohlenstoffs in kg C/m2 turzunahme im 21. Jahrhundert, basierend auf einem Abb. 30-6: Simulierte Veränderungen des gespeicherten Kohlen- Ensemble von Simulationsrechnungen mit verschiede- stoffs in der terrestrischen Vegetation (a) und im Bo- nen Emissionsszenarien und physikalischen Klimamo- den (b) im HADLEY-Modell (1860-2100). dellen (2-5 °C). Offensichtlich ist der globale Kohlen- stoffkreislauf als integrale Komponente des Klimasys- überall überschattet durch den Verlust an Kohlenstoff tems nicht vernachlässigbar. aus dem Boden auf Grund einer massiv verstärkten mikrobiellen Aktivität in Folge der simulierten Tempe- raturerhöhung. Es ist dieser zweite Rückkopplungsef- 4.2 Regionale Effekte fekt, welcher auf globaler Skala die Landbiosphäre ins-

gesamt aus einer CO2-Senke zu einer CO2-Quelle in Einen vertieften Einblick in die Ursachen der starken der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts werden lässt. Reaktion des Hadley-Modells im gekoppelten Lauf ergibt sich durch eine Analyse der berechneten regiona- Wie realistisch sind diese Simulationsergebnisse? Das len Änderungen der Kohlenstoffspeicher in der Land- im Hadley-Modell enthaltene DGVM besitzt eine re- biosphäre. Abb. 30-6 zeigt die berechneten Änderun- lativ einfache Beschreibung des Bodenkohlenstoffs gen 1860-2100 in der Landvegetation und im Boden- bestehend aus nur einem einzigen Kohlenstoffspei- kohlenstoff. Dargestellt sind die Unterschiede zwi- cher. Die Abbaurate des Bodenkohlenstoffs ist pro- schen der gekoppelten und der ungekoppelten Simula- portional einer exponentiellen Funktion der Tempera- tion. tur mit einem globalen Q10 Wert von 2, was bedeutet, dass die Abbaurate sich bei einer Bodentemperaturer- In vielen Gebieten der Erde, vor allem in hohen Brei- höhung von 10 K verdoppelt. Empirische Messungen ten, führt die Klimaerwärmung zu einer vermehrten der Abbauraten als Funktion der Temperatur weisen in Kohlenstoffspeicherung in der Vegetation. In hohen der Tat oft eine exponentielle Abhängigkeit auf, aller-

Breiten ist dies in erster Linie auf eine längere Vegeta- dings streut der daraus ermittelte Q10 Wert beträchtlich tionsperiode zurückzuführen, während in einzelnen und lässt sich daher nicht zur Kalibration des Modells tropischen Regionen verstärkte Niederschläge das benutzen. Wachstum der Vegetation begünstigen. Katastrophal jedoch erweisen sich die modellierten Änderungen im Auf kürzeren Zeitskalen lässt sich aus atmosphäri-

Amazonasgebiet: Hier simuliert das Klimamodell un- schen CO2-Variationen eine erhebliche interannuale ter höherem CO2-Gehalt einen starken Rückgang des Variabilität ermitteln; diese wird auch in den gekop- Niederschlags, was ein völliges Verschwinden des tro- pelten Modellsimulationen wiedergegeben (s. Abb. pischen Regenwaldes und Übergang zu einer Steppen- 30-4). Nimmt man an, dass diese Schwankungen in er- landschaft zur Folge hat. Dieser Vegetationswechsel ster Linie durch klimainduzierte veränderte Respira- äußert sich in einem massiven Rückgang des dort in tion der Landbiosphäre erzeugt werden, dann lässt sich der Vegetation gespeicherten Kohlenstoffs. Insgesamt der gewählte Wert von Q10 im Modell auf der globalen werden die Änderungen in der Vegetation jedoch fast Skala überprüfen. Dies wurde durch die Hadley-Ar- 210 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

∆ beitsgruppe gezeigt (COX et al. 2000). Eine ähnliche me C der CO2-Konzentration als Folge einer Emis- Überprüfung lässt sich für die Temperaturerniedrigung sion lässt sich schreiben als nach dem Ausbruch des Pinatubo 1991 und der beobachteten damit einhergehenden reduzierten atmo- ∆C = gQ (1) sphärischen CO2-Anstiegsrate durchführen. Beide Tests bestätigen das Hadley-Modell, sind allerdings Die sogenannte „Airborne Fraction“ charakterisiert nicht hinreichend. Zum einen basiert die Analyse dabei die Sensitivität des Kohlenstoffkreislaufs auf ei- interannuärer Variationen auf relativ kurzer Zeitskala. ne Störung. Sie spiegelt die Gesamtheit der verschie- Zudem wird angenommen, dass die beobachtete inter- denen Umwälzraten und internen Transformationen in annuäre Variabilität nur durch die Respiration erzeugt den verschiedenen Kohlenstoffspeichern der Erde wi- wird. Dies ist nicht unbestritten: Die beobachtete, er- der. g ist nicht eine Konstante, sondern verändert sich staunlich gute zeitliche und räumliche Korrelation der mit der Zeit auf Grund der Vorgeschichte und der ver- interannualen Variationen mit dem Auftreten von Ve- schiedenen Nichtlinearitäten dieser Prozesse. Betrach- getationsfeuern weist darauf hin, dass vielleicht bis zu tet man allerdings nur kleine Störungen, so lässt sich 50 % der interannuären Schwankungen des atmosphä- die Dynamik des Kohlenstoffkreislaufs linearisieren. rischen CO2 durch Emissionen aus Vegetationsfeuern In diesem Falle lässt sich einfach zeigen, dass bei einer verursacht werden (RÖDENBECK et al. 2003). Ange- annähernd exponentiellen Zunahme der Emissionen fochten wird schließlich auch die simple Beschreibung die Airborne Fraction ungefähr konstant bleibt des Bodenkohlenstoffs im Hadley-Modell durch nur (OESCHGER et. al. 1976), was in der Tat durch die di- einen Speicher. Empirische Studien zeigen, dass sich rekten Beobachtungen der letzten 45 Jahre erstaunlich die beobachtete Dynamik nur durch mehrere Kohlen- gut bestätigt wird. stofffraktionen mit unterschiedlichen Umwälzraten adäquat beschreiben lässt (z. B. BURKE et al. 1989). Die Klimasensitivität bezeichne die global gemittelte

Temperaturzunahme auf eine Zunahme des CO2-Ge- halts der Atmosphäre: 5 Quantitative Analyse der Rückkopplungen ∆T = s∆C (2) Die Ergebnisse aus den ersten Simulationen mit gekoppelten Kohlenstoffkreislauf - Klimamodellen las- Auch dieser einfache Ansatz vernachlässigt Nichtline- sen sich auf globaler Skala mit Hilfe einer Rückkopp- aritäten und Vorgeschichte im globalen Klimasystem. lungsanalyse quantifizieren (FRIEDLINGSTEIN et Im ungekoppelten Falle beträgt damit die Temperatur- al. 2003). Abb. 30-7 zeigt das vereinfachte Schema der erhöhung durch die CO2-Emission zu betrachtenden Rückkopplungsschleifen. Ziel der ∆ ∆ Analyse ist es, Vorzeichen und Größe der einzelnen Tuc = s Cuc= sgQ (3) Sensitivitäten zu bestimmen und daraus die Antwort des gesamten Systems auf eine Emission abzuschätzen. Betrachten wir nun die Rückkopplung der Klimaände- Eine Rückkopplungsschleife stellt dabei eine negative rungen auf den Kohlenstoffkreislauf, so lässt sich diese

(positive) Rückkopplung bei einer ungeraden (gera- durch die klimainduzierten CO2-Emissionen aus Land den) Anzahl negativer Vorzeichen der einzelnen Wir- und Ozean charakterisieren: kungen. λ∆ Qc lim = T (4) Quantitativ lässt sich der Effekt der Rückkopplung vereinfacht wie folgt abschätzen. Die globale Zunah- Im gekoppelten Falle addieren sich diese klimainduzierten Emissionen zur primären Störung; damit ergibt sich für die Reaktion des Systems:

∆ λ∆ Tc = sg(Qc lim + Q) = sg( Tc + Q) (5)

∆ Diese Gleichung lässt sich nach Tc auflösen: sg ∆T = Q (6) c (1 − sgλ) oder unter Einsetzen der oben beschriebenen ungekoppelten Temperaturreaktion: 1 1 ∆T = ∆T = ∆T = f ∆T (7) c 1− λ gs uc 1− g * uc uc

Abb. 30-7: Vereinfachtes Schema der verschiedenen globalen Rückkopplungsschleifen im gekoppelten Kohlen- Hier bezeichnet g* den Verstärkungsfaktor und f den stoffkreislauf - Klimasystem. Rückkopplungsfaktor. Beide lassen sich aus den oben promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 M. Heimann: Erste Kopplung von Modellen des Klimas und des Kohlenstoffkreislaufs 211 vorgestellten Simulationsergebnissen quantitativ er- Phosphor) (Siehe Beitrag von J. LELIEVELD im mitteln (FRIEDLINGSTEIN et al. 2002): 1. Teilheft). Offensichtlich verlangt eine konsistente Berücksichtigung dieser und weiterer Effekte eine Modell gf weiterführende Modellentwicklung hin zu umfassen- Hadley 0,41 1,7 den Erdsystemmodellen, wie sie etwa im Projekt COS- IPSL 0,17 1,2 MOS unter der Führung des Hamburger Max-Planck- Institutes für Meteorologie geplant sind. Die einfache Analyse zeigt, dass g* das Produkt der drei Sensitivitäten darstellt: Airborne Fraction, Klima- Den hier vorgestellten Simulationen des globalen sensitivität und Sensitivität des Kohlenstoffkreislaufs Wandels mit gekoppelten CCCM fehlt noch ein weite- auf Klimaänderungen. In beiden Simulationen ist g* rer, unter Umständen entscheidender Faktor: der Ein- positiv, d. h. es handelt sich um eine verstärkende fluss des Menschen auf die Landoberflächen und Ve- Rückkopplung: das Hadley-Modell weist daher im ge- getation durch Änderungen der Landnutzung und Ma- koppelten Falle eine um 70 % stärkere Reaktion auf nagement. Aus systemanalytischer Sicht lassen sich als im ungekoppelten Falle; beim IPSL-Modell ergibt diese Effekte zunächst als externe, durch die sozioöko- sich ebenfalls eine Verstärkung aber nur um +20 %. nomische Entwicklung gesteuerte Einflussfaktoren Solange g* positiv und kleiner als 1 ist, bleibt die darstellen. Eine genauere Betrachtung zeigt jedoch, Rückkopplung positiv und stabil. In einem Klimamo- dass die sozioökonomische Entwicklung ihrerseits dell mit stärkerer Sensitivität als im Hadley-Modell durch die Klimaentwicklung mitbestimmt wird. Offen- könnte g* jedoch in die Nähe von 1 rücken und damit sichtlich besteht hier ebenfalls ein Potenzial für Rück- das gekoppelte System instabil werden. Ein echter kopplungen, welche allerdings wohl erst mit der über- „Runaway“-Effekt ist jedoch nicht zu befürchten, da nächsten Generation von Erdsystemmodellen unter- dann andere Nichtlinearitäten (z. B. der endliche in sucht werden können (s. auch den Beitrag von K. G. den terrestrischen und ozeanischen Speicher zur Ver- HOOSS in diesem Heft). fügung stehenden Kohlenstoff) den Anstieg des CO2 längerfristig bremsen würden. Kritisch zu hinterfragen ist weiterhin die Frage der Evaluation von CCCM. Da viele biologische Prozesse in den Modellen durch empirische Parameterisierun- 6 Ausblick gen dargestellt sind, ist eine konsistente Evaluation der CCCM unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Be- Die vorliegenden Simulationsergebnisse mit gekoppel- dingungen notwendig. Eine Nachbildung der Entwick- ten Modellen des Kohlenstoffkreislaufs und des Kli- lung des Erdsystems der letzten 200 Jahre allein genügt mas zeigen, dass die Rückkopplungseffekte zwischen nicht, da diese bei weitem nicht das Spektrum von den beiden Subsystemen nicht vernachlässigt werden denkbaren Zuständen des gekoppelten Systems ab- können. Quantitativ sind allerdings die Ergebnisse deckt. Eine Möglichkeit besteht in der Simulation von noch nicht belastbar. Beide Modelle enthalten relativ Zuständen in fernerer Vergangenheit, z. B. der Über- einfache Beschreibungen der Kohlenstoffkomponen- gänge zwischen Kalt- und Warmphasen der Eiszeiten, ten, welche bei weitem noch nicht den Stand des heu- oder den schnellen Schwankungen der Systems, wie sie tigen Prozesswissens widerspiegeln. Zudem fehlen in sich aus Eiskernen rekonstruieren lassen. Eine andere, den Modellen wichtige Prozesse (z. B. Vegetationsfeu- ebenfalls wichtige Methode umfasst die Modellierung er) und Kohlenstoffspeicher (z. B. Permafrost), welche und den Vergleich mit Beobachtungen von Spuren- die Reaktion des Systems entscheidend verändern stoffen, welche das gekoppelte System widerspiegeln. könnten. Hierzu gehören unter anderem die verschiedenen Iso- tope des Kohlenstoffs (13C, 14C) und des Sauerstoffs Neben der hier diskutierten direkten Kopplung von (17O, 18O), welche ein potenziell sehr wichtiges Dia- Kohlenstoffkreislauf und Klimasystem sind noch eine gnosewerkzeug zur Evaluation der Dynamik des ge- Reihe weiterer potenziell wichtiger biogeochemischer koppelten Systems darstellen können (HOFFMANN Wechselwirkungen zu untersuchen, wie z. B. der Kreis- et al. 2004). lauf des Methan (CH4). Änderungen von Temperatur und Hydrologie in Feuchtgebieten können die Bilanz Literatur zwischen CH4- und CO2-Aufnahme und -Abgabe signifikant verschieben. Dies ist insbesondere in Regio- ARCHER, D. E., J. L. MORFORD, S. R. EMERSON, 2002: A nen mit Permafrost von großer Bedeutung. Wie sich model of suboxic sedimentary diagenesis suitable for automa- diese Wechselwirkung auf die globale Bilanz beider tic tuning and gridded global domains. Global Biogeochemical Cycles 16, doi:10.1029/2000GB001288. 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K. G. HOOSS 31 Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft

1 Lage Die Reihe der Umweltkrisen geht vom „Silent spring“ über den Sauren Regen zu den Ozonlöchern, deren es 1.1 Weltwandel jetzt zwei gibt. Diese Krisen sind dem Vernehmen nach bewältigt, jeweils durch Einschränkung der Produk- In den Umwelt- und Gesellschaftswissenschaften sind tion bestimmter Substanzen. Der Wandel insgesamt während der vergangenen Jahrzehnte zahlreiche reali- geht weiter und betrifft alle Aspekte des Lebens: Die tätsnahe Computersimulationsmodelle entstanden, die enorme, weiterhin exponentielle Zunahme der Mas- das Verhalten physikalischer, chemischer, biologischer, senströme im Güterverkehr (z. B.VON ROHR (2003)) ökologischer, soziologischer, ökonomischer, militäri- sowie die entsprechende morphologische und ökologi- scher und sonstiger Systeme von der Mikro- bis zur sche Umwidmung entsprechend ausgedehnter Flä- globalen Skala beschreiben. Vorhersagen solcher Mo- chen, die Zunahme von Bevölkerung und Lebensstan- delle zum Verhalten der jeweiligen Systeme, insbeson- dard in den meisten Ländern, das Wachstum von Me- dere ihrer Reaktionen auf ausgewählte Störungen, die- gastädten extremer Dichte, die Verfügbarkeit eines nie nen zunehmend auch der Politikberatung. da gewesenen Reichtums an materiellen Gütern und an Information, die Veränderung der Psyche, der Rea- Die massenmediale Verbreitung wissenschaftlicher litätswahrnehmung und des Sozialverhaltens durch die Modellvorstellungen und -vorhersagen hat unter ande- mediale Zivilisation, usw. (s. z. B. SCHELLNHUBER rem einen intensiven öffentlichen und politischen Dis- et al. (1997, 2001)). kurs globaler Umweltveränderungen hervorgebracht. Begriffe wie Treibhauseffekt,Überfischung und Arten- Globale Umweltveränderungen haben nicht nur mete- sterben wurden einer breiten Öffentlichkeit bewusst. orologische und ökologische, sondern auch erhebliche Weltweite Organisationen bildeten sich sowohl regie- soziale, wirtschaftliche und politische Auswirkungen. rungsunabhängig (Greenpeace, Friends of the Earth Ihre Beschreibung für die öffentliche Diskussion er- und andere) als auch in der überstaatlich geförderten fordert eine Zusammenführung voneinander abhängi- Wissenschaft (WMO, ICES-ACME, IPCC). Vereinba- ger Daten und Modelle aus sehr verschiedenen Diszi- rungen zum Umweltschutz werden auf der obersten plinen. Für die Vorhersage von Entwicklungen in der politischen Ebene ausgehandelt (UNEP, Montreal, physischen und ökologischen Umwelt sind Kenntnisse UNFCCC, Kyoto). Historisch neuartig an dieser En- über die Entwicklungen in Wirtschaft und Politik not- wicklung sind Ausmaß, Beschleunigung und Globalität wendig, und umgekehrt. der Umweltveränderungen und ihrer öffentlich-politischen Wahrnehmung. Ein Kernbeispiel dieser transdisziplinären Verflech- tung ist das Wechselspiel zwischen Weltwirtschaft und Grob zusammengefasst ergibt sich folgendes Gesamt- Klimaänderungen. Die Tatsache, dass die Klimadiskus- bild: Eine wachsende Zahl von Einwirkungen des sion in Wirtschaft und Politik ein eigenes Wörterbuch Menschen erreichen auf planetarer Skala die Größen- hervorgebracht hat (MICHAELOWA und KOCH ordnungen der natürlichen materiellen Kreisläufe. 2001), veranschaulicht sowohl ihren Umfang als auch Nicht nur die Konzentrationen von Treibhausgasen, die neobabylonische Krise der akademisch-politischen sondern praktisch der gesamte atmosphärische Spu- Verständigung. renstoffaustausch, die Landoberfläche, der Wasser- kreislauf und das Leben an Land und im Meer werden Das erklärte Ziel der internationalen Klimaschutzver- durch menschliche1 Aktivitäten verändert. Die Grö- handlungen ist die Verhinderung gefährlicher mensch- ßenordnung dieser Veränderungen ist anschaulich licher Einwirkungen auf die Natur, bei gleichzeitiger illustriert in der kurzen, aber breitgefächerten Bei- Erhaltung und Weiterentwicklung der zivilisatorischen spielsammlung durch SCHELLNHUBER und Strukturen (sinngemäß nach UNFCCC). Bei der prak- KROPP (1998), sowie in THE AMSTERDAM DE- tischen Umsetzung dieser doppelten Zielsetzung gilt es CLARATION ON GLOBAL CHANGE (2001). abzuwägen zwischen den Kosten des planetaren Kli-

1 Quantitativ sind diese Veränderungen weniger auf menschliche geheuer gefräßiger planetarer Superorganismus. Der biologisch- als auf maschinelle Aktivitäten zurückzuführen. Bei höchstag- materielle Stoffwechsel der rund sechs Milliarden menschlicher gregierter Betrachtung erscheint der gesamte Zivilisationsappa- Körper hat am Stoffwechsel dieses Gesamtapparates einen An- rat einschließlich Mensch als eine Art selbsterzeugende globale teil von wenigen Prozenten; den weitaus größten Teil seines Supermaschine, die die Evolutionsgeschichte um eine weitere Hungers stillt das neue große Tier an fossilem Kohlenstoff. Komplexitätsebene bereichert: als ein neu heranwachsender, un- 214 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 maschutzes und den Folgekosten seiner Unterlassung. teme sich äußerlich nur wenig ändern und einander na- Der Ausdruck „Kosten“ muss in diesem Zusammen- hezu konstante Randbedingungen liefern. Die allge- hang in seiner allgemeinsten Bedeutung verstanden meine Nützlichkeit dieser nullten Näherung rechtfer- werden, als erkennbare und noch-nicht-erkennbare tigt die traditionelle Trennung wissenschaftlicher Dis- Verluste. Die Abschätzung der Kosten von Klima- ziplinen, und diese wiederum ermöglicht den hohen schutzmaßnahmen ist außerordentlich schwierig und Verfeinerungsgrad, den die Modelle der Einzeldiszipli- zur Zeit Gegenstand vieler wirtschaftswissenschaft- nen inzwischen erreicht haben, jeweils unter Konstant- licher Studien. Die Abschätzung der Verluste durch haltung (bzw. Nichtformulierung) der vom Gesamtsys- Klimaänderung hingegen sprengt nicht nur den Zeit- tem vorgegebenen Randbedingungen. Wenn sich aber horizont üblicher Wirtschaftsmodelle, sondern auch einzelne Teilsysteme eines komplexen multidisziplinä- den Kalibrierungsbereich aller Klimamodelle, sowie in ren Systems quantitativ signifikant oder gar qualitativ der Summe überhaupt unser Vorstellungsvermögen. ändern, so wird die Annahme der konstanten unbe- Dies wird illustriert durch die enormen Schwierigkei- kannten Randbedingungen für alle Teilsysteme ungül- ten beim Versuch der wirtschaftlichen Bewertung der tig, und dann kann die Trennung der wissenschaftlichen weltweiten Ökosysteme. (siehe z. B. COSTANZA et al. Disziplinen mit ihren separaten Modellentwicklungen (1997): „The economies of the Earth would grind to a zu divergierenden Vorhersagen führen. halt without the services of ecological life-support systems, so in one sense their total value to the economy is Für eine effektive Beratung der entstehenden globalen infinite“). Bisherige Schätzungen globaler Klimascha- Umweltpolitik erfordert der zunehmende globale denskosten sind in der Regel Summen marginaler Wandel die Zusammenführung von Modellen der Na- Schäden, d. h. im Verhältnis zum Ganzen jeweils klei- tur und der Wirtschaft mitsamt ihren sozialen Struktu- ner Verluste, unter Vernachlässigung bzw. in Unkennt- ren (Abb. 31-1). Das grundlegende Studium des Wech- nis synergetischer Effekte. Es ist daher kein Wunder, selspiels der Teilsysteme bildet den relativ neuen inter- dass existierende Abschätzungen der zu erwartenden disziplinären Forschungsbereich der Gesamtbewer- Gesamtkosten mit gekoppelten Klima- und Wirt- tung des Globalen Wandels (Integrated Assessment of schaftsmodellen sich um Größenordnungen unter- Global Change; HARVEY (1989); NORDHAUS scheiden, und zwar selbst dann, wenn ausschließlich (1991); DOWLATABADI und MORGAN (1993); Modellstudien aus dem Energiesektor verglichen wer- WEYANT (2000) und viele andere). den (WEYANT 2000).

Optimisten vertrauen auf die universelle Anpassungs- fähigkeit des Menschen und halten insbesondere das moderne globale Wirtschaftssystem im Ganzen für sehr stabil. Eines der häufigsten Argumente hierfür ist die Persistenz: Immerhin ist die Weltwirtschaft seit über 200 Jahren annähernd exponentiell gewachsen. Der technische Fortschritt ermöglicht das Wachstum nicht nur, sondern er macht es auch nötig für die wirtschaftliche und gesellschaftliche Stabilität. Ein weiteres wichtiges Argument für Optimismus ist die historische Erfahrung, dass die Menschheit unzählige uner- wartete (nicht immer nachteilige) Wendungen im Klei- nen und im Großen verkraftet hat.

Weniger unbesorgte Naturen hingegen verweisen auf Abb. 31-1: Allgemeine Struktur eines globalen Umwelt- und das Ausmaß der zu erwartenden Änderungen in den Gesellschaftsmodells wie SIAM oder ICLIPS; ver- planetaren Lebensbedingungen, das alle historischen gleiche Text. Erfahrungen der Menschheit übertrifft, und rufen zur verantwortlichen Vorsorge auf. Auf beiden Seiten exis- Interdisziplinäre Multimodelle sind aus gekoppelten tiert die Meinung, dass weiteres wirtschaftliches disziplinären Einzelmodellen zusammengesetzt. Eine Wachstum nicht notwendig auch unbegrenztes mate- grundsätzliche Forderung an das jeweilige Gesamtmo- rielles Wachstum bedeuten müsse. dell ist die größtmögliche Vollständigkeit: Wenigstens die wichtigsten Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Teilsystemen müssen abgebildet sein. Grund- 1.2 Ansatz sätzliche Anforderungen an die Teilmodelle sind Wirk- lichkeitstreue, Stimmigkeit, Schnelligkeit, Handhab- Gegenseitige Abhängigkeiten einzeln modellierter barkeit und Verständlichkeit. Teilsysteme eines komplexen Systems (etwa der Wirt- schaft vom Klima und umgekehrt) können in guter Wirklichkeitstreue (d. h. äußere Nachprüfbarkeit) und Näherung vernachlässigt werden, solange alle Teilsys- Stimmigkeit (d. h. innere logische Konsistenz) sind in promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft 215 der naturwissenschaftlichen Modellierung die wichtig- schaft einschließlich Land- und Forstwirtschaft, koor- sten Kriterien der Modellbeurteilung. Besondere diniert von Ferenc Tóth am Potsdam-Institut für Kli- Schnelligkeit ist notwendig, wenn die Teilmodelle in mafolgenforschung (PIK). Der Hauptteil der Klima- Kombination mit anderen Teilmodellen für viele Ein- komponente des ICLIPS-Modells stammt aus der zelsimulationen verwendet werden sollen. Für die GES-Gruppe am Max-Planck-Institut für Meteorolo- interdisziplinäre Forschung treten zwei zusätzliche gie (Abschnitt 2.4; siehe auch BRUCKNER et al. Forderungen in den Vordergrund: Handhabbarkeit (2003)). durch Angehörige anderer Disziplinen (die aus der Sicht der jeweiligen Modellentwickler in der Regel Das Kernstück des ICLIPS- Modells ist eine Serie dis- Laien sind), sowie möglichst allgemein verständliche, ziplinärer Module. Im sequenziellen Betrieb erzeugt übersichtliche Dokumentation (a) des theoretischen es, ausgehend von ökonomischen Vorgaben und politi- Verfahrens mit seinen Stärken und Schwächen, (b) der schen Steuerungsinstrumenten, zunächst Emissionsra- technischen Anbindung, und (c) der numerischen Er- ten zivilisationsbedingter Spurengase, und nachfol- gebnisse und ihrer Unsicherheiten. gend deren atmosphärische Konzentrationen, weiterhin Klimaänderungen, sowie physische und letztlich Modelle können allgemein auf dreierlei Weise gekop- wiederum ökonomische Klimafolgeschäden. pelt sein: parallel (d. h. voneinander datenunabhängig; nicht notwendig im programmiertechnischen Sinne ge- Im inversen Betrieb („Tolerable Windows Approach“, koppelt), seriell (nacheinander mit Datenabhängigkeit TWA) des Gesamtmodells werden Parameterbereiche in einer Richtung), oder dynamisch (gleichzeitig mit maximal erträglicher zukünftiger Klimaschäden vorge- gegenseitigen Einflüssen einschließlich Rückkopplun- schrieben und dann, der Kausalkette entgegen, die die- gen im Gesamtsystem). Sie können ferner auf dreierlei sen „Fenstern“ entsprechenden Parameterbereiche Weise betrieben werden: sequentiell bzw. kausal (Ursa- der optimalen wirtschaftspolitischen Strategien er- chen und Wirkungen entlang der Zeitachse nachvoll- rechnet (Abb. 31-2). ziehend), invers (für einen gegebenen Endzustand die Anfangsbedingungen aufsuchend, der Kausalität entgegen) sowie optimierend (d. h. das Maximum einer 2 Modelle einwertigen Gewinnfunktion bzw. das Minimum einer Kostenfunktion aufsuchend). Kombinationen der drei 2.1 Grundsätze Betriebsweisen sind möglich. Das zentrale Thema der Forschungsgruppe „Globale Ein Beispiel eines aufwändigen, multidisziplinären se- Umwelt und Gesellschaft“ (Global Environment and riellen inversen und intertemporal optimierenden Erd- Society, GES) am Max-Planck-Institut für Meteorolo- systemmodells ist das Modell für integrierte Klima- gie ist die menschengemachte Treibhausanregung. Ne- schutzstrategien (Integrated Climate Protection Stra- ben Ozonloch und Artensterben ist diese eines der tegies, ICLIPS, TÓTH et al. (2000)). Das Modell wur- gröbsten physischen Symptome des Globalen Wandels. de entwickelt von internationalen Expertengruppen Glücklicherweise kann sie, wegen der weitgehenden der Systemanalyse, der Klimatologie und der Wirt- Homogenisierung der Treibhausgaskonzentrationen in

ICLIPS: Strategie der Rückwärtsmodellierung

Wirtschaftliche Geobiophysische Klimatologische Atmosphärische Emissionen Quoten Instrumente Wirtschaftlicher Auswirkungen Auswirkungen Auswirkungen Zusammen- Nutzen setzung

Einigungs- zone

Anpassungs- strategien Tolerable verhandelbare Mögliche Bequemer Klimafolgen Anteile Maßnahmen Bereich

Abb. 31-2: Zielorientierte Strategie: das ICLIPS-Modell mit dem inversen Verfahren der Tolerierbaren Fenster (tolerable windows).Als tolerierbar erklärte Parameterbereiche von Klimafolgeschäden werden zurück übersetzt durch die entsprechenden Fenster in den Klima- und Wirtschafts-Parameterräumen bis in den Nutzen- und Entscheidungsraum (aus: BRUCKNER et al. 2003). 216 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 der Atmosphäre, mathematisch als niedrigdimensiona- Die schrittweise Verfeinerung seiner Bestandteile und les Anfachungsproblem dargestellt werden. Durch die- ihrer Kopplungsmechanismen ist Gegenstand mehre- se Dimensionsreduktion ist es möglich, mit einem ver- rer Doktorarbeiten (OCAÑA 2000; HOOSS 2001; gleichsweise einfachen Modell allgemeingültige Bezie- BARTH 2003, WEBER 2004). Im Folgenden werden hungen zwischen der Treibhausanfachung und der die wichtigsten Charakteristika dieser Modelle kurz Antwort des Klimasystems abzuleiten. Diese können beschrieben; Abb. 31-3 gibt dazu eine Übersicht der dann an entsprechende Modelle des sozioökonomi- am MPI entwickelten Modellhierarchie. schen Systems angekoppelt werden.

Aus praktischen Gründen werden die Ein- und Aus- 2.2 Urmodell gangsgrößen solcher Modellsimulationen ebenfalls auf wenige Variable beschränkt. Falls das gekoppelte Kli- Modelle ma-Sozioökonomie-Modell auch intern nur mit weni- HiSTiLoS (Highly Simplified Time-dependent Low-di- gen Variablen rechnet, bezeichnen wir dieses reduzier- mensional System; HASSELMANN (1990), TAHVO- te Modell als ein Kernmodell. So lange die Ergebnisse NEN et al. (1994)). solcher Kernmodelle bei späteren Verfeinerungen der SIAM-S (Structural Integrated Assessment Model, Modelle unverändert (oder zumindest gute Näherun- stochastic climate): dasselbe, erweitert mit stochasti- gen der komplexeren Modellvarianten) bleiben, spre- scher Klimavariabilität (OCAÑA 2000). chen wir von Kernaussagen der Modelle. In diesem Falle können die Kernmodelle auch als Aggregatmo- Zweck und Module delle, d. h. Kompaktformen, der verfeinerten Modelle Grundlegende Beziehungen zwischen Klimaänderung dienen. und Wirtschaftsfolgen; grundlegende Strategien der Entscheidungsfindung in Unsicherheit der künftigen Die Anzahl der Ein- und Ausgangsvariablen wird aus klimatischen Entwicklung. Jedes Modul stellt die zwei Gründen klein gehalten: kleinst- und allgemeinstmögliche Form des jeweiligen • Erstens möchten Entscheidungsträger in Politik und Teilmodells dar (Abb. 31-3). Wirtschaft die Vor- und Nachteile von Klima- schutzmaßnahmen (bzw. ihrer Unterlassung) quan- Klima: LDCM(Linear Differential Climate Module). titativ erfassen, möglichst in monetären Einheiten. Skalare linearisierte Klimaantwort auf kleine externe

Dazu müssen Informationen über Auswirkungen Störungen. Nur CO2-Emissionen werden betrachtet. von Klimaänderungen und Klimasteuerungsmaß- nahmen in kompakter, übersichtlicher Form, d. h. in LDCM-S. Ein stochastischer Term in den dynamischen wenigen Kenngrößen zusammengefasst, vorliegen. Gleichungen stellt die Unsicherheit der Klimaentwick- • Zweitens sind die rechentechnischen Ansprüche lung dar. komplexer Klimamodelle um Größenordnungen zu aufwändig, um eine Vielzahl von Szenarien-Simulationen mit gekoppelten Klima-So- zioökonomie-Modellen durch- zuführen, wie sie für die Ge- samtbewertung (Integrated Assessment) erforderlich sind. Der Hauptzweck der Modelle kann daher auch nicht in quantitativ realistischen Vorhersa- gen der globalen Entwicklung liegen. Sie dienen vielmehr der Illustration der verschiedenen Rollen der gesellschaftlichen Interessengruppen in der Evo- lution des globalen Klima-So- zioökonomischen Systems.

Die Entwicklung des Treibhaus- gaskosten-Kernmodells der GES- Gruppe am Max-Planck-Institut für Meteorologie ist beschrieben durch HASSELMANN (1990), TAHVONEN et al. (1994) und Abb. 31-3: Modellentwicklung der Arbeitsgruppe Globale Umwelt und Gesellschaft HASSELMANN et al. (1997). (Global Environment and Society, GES). promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft 217

Wirtschaft: COSTS.Vermeidungs- und Schadenskosten Grundvoraussetzung jeder zielorientierten Strategie- der Klimaänderung. bestimmung. Ihre unvermeidlichen Unsicherheiten müssen erkannt und deutlich formuliert werden. Politik: OPT. Numerische Gesamtkostenminimierung durch Variation der Emissionen. Zwei Verfahren: ziel- (c) Unsicherheit: Die natürliche Veränderlichkeit des orientiert und kostenorientiert. Klimas lässt die planetare Antwort auf unsere globale Einwirkung bislang nur im Gröbsten erkennbar wer-

Wichtigste Modellgrößen: Globale Netto-CO2-Emis- den. Erst in den neunziger Jahren konnte mit einem sionen, global gemittelte atmosphärische CO2-Konzen- aufwändigen statistischen Verfahren das vorhergesagte tration, global und jährlich gemittelte oberflächennahe Treibhaussignal im Rauschen der Messdaten des glo- Lufttemperatur, Vermeidungs- und Schadenskosten. balen Wetterbeobachtungsnetzes erkannt werden (HASSELMANN 1993; HEGERL et al. 1996, 1997). Verfahren Die Zuverlässigkeit der Treibhausvorhersage ist des- Das Abwägen zwischen den Vor- und Nachteilen des halb (zumindest in der Öffentlichkeit) nach wie vor Klimaschutzes wird für die nächsten 100 Jahre als ma- umstritten. Entsprechend groß ist erst recht die Unsi- thematisches Optimierungsproblem formuliert. Für cherheit gekoppelter Klima-Wirtschafts-Vorhersagen. die wirtschaftliche Bewertung von Emissions-Szena- rien werden zwei einfachstmögliche (aber sinnvolle) Die Darstellung des Klimamoduls ist so unsicher wie Ausdrücke gegeneinander abgewogen: Für die Vermei- alle modernen Simulationen der Klimaänderung: Typi- dungskosten eine quadratische Funktion der Emis- sche Unterschiede zwischen komplexen Modellen la- sionseinsparung relativ zu einem „Weiter so“-Szena- gen zur Zeit der TAHVONEN-Studie (1994) etwa in rio, und für die Schadenskosten eine lineare Funktion der Größenordnung der Änderungsvorhersage von et- der Erwärmungsgeschwindigkeit. Die Modellparame- wa 1 - 5 K (HOUGHTON et al. 1996). Dazu kommen ter sind zum Nachvollzug historischer Klimadaten und mögliche globalskalige Instabilitäten des Klimasys- zur Wiedergabe existierender Vermeidungskosten- tems, wie sie aus Rekonstruktionen prähistorischer schätzungen angepasst. Klimaentwicklungen bekannt und auch für die Zu- kunft nicht auszuschließen sind. Sie sind mit heutigen Zwei in Wirtschaft und Politik übliche Optimierungs- Modellen zwar im Prinzip simulierbar, aber nicht vor- strategien werden verglichen: Eine zielorientierte Stra- hersagbar. tegie minimiert die Vermeidungskosten unter Vorgabe fester Schadensbegrenzungen. Eine Fortentwicklung Noch größer ist die Unsicherheit bei der Parameteri- dieses Ansatzes ist das oben beschriebene ICLIPS- sierung der Vermeidungs- und Folgekosten einer Kli- Modell. Eine kostenorientierte Strategie dagegen mi- maänderung. Diese Ansätze sind daher nicht als Ver- nimiert (ohne feste Schadensgrenzen) die Gesamtsum- such einer quantitativen Monetarisierung zu verste- me aus Schadens- und Vermeidungskosten. Dieses ist hen, sondern dienen zunächst nur einer grundsätz- die Strategie des SIAM-Modells, dessen Entwicklungs- lichen intertemporalen Abwägung2 der Vermeidungs- schritte in den folgenden Abschnitten zusammenge- und Folgekosten gegeneinander. stellt sind. (d) Strategie: Eine beobachtende und sich dynamisch Kernaussagen anpassende Strategie führt im statistischen Sinne zu (a) Strategien: Die durchgeführte kostenorientierte niedrigeren Gesamtkosten als eine ein-für-alle-Male Optimierung bringt das Klimasystem am Ende des be- entschiedene3. Die Größe und Vielfalt der relevanten trachteten Zeithorizonts von 100 Jahren nicht ins Unsicherheiten macht auch eine grob quantitative For- Gleichgewicht, sondern die Temperaturen steigen da- mulierung sehr spekulativ. nach weiter (sofern nicht eine sehr hohe Schadenssen- sitivität angenommen wird). Dieses tut dagegen die zielorientierte Optimierung; ihr Nachteil liegt aber 2.3 Wohlfahrt darin, dass auch beliebig empfindliche Schadenskosten überhaupt nicht in die Rechnung eingehen, solange Modell das Klimasystem die einmal vorgegebenen Zielwerte Structural Integrated Assessment Model (SIAM), nicht überschreitet. Vorschlag: Beide Strategien müs- Vielspielervariante SIAM-MA (multi-actor; HAS- sten kombiniert werden, damit das Klimasystem ins SELMANN et al. (1997); NORDHAUS (1997); Gleichgewicht gebracht werden kann, während der er- BROWN (1997); HEAL (1997); HASSELMANN fassbare Teil der Schäden mit in die Gesamtkosten ein- (1999)). geht.

(b) Bewertung: Grundlage jeder Schätzung der Minde- 2 Intertemporal: vergleichend zwischen verschiedenen Zeitaltern rungs- und Schadenskosten einer zukünftigen Klima- (einschließlich der kommenden Menschheitsgeschichte). änderung ist letztlich eine Beurteilung der Wertvor- 3 Dies kommt der psychologischen Natur des Menschen entgegen, stellungen zukünftiger Generationen. Dies ist auch der ja doch in jeder Generation wieder alles neu machen will. 218 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Zweck und Module Treibhausgesamtkostenminimierung über mehrere Jahrhunderte (formal über die nächsten 1000 Jahre). Untersuchung der Empfindlichkeit der optimierten Emissionsstrategie auf grundlegende Modellannah- men. Vielspieler-Optimierung.

Klima: SLICCS (Scalar Linear Impulse-response model of the coupled Carbon cycle-Climate System). Das Modul gibt die linearisierte Antwort komplexer, globaler Modelle des Kohlenstoffkreislaufs und des gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Klimasystems auf kleine äußere Einwirkungen wieder. Es wurde an entsprechenden Modellen des Max-Planck-Instituts kalibriert. Als skalarer Klima-Änderungsindex dient die global gemittelte erdnahe Lufttemperatur.

Wirtschaft: COSTS-1. Einfache Kostenausdrücke für die Minderung und die Schäden einer Klimaänderung. Abb. 31-4: SIAM-Modell. Kostenorientierte Strategie: Das Emis- Die Kosten der Minderung der Klimaänderung wer- sionsszenario wird nach einem Gradientenverfahren den proportional zum Quadrat der Reduktion der so lange gezielt verändert, bis die Gesamtkosten mini- mal sind. CO2-Emissionen angesetzt, relativ zu den prognostizierten Emissionen für den Fall eines unregulierten nahmen untersucht. Dazu werden folgende Eingangs- Wachstums („Weiter so“ bzw. „Business As Usual“, parameter variiert (und das Szenario jedes Mal neu BAU). Um die Trägheit der wirtschaftlichen Anpas- optimiert): Empfindlichkeit und Reaktionsträgheit sung zu parameterisieren, wird dieser Kostenterm von Klima und Kohlenstoffkreislauf; anteilige Scha- durch zwei weitere Kostenterme ergänzt, die propor- densgewichte durch Stärke und Geschwindigkeit der tional zu den Quadraten der ersten und zweiten Zeit- Klimaänderung; Reaktionsträgheit des wirtschaftlich- ableitungen der Emissionsreduktion angenommen politischen Systems; Diskontraten für Minderungs- werden. Die Schäden der Klimaänderung werden und Schadenskosten. durch zwei ähnlich einfache Kostenterme erfasst, die proportional zu den Quadraten der Gesamtänderung Kernaussagen und der Änderungsrate der global (und übers Jahr) ge- (a) fossile Ressourcen: Im Gegensatz zu üblichen Kli- mittelten erdnahen Lufttemperatur angesetzt werden. maänderungsszenarien, die auf einen Zeithorizont von 100 Jahren beschränkt sind (siehe z. B. NAKICENO- Politik: OPT-1. Ein globaler Sozialplaner minimiert die VIC und SWART (2000)), wurden die Optimierungs- Gesamtkosten des Klimawandels als Zeitintegral über rechnungen über Zeitskalen von mehreren hundert die Summe der Minderungs- und Schadenskosten4. (formal bis zu tausend) Jahren ausgeführt, die dem Zukünftige Kosten werden durch übliche (für Minde- langen Gedächtnis des Klimasystems angepasst sind. rungs- und Schadenskosten allerdings unterschiedli- Dabei zeigt sich, dass bei einem vollständigen Ver- che) Diskontfaktoren in äquivalente heutige Kosten brauch aller geschätzten fossilen Brennstoffressourcen umgesetzt. Die Optimierung geschieht nach einem die gravierendsten Klimaänderungen sich erst in zwei hochdimensionalen Gradientenverfahren mit Varia- bis drei Jahrhunderten einstellen. Dies kann nur durch tion des gesamten Emissionsszenarios (Abb. 31-4). Das ein vollständiges Herunterfahren der CO2-Emissionen Modell ist eine Weiterentwicklung der kostenorientier- auf einen Bruchteil der heutigen Rate verhindert werten Variante des Tahvonen-Modells (2.2). Es werden den. Die Reduktion kann aber allmählich über einen weiterhin nur CO2-Emissionen berücksichtigt (als ein- Zeitraum von mehreren Jahrzehnten ohne Verwerfun- ziges Treibhausgas). Die deutlich längere Zeitskala gen der Wirtschaft vorgenommen werden. wird betrachtet, weil der Temperaturanstieg in der bisherigen optimierten Lösung nach 100 Jahren nicht en- (b) Bewertung: Unter allen im Modell geprüften det. Grundannahmen nehmen die langfristigen Diskontra- ten5 auf Vermeidungs- und Schadenskosten den mit Die Gestalt des optimierten Emissionsszenarios wird Abstand größten Einfluss auf den kostenoptimierten auf ihre Abhängigkeit von grundlegenden Modellan- 5 Diskontierung ist die systematische Abwertung des wahrschein- 4 Am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) wurden lich Zukünftigen im Vergleich mit dem sicher Heutigen, wirt- mit dem ICLIPS-Modell außerdem Optimierungen unter der schaftsmathematisch formuliert in exponentiell schrumpfenden Randbedingung vorgeschriebener Klima-Änderungsgrenzen Abklingfaktoren mit typischen Abklingkonstanten von einigen durchgeführt (zielorientiertes Verfahren der „Tolerierbaren Fen- Jahren bis Jahrzehnten, wirtschaftstheoretisch begründet mit der ster“: Tolerable Windows Approach, TWA). zukünftigen Wertsteigerung des heute Anlegbaren durch Zinsen. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft 219

Reduktionspfad. Die üblichen kurzfristigen Diskontie- tion) bei der Aufnahme in den Ozean, und mit CO2- rungsansätze wirtschaftlicher Berechnungen, ange- Düngung der Landvegetation. Räumliche Muster und wandt auf die langfristig zu erwartenden Klimaschä- Zeitcharakteristik des Klimasignals werden aus einer den, führen unweigerlich zu einer inakzeptablen glo- transienten Treibhaussimulation mit gekoppelten drei- balen Erwärmung. Reduktionspfade, die zur deut- dimensionalen Ozean-Atmosphäre-Zirkulationsmo- lichen Beschränkung der globalen Erwärmung führen, dellen durch EOF-Analyse herausgefiltert. ergeben sich nur bei stark reduzierter Diskontierung der Klimaschadenskosten relativ zu den Vermeidungs- Gefahren kosten. Die linearisierte Darstellung kleiner Auslenkungen komplexer nichtlinearer Systeme ist nicht zulässig in (c) Spieltheorie: Erste spieltheoretische Varianten der der Nähe von Bifurkationspunkten, also Systemzu- Optimierungs- und Sensitivitätsstudie haben diese ständen, von denen aus die weitere zeitliche Entwick- Kernaussagen im Wesentlichen unverändert gelassen. lung des Systems in mindestens zwei deutlich verschie- Die Optimierung durch zwei voneinander abhängige dene Richtungen möglich ist. Welches im Klimasystem Spieler (wie z. B. einen globalen Brennstoffproduzen- der Erde der nächste Bifurkationspunkt ist und wie ten und einen globalen Brennstoffverbraucher) kann weit davon entfernt wir zur Zeit stehen, ist bislang formal auf ein Einspielerproblem zurückgeführt wer- nicht genau bekannt. Zur Zeit diskutiert werden denk- den. Einfache Varianten mit N gleichartigen Spielern6 bare Instabilitäten in der Nordatlantikzirkulation un- zeigten, dass Reduktionsabkommen auch dann wirt- ter erhöhtem Frischwassereintrag (RAHMSTORF schaftlich für die Unterzeichner sein können, wenn 2000), im westantarktischen Eisschild (VAUGHAN nicht alle Spieler an den Verpflichtungen teilnehmen. und SPOUGE 2002), in der Vegetation (PETERS und LOVEJOY 1992; SCHEFFER et al. 2001) in ihrem subkontinentalskaligen Wechselspiel mit dem Nieder- 2.4 Klimawandel schlag (GANOPOLSKI et al. 1998), sowie in Methan- lagern am Kontinentalschelf und in Permafrostregio- Modell nen (PEARCE 1989; KVENVOLDEN 1993; HAR- SIAM-2: Die skalare lineare Klimakomponente VEY und HUANG 1995; ANISIMOV und NELSON SLICCS in SIAM ist ersetzt durch ein nichtlinear, re- 1997). gional und auf mehrere Ausgangsvariablen erweitertes Impulsantwortmodell (Nonlinear Impulse-response Aussagen representation of the coupled Carbon cycle-Climate (a) Linearisierung: Wir nehmen an, dass das planetare System, NICCS; HOOSS (2001); HOOSS et al. (2001)). Klimasystem eine allmähliche Verdoppelung des at- http://www.icbm.de/~hooss (klick Aggregatmodelle) mosphärischen Kohlendioxidgehaltes, über rund 100 Jahre verteilt, mit einer Erwärmung um zwei bis drei Zweck und Module Celsiusgrade monoton (wenn auch um einige Jahre bis Verfeinerte Kompaktdarstellung des klimatologischen Jahrzehnte verzögert) beantworten wird. Der Anstieg Treibhausmechanismus (nur Signal, ohne Variabilität). des Meeresspiegels reagiert noch langsamer, jahrtau- sendelang. Wir wissen aber, dass das Globalklima in Kohlenstoffkreislauf: CarC (Carbon Cycle). Zeitab- der Vergangenheit plötzliche Umschwünge vollzogen hängige globale Nettoemissionen von Kohlendioxid hat, und dass es folglich für eine stetige und monotone aus menschlicher bzw. maschineller Tätigkeit werden Erwärmung keine Garantie geben kann. umgesetzt in die zeitliche Entwicklung der atmosphä- rischen Konzentration. Die Treibhausantwort komplexer Klimamodelle hat sich in diesen Grenzen als annähernd linearisierbar er-

Klimasystem: CliC (Climate Change). Die CO2-Kon- wiesen; sie wird in unserem monoton-nichtlinear er- zentrationsänderungen werden weiter umgesetzt in weiterten Aggregatmodell für globale Klima-Wirt- raumzeitliche globale Änderungsmuster der Jahres- schafts-Studien in sinnvoller Auswahl nutzbar ge- mittel einiger wirtschaftsrelevanter Klimavariabler: macht. Erdnahe Lufttemperatur, Gesamtbewölkung, Nieder- schlag, Meeresspiegel. (b) Fossile Ressourcen: Vollständige Verbrennung der fossilen Ressourcen (im Modell 15.000 Gigatonnen Verfahren Kohlenstoff; in der Mitte der Abschätzungen nach Lineare Impuls-Antwort-Projektionen komplexer WATSON et al. (1996)) reicht für einen jahrhunderte- Kohlenstoffkreislauf- und Klimamodelle, mit drei langen Anstieg des atmosphärischen Kohlendioxidge- nichtlinearen (aber monotonen) Erweiterungen für hö- haltes bis aufs knapp Zwanzigfache des vorindustriel- here CO2-Konzentrationen: Mit logarithmischem (statt len (Abb. 31-5, Szenario BAU, für „Business-As-Usu- linearem) atmosphärischem Strahlungsantrieb, mit rea- al“, dt. „Weiter so“). Derartig hohe Konzentrationen listischer anorganischer Kohlenstoffchemie (Dissozia- sind in der Erdatmosphäre seit der Zeit der ersten Wir- beltiere nicht mehr aufgetreten (BERNER 1997). 5000 6 N bedeutet Nicht-zu-Viele, im Modell etwa fünf bis zwanzig. ppm sind auch die derzeit zulässige Maximale Arbeits- 220 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 platzkonzentration (MAK) (GEFAHR-STOFF-VER- http://www.mpimet.mpg.de/~weber.michael ORDNUNG (GefStoffV) 1996). Sicherheitsdatenblät- MADIAM-2: Regionalisierte Variante. ter wie z. B. für Trockeneispulver in Hochdruckreini- gungsgebläsen geben Aufschluß über physiologische Klimaspiel: Computerspiel für einen oder zwei Spieler. Wirkungen bei Überschreitung: Schon niedrige Kon- Ausstellungsstück beim Deutschen Museum in Mün- zentrationen von gasförmigem Kohlendioxid verursachen. http://european-climate-forum.net (,Climate Ga- chen schnell Kreislaufschwäche. Symptome sind Kopf- me’ klicken). schmerz, Übelkeit und Erbrechen, wobei es zur Be- wusstlosigkeit kommen kann (CRYOGEN 2001). Zweck und Module Wirtschaftswachstum als dynamische Entwicklung des Selbst wenn es gelänge, die Emissionen bis zum voll- Kapitals, der Produktivität und des Lohntarifs, sowie ständigen Verbrauch der unteren IPCC-Schätzung der optional des Anteils nicht-fossiler Energieträger. Op- Gesamtressourcen („nur“ 4 000 GtC) konstant zu hal- tional stochastischer technologischer Wandel, Finanz- ten, so steigt im Modell die atmosphärische Konzen- marktmodell und Klimaschäden. tration in 700 Jahren aufs Drei- bis Vierfache (Abb. 31-5, Szenario FRE, für „eingefrorene Emissionen“; Wirtschaft und Politik: MADEM-1 (Multi-Agent Dy- das sind die Werte verbrauchter Schulklassenluft namic Economic Model). Dynamisches Wirtschafts- (UMWELTBUNDESAMT 2000)). Um eine größere wachstumsmodell mit diagnostischer Beschäftigungs- Klimaänderung zu vermeiden, muss der globale Aus- rate; weiterentwickelt aus V. Barths individueller Ver- stoß von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen sion Structural Dynamic Economic Model, SDEM). innerhalb der nächsten 100 Jahre, möglichst noch Kalibrierung an die wirtschaftliche Entwicklung der schneller, auf einen sehr kleinen Bruchteil der heuti- USA seit ca. 1850 (die längste verfügbare Zeitreihe). gen Ausstoßraten fallen (Abb. 31-5, Szenario DRM, für Drastische Minderung). Klima: NICCS (s.o. 2.4).

Verfahren 2.5 Wirtschaftswachstum Eine nichtkooperative Dreispielervariante mit optimierender Investitionspolitik und diagnostischer Ar- Modelle beitslosigkeit, die an die einfacheren SIAM-97-Mehr- MADIAM-1 (Multi-Agent Dynamic Integrated spielervarianten (Abschnitt 2.3) anknüpft. Die Wirt- Assessment Model; BARTH (2003), WEBER et al. schaft wird beschrieben durch vier prognostische (Zu- (2003), WEBER et al. (2004), WEBER (2004)). stands-)Variable: Kapital, Produktivität, Lohntarif und (optional) den Anteil an nichtfossiler Energie. Die dynamische Entwicklung hängt ab von der (Investi- (a) (b) tions-)Politik dreier stellvertretender Spieler: Regie- rung, Unternehmer und Arbeitnehmer. Das Modell läuft optional mit endlichen Brennstoffvorräten und mit Rückkopplungsmöglichkeit durch optionale Kli- maschadenskosten. -Emission in Gt/a 2 -Konzentration in ppm -Konzentration 2

CO Der Staat, ein (für alle stellvertretender) Wirtschafts- Jahr Jahr unternehmer und ein (ebenfalls stellvertretender) Ge- werkschaftssprecher ringen um ihre Vorstellungen von (c) (d) Wohlfahrt: Für die Lohnempfänger sind das maximale Löhne, für den Unternehmer maximale Gewinne aus der Produktion, und für den Staat maximale Wohlfahrt (max. Konsum bzw. max. Produktion) mit gleichzeitig minimalen Kosten und Klimaschäden. Der Einfluss des Staates auf den Verlauf des Spiels besteht in der Meeresspiegelanstieg in m

Temperaturänderung in °CTemperaturänderung CO Erhebung und Verteilung von Steuern. Der Einfluss Jahr Jahr des Unternehmers hingegen besteht in der Aufteilung

Abb. 31-5: Drei CO2-Emissionsszenarien der kommenden 1000 seiner (produktionsabhängigen) Investitionen in phy- Jahre, berechnet mit der für höhere Konzentrationen sisches Kapital und Produktivität des Personals. Der monoton nichtlinear erweiterten Variante des Klima- Einfluss der Lohnempfänger wird als marktbedingte modells, Abschnitt 2.4. Gezeigt sind (a) der Jahresglo- Erosion der Unternehmensprofite dargestellt. balausstoß in Milliarden (Giga-) Tonnen fossilen Koh- lenstoffs (GtC), (b) die atmosphärische Konzentration in Volumenmillionsteln (ppmv), (c) der Globaljahres- Übliche Modelle des Wirtschaftswachstums beruhen mittelanstieg der oberflächennahen Lufttemperatur auf der Annahme, dass die Preise durch das (sich im- und (d) der (sehr vorsichtig geschätzte) Anstieg des mer sofort einstellende) Gleichgewicht zwischen Meeresspiegels. Nachfrage und Angebot bedingt sind. Für die Güter promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft 221 wird dies zwar auch im MADEM angenommen, nicht Emissionsrate im Laufe des Jahrhunderts allmählich aber für die Produktionsfaktoren, insbesondere nicht wieder senken. Technischer Wandel führt dazu, dass für Arbeit und Kapital. Stattdessen hängt die Zahl der diese Vermeidungsstrategie das gesamte Wirtschafts- Beschäftigten in diesem Modell diagnostisch vom Mo- wachstum des kommenden Jahrhunderts (gemessen in dellzustand ab. Produktion, Profit und Lohn) schlimmstenfalls um wenige Prozente verzögert (verglichen mit einem hypo- Varianten thetischen ungebremsten Wachstumsszenario ohne Kli- Das Modell optimiert optional unter der Randbedin- maproblem; vgl. Abb. 31-6). gung endlicher Ressourcen. Zuschaltbare Beschrei- bungen von zwei Gütern (anstelle eines globalen Pro- (b) Investitionen: Den größten Einfluss auf die Koh- duktionsguts), Versicherungen, Sparen, Banken und lendioxid-Emissionen haben durch Kohlenstoff-Steu- Preisen, sowie von stochastischem Technologiewandel, ern angeregte Investitionen in kohlenstoffarme Tech- Klimafolgekosten, Energiekosten und Investitionsal- nologie, und zwar um so mehr, wenn diese Steuern in ternativen in Emissionseffizienz (Emissionen pro ebensolche Investitionen zurückgeführt werden. Der Energieeinheit) und Energieeffizienz (Energie pro Einfluss der Verbraucher ist an sich weniger bedeu- Produktionseinheit). tend als der von Regierung und Unternehmen, zeigt aber wichtige Synergien mit diesen. „Monte-Carlo“-Verfahren: Statistische Verteilungen werden durch Zufallszahlen realisiert. Technologische Entwicklungssprünge erfolgen stochastisch Poisson- 2.6 Vegetation verteilt. Ähnlich wird auch die unsichere Wirkung der Investitionen auf die prognostischen Variablen Kapital, Modell: ECOBICE (Tol, Knorr, Kemfert) http://ecobi- Produktivität und die beiden erwähnten Effizienzen ce.uni-oldenburg.de/ modelliert: Die Effektivität der Investitionen wird mit einem Rauschen versehen, d. h. „zufällig“ verstärkt Zweck: Globaler Wandel der Landvegetation und des oder abgeschwächt. Wasserkreislaufs im Wechselspiel mit Bevölkerung, Wirtschaft und Klima. Regionen: MADIAM-2: Mehrere Wirtschaftsmodule vom MADEM-Typ, durch Handelsbeziehungen und Verfahren: Dynamische Kopplung eines feinauflösen- das gemeinsame Klimamodul (2.4) gekoppelt, stellen den Landvegetationsmodells mit vergleichsweise im Groben die Weltregionen dar (etwa USA, übrige hochaggregierten Modellen der globalen Wirtschafts- Industrieländer und Entwicklungsländer; in Planung; und Bevölkerungsentwicklung einschließlich regiona- im Code bereits vorgesehen). ler Wasser- und Landnutzung, sowie mit dem oben beschriebenen Klima-Aggregatmodell (s. Abschnitt 2.4 Klimaspiel: Eine oder zwei der drei Rollen eines redu- und Abb. 31-3). zierten MADIAM-1 (Verbraucher, Unternehmer, Staat) werden von menschlichen Spie- lern übernommen. Die dritte (und ggf. (a) (b) (c) auch die zweite) Rolle berechnet das Modell selbst. Die Spieler entscheiden je nach Rolle über Konsumverhalten, In- vestitionen in kohlenstoffarme Technik, oder entsprechende Steueranreize. Ein

Sprecher auf dem Schirm geleitet die in K Temperaturänderung Spieler zu den Entscheidungen, die sie zu treffen haben, und präsentiert anschlie- Zeit in Jahren Zeit in Jahren Zeit in Jahren (d) (e) (f) ßend die Ergebnisse ihrer Politik. Eine Grossbildschirm-Spielkonsole gestattet auch Zuschauern die (passive) Teilnah- me. Das Spiel ist im Deutschen Museum in München aufgebaut und mit einem normalisierte Löhne Fragebogen an die Spieler ausgewertet normalisierte Profite in ppmv Konzentration worden (LEWALTER und GREYER normalisierte Produktion Emission in GT C 2003). Einige Sponsoren haben Interesse Zeit in Jahren Zeit in Jahren Zeit in Jahren an der Weiterentwicklung angemeldet, Verhandlungen laufen noch. Abb. 31-6: Einfluss des (durch Kohlenstoffsteuern) induzierten technologischen Wan- dels (induced technological change: ITC) auf (a) globale CO2-Emissionen, (b) CO2-Konzentrationen und (c) mittlere globale Erwärmung, sowie auf Aussagen (d) gesamtwirtschaftliche Produktion, (e) Profite und (f) Löhne im Ver- (a) Vermeidungskosten: Bei optimaler gleich zu einem BAU- (business as usual) und MM-Szenario (moderate Strategie der drei Spieler lässt sich die mitigation). 222 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Entwicklungsstand: Die wesentlichen Teilmodelle sind politik die Weichen gestellt werden: Einer Klimapoli- vorhanden, müssen aber für den Zweck angepasst wer- tik, die uns noch im Laufe dieses Jahrhunderts von fos- den. Ein Koppler ist in Arbeit an der Universität Ol- silen Brennstoffen weitgehend unabhängig machen denburg. Dieses Modell ist formal kein Projekt der wird (HASSELMANN et al. 2003). Hamburger GES-Gruppe mehr, setzt aber ihre Arbei- ten in Richtung der komplexen Erdsystemmodellie- Dies ist nicht nur aus klimatologischer Sicht erforder- rung fort. lich, sondern - angemessene politische Instrumente vorausgesetzt - durch technologischen Wandel auch zu einem wirtschaftlich akzeptablen Preis machbar: Nach 3 Kernaussagen neuen Schätzungen aus dem Europäischen Klimafo- rum würde eine langfristige Entkarbonisierungspolitik Ausgehend von einfachen Kernmodellen der globalen das globale Wirtschaftswachstum des ganzen Jahrhun- klimatologischen und sozioökonomischen Systeme derts schlimmstenfalls um wenige Jahre verzögern, wurden grundlegende Wechselbeziehungen zwischen verglichen mit dem, was möglich wäre, wenn es das Klimaänderungen, -schutzmaßnahmen und sozioöko- Klimaproblem nicht gäbe; siehe AZAR und SCHNEI- nomischen Auswirkungen untersucht. Die Aussagen DER (2002), ebenfalls HASSELMANN et al. (2003). unseres Kernmodells wurden durch schrittweise Ver- feinerungen der einzelnen Module (Klima, Wirtschaft Zweitens unterstreichen unsere Untersuchungen eine und Regierung) geprüft und bestätigt. Die Module alte Erkenntnis: Die größte Unsicherheit unter allen wurden hinsichtlich ihrer Unsicherheiten und verblei- Modellannahmen betrifft die heutige Wertschätzung bender Unwägbarkeiten bewertet und mit detaillier- des Zukünftigen. Dies gilt insbesondere für diejenige ten, ausführlich getesteten Simulationsmodellen der Zukunft, die zwar außerhalb unserer aktuellen Wirt- jeweiligen wissenschaftlichen Einzeldisziplinen ver- schafts- und Lebensplanung liegt, in Jahren aber auch glichen bzw. kalibriert. nicht weiter entfernt ist als Columbus’ Reise in die Neue Welt. Die zwei wichtigsten Kernaussagen gelten dem mög- lichen Ausmaß des Klimawandels und der (im weites- Wirtschaftsmathematisch werden intertemporal (d. h. ten Sinne) ethisch-religiösen Tragweite seiner wirt- über Zeitabstände hinweg) zu vergleichende Werte mit schaftspolitischen Bewertung: exponentiell schrumpfenden Diskontfaktoren gewich- tet. In üblichen Kosten-Nutzen-Analysen (etwa bei der Erstens müssen die Grenzen des Wachstums aus heuti- Frage, ob sich eine bestimmte Investition rentieren ger Sicht neu beurteilt werden. Unser Planet birgt für werde oder nicht) werden konstante Diskontraten, die eine nachhaltige Wirtschaft zwar nicht, wie MEA- durch den marktüblichen Zinssatz bestimmt sind, für DOWS et al. (1972) nach der damaligen Datenlage alle Güter angenommen. Obwohl ähnliche Ansätze noch befürchten mussten und in den Vordergrund auch bei Kosten-Nutzen-Rechnungen in der Klimade- stellten, zu wenig fossile Brennstoffe, sondern zu viel. batte verwendet wurden, ist ihre Gültigkeit im Falle Die Grenzen des Wachstums werden nach heutigen der sehr langen Zeitskalen des Klimaproblems, die die Schätzungen der fossilen Brennstoffressourcen (ein- üblichen Zeitskalen betrieblicher Investitionen um schließlich Kohle, Ölschiefer und Methanhydrate) we- Größenordnungen übersteigen, doch mehr als fraglich. nigstens in dieser Sparte nicht durch Erschöpfung der Ressourcen erreicht, sondern durch die Anreicherung Vermeidungskosten im Treibhausproblem fallen rela- eines unvermeidbaren Abfallproduktes: Des Treib- tiv kurz- und mittelfristig an, die Klimaschäden länger- hausgases Kohlendioxid (wobei bereits MEADOWS fristig. Bis die Klimaschäden in absoluten Zahlen groß et al. (1972) auf diese nun tatsächlich erreichte alter- geworden sind, sind ihre Kosten, in heutige Werte um- native Grenze des Wachstums hingewiesen haben: Die gerechnet, durch Anwendung des wirtschaftsüblichen endliche Belastbarkeit des Planeten bei dennoch aus- Diskontfaktors um Größenordnungen geschrumpft. reichenden Ressourcen). Diskontierte Klimaschadenskosten spielen deshalb im Vergleich mit den Vermeidungskosten praktisch keine Die ersten Anzeichen der globalen Erwärmung sind, Rolle. Die Anwendung der Diskontierungsmethode so der weitgehende Expertenkonsens, heute schon auf das Klimaproblem führt also zwangsläufig in un- nachweisbar (HOUGHTON et al. 1996). Obwohl die haltbare Widersprüche: Die wirtschaftlichste Lösung Berichte des IPCC (und mit ihnen praktisch die ge- des Klimaproblems wäre danach eine „Klimakatastro- samte öffentliche Diskussion) die Drohung der globa- phe“, deren (im Prinzip absehbare) Kosten in unseren len Erwärmung in diesem Jahrhundert in den Vorder- heutigen Entscheidungen kaum zu Buche schlügen. grund stellen, sind nach Modellrechnungen noch schwerere Auswirkungen der Klimaänderungen im Wenn es stimmt, dass die meisten Menschen sich kaum zweiten und späteren Jahrhunderten dieses Millenni- zu einer Haltung „Nach mir die Sintflut“ bekennen ums zu befürchten. Diese Entwicklung erfolgt unauf- würden, dann muss in der Übertragung des üblichen haltsam, wenn nicht (unabhängig von kurzfristigen Re- Diskontierungsverfahrens auf das Klimaproblem of- duktionszielen) einer neuartigen langfristigen Klima- fensichtlich eine Inkonsistenz stecken. Diese liegt im promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft 223

Ansatz, dass der Wert des Klimas für kommende Ge- debatte dient somit auch als Kernbeispiel der allge- nerationen im heutigen Vergleich genau so diskontiert meineren Nachhaltigkeitsdebatte; der Kohlenstoff- wird wie ein verzinsbares Gut. Die intergenerationale kreislauf steht dabei stellvertretend für die planetaren Verzinsbarkeit der Naturschätze aber, einschließlich Stoffkreisläufe. Der gesamte Energie- und Material- Arbeitsmodus des planetaren Klimasystems, konnte umsatz einer idealen nachhaltigen Wirtschaft ist in die im Rahmen unserer Arbeit nicht abschließend disku- materiell-biologischen Kreisläufe des planetaren Ge- tiert werden. Die zu Grunde liegende Frage nach dem samtmetabolismus eingebettet; er muss im Verhältnis Wert unseres Erbes bleibt damit offen. zu diesem Gesamtmetabolismus gemessen werden, um die Ver- und Entsorgungskapazitäten des Lebens auf der Erde nicht zu überschreiten. 4 Schluss

Die Gesamtbewertung des globalen (Klima-)wandels Literatur erforderte die interdisziplinäre Kopplung vergleichsweise niedrigdimensionaler Kompaktmodelle zum ANISIMOV, O., F. NELSON, 1997: Permafrost zonation and climate change in the northern hemisphere: Results from tran- grundlegenden Studium elementarer Beziehungen sient general circulation models. Climatic Change 35 (2), 241- zwischen Treibhauseffekt und Wirtschaftswachstum. 258. Einfachstmögliche Modellansätze klärten die groben AZAR, C., S. SCHNEIDER, 2002: Are the economic costs of Strukturen des Problems und führten zu ebenso einfa- stabilizing the atmosphere prohibitive? Ecological Economics chen Kernaussagen über die Grenzen des Wachstums, 42, 73-80. die heutige Bewertung historischer Zukunft und die BARTH, V., 2003: Integrated Assessment of Climate Change Machbarkeit langfristigen Klimaschutzes. Diese Kern- using Structural Dynamic Models. Examensarbeit 91, Max- aussagen konnten im Folgenden durch schrittweise Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg. Verfeinerungen der Modellkomponenten und entspre- BERNER, R., 1997: The rise of plants and their effect on wea- chende Zunahme der Modellkomplexität bestätigt thering and atmospheric CO2. Science 276 (5312), 544-546. werden: BROWN, P., 1997: Stewardship of climate, an editorial comment. Climatic Change 37, 329-334. Sensitivitätsstudien (Abschnitte 2.2 und 2.3; HiSTiLoS BRUCKNER, T., G. HOOSS, H.-M. FÜSSEL, K. HASSEL- und SIAM) zeigten die Abhängigkeit Kosten-Nutzen- MANN, 2003: Climate system modeling in the framework of optimierender Klimaschutzstrategien von grundsätz- the tolerable windows approach: The ICLIPS climate model. lichen Modellannahmen: Betrachteter Zeitrahmen, Climatic Change 56, Spezial ICLIPS Ausgabe, 119-137. Reaktionszeit des Wirtschaftssystems, und insbesonde- COSTANZA, R., R. D'ARGE, R. DE GROOT, S. FARBER, M. re die ethische Bedeutung der Diskontierung langfris- GRASSO, B. HANNON, K. LIMBURG, S. NAEEM, R. tiger Schadenskosten. Das Klimamodul (Abschnitt 2.4; O'NEILL, J. PARUELO, R. RASKIN, P. SUTTON, M. VAN NICCS) illustriert die Zusammenhänge zwischen DEN BELT, 1997: The value of the world's ecosystem services and natural capital. Nature 387, 253-260. Treibhausgas-Emissionen und raumzeitlichem Klima- wandel sowie das potenzielle Ausmaß des Wandels bei CRYOGEN, 2001: Sicherheitsdatenblatt Kohlendioxid, fest weiter wachsender Nutzung fossiler Brennstoffe. Das (Trockeneis). Firma Cryogen Dry Ice Blasting, Littlehampton, West Sussex BN17 5DF, United Kingdom, http://www.cryoge- Wirtschaftsmodul (Abschnitt 2.5; MADIAM) veran- nesis.uk.com/index.htm schaulicht, in ähnlich niedrigdimensionaler Kompakt- DOWLATABADI, H., M. MORGAN, 1993: Integrated Assess- darstellung, die Wachstumsdynamik des materiellen ment of Climate Change. Science 259, 1813 und 1932. Versorgungsapparates der globalen Zivilisation und GANOPOLSKI,A., C. KUBATZKI, M. CLAUSSEN,V.BROV- die Positionen und Einflussmöglichkeiten der Inte- KIN, V. PETUKHOV, 1998: The influence of vegetation- ressengruppen, insbesondere die Rolle der (Kohlen- atmosphere-ocean interaction on climate during the mid-Ho- stoff-)Steuern und Investitionen sowie die grundsätzli- locene. Science 280, 1916-1919. che Machbarkeit ausreichender langfristiger Reduk- GEFAHRSTOFFVERORDNUNG (GefStoffV), 1996: 6. neu tion. Die Modellreihe lässt sich konsequent fortsetzen bearbeitete Auflage. Deutscher Bundes-Verlag, http://www. in Richtung wachsender Komplexität: Welthandel zwi- bundesanzeiger.de/ schen verschieden entwickelten Regionen, Konjunk- HARVEY, L., 1989: Managing Atmospheric CO2. Clim.Change turzyklen im Zusammenhang mit Klimaschutzmaß- 15, 343-381. nahmen usw. HARVEY, L., Z. HUANG, 1995: Evaluation of the potential impact of methane clathrate destabilization on future global war- Es konnte gezeigt werden, dass die Wachstumsgrenze ming. J. Geophys. Res.-Atmospheres 100 (D2), 2905-2926. der fossilen Energieversorgung nicht durch Rohstoff- HASSELMANN, K., 1990: How well can we predict the climate verknappung erreicht wurde, sondern durch unver- crisis. In H. SIEBERT, (Hrsg.), Environmental Scarcity - The meidbaren Abfall. Das Problem der Klimaänderung international dimension, S. 165-183. JCB Mohr, Tübingen. kann aber nicht unabhängig vom allgemeinen Problem HASSELMANN, K., 1993: Optimal Fingerprints for the detec- der Nachhaltigkeit gesehen werden, sondern steht tion of time-dependent climate change. J. Clim. 6, 1957-1971. stellvertretend für eine große Zahl nicht ausschließlich HASSELMANN, K., 1999: Linear and Non-linear Signatures of klimatologischer Symptome des Wandels. Die Klima- Climate Change. Nature 398, 755-756. 224 K. G. Hooss: Modelle der globalen Umwelt und Gesellschaft promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

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H. GRAßL 32 Reaktion der Weltöffentlichkeit auf Klimamodell- ergebnisse

Bedeutung anthropogener Klimaänderungen den sind. Zuverlässige Testdaten für die Modelle gibt es allerdings nur etwa seit 150 Jahren. Weiter zurück- Klima schwankt auf allen Zeitskalen von Jahreszeiten gehende indirekte Daten haben, je weiter man zurück bis zu Milliarden von Jahren. Es ist daher sehr häufig blickt, umso größere Fehlerbalken und konnten erst das Argument vorgebracht worden, dass angesichts der jüngst zeitlich so eingeordnet werden, dass sie als Test- massiven Klimaänderungen, z. B. zwischen Eiszeit und daten prinzipiell geeignet sind. Gleichzeitig können Zwischeneiszeit, der Einfluss des Menschen zweitran- dafür wegen der Jahrtausende umfassenden Simula- gig sein müsste. Dabei werden allerdings die Zeitska- tionszeit nur vergröberte Modelle verwendet werden; len vermengt. So braucht der vergleichsweise rapide sie heißen im Fachjargon Modelle mittlerer Komple- Zerfall großer Inlandeismassen in der Größenordnung xität. Die für die Extrapolation ins 21. Jahrhundert ver- 10.000 Jahre und die anthropogenen Klimaänderungen wendeten Modelle sind daher mit raschen (regionalen) wie sie in diesem Heft beschrieben worden sind, wer- Klimaänderungen aus der Klimageschichte noch nicht den in ein Jahrhundert gepackt und sie erreichen ohne getestet, sie haben aber die Änderungen im 20. Jahr- spezielle Klimaschutz-Maßnahmen die gleiche Grö- hundert nachvollzogen, können heutiges Klima gut ßenordnung. Sie laufen also viel rascher als die natür- nachbilden und sind auch schon fähig, die kleine Eis- lichen Veränderungen ab und sind deshalb besonders zeit nachzuvollziehen (siehe Beitrag von Cubasch, Ka- bedrohend. Häufig wird auch argumentiert, dass es ra- pitel 6 in Heft 1). Außerdem konnten sie schon vor et- pide natürliche Klimaumschwünge gegeben habe, z. B. wa 10 Jahren die veränderte atmosphärische Zirkula- den Stopp der thermohalinen Zirkulation im nörd- tion nach Vulkanausbrüchen (siehe Beitrag von Graf, lichen Nordatlantik vor etwa 12.000 Jahren und die Kapitel 7 in Heft 1) sowie die Folgen der Ölbrände in Austrocknung der Sahara vor etwa 5.500 Jahren (siehe Kuwait 1991 realistisch einschätzen (BAKAN et al. Beitrag von Claußen, Kapitel 18 in Heft 2). In diesen 1991a, b). Sie sind also ein brauchbares Werkzeug, um Fällen kam es zu massiven regionalen Klimaänderun- politik-relevante Information zu liefern, sofern man sie gen, jedoch nicht zu starken globalen. nicht überinterpretiert, d. h. keine regionalen Aussagen auf zu kleiner Skala extrahiert. Auch Vulkanausbrüche (siehe Beitrag von Graf, Kapi- tel 7 in Heft 1) haben das Potenzial zu globalen Klima- änderungen. Diese Ereignisse dauern jedoch nur weni- Wie hat die Öffentlichkeit reagiert? ge Jahre und erreichen selten Werte von 0,5 °C mittlerer globaler Abkühlung an der Erdoberfläche. Die an- Als einige weltweit geachtete Wissenschaftler 1985 gelaufenen und sich bei Nichtstun noch beschleunigen- nach einer Konferenz in Villach, Österreich, sich an die den Klimaänderungen durch den Menschen sind also Öffentlichkeit wandten und davon sprachen, dass ein zentrales Umweltproblem des 21. Jahrhunderts, durch wahrscheinlich bevorstehende Klimaänderun- und es gibt auch keine Analogien dafür aus der Klima- gen durch den Menschen all unsere Infrastruktur ge- geschichte. Erstens, weil noch nie seit vielen Hundert- fährdet sei, beruhte diese Warnung auf so genannten tausend Jahren der Kohlendioxidgehalt der Atmo- Gleichgewichtsmodellen. Diese waren dreidimensio- sphäre bei Anwesenheit von Inlandeis so hoch war wie nale allgemeine Zirkulationsmodelle der Atmosphäre heute und zweitens, weil die Konstellation der Erd- mit einer angekoppelten, aber nicht strömenden Deck- bahnparameter in den vergangenen drei Zwischeneis- schicht des Ozeans. Sie reagierten bei fest vorgegebe- zeiten eindeutig anders war.Wir nähern uns langsam in ner Konzentrationserhöhung des Kohlendioxids mit den kommenden zigtausend Jahren einer Kreisbahn einer mittleren Temperaturerhöhung an der Oberflä- um die Sonne, dem Minimum der Erdachsenneigung che und in der unteren Atmosphäre sowie einer Ab- zur Bahnebene um die Sonne (etwa 22°), und die nörd- kühlung in der Stratosphäre. liche Erdhälfte wird noch einige tausend Jahre geringer bestrahlt als die südliche, weil wir derzeit am 4. Ja- Die Warnung aktivierte zwei Institutionen der Verein- nuar der Sonne am nächsten sind. ten Nationen, nämlich die Weltorganisation für Meteo- rologie (WMO) in Genf und das Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) in Nairobi. Beide be- Modelle als Werkzeuge für Entscheidungen riefen den Zwischenstaatlichen Ausschuss über Klima- änderungen (IPCC = Intergovernmental Panel on Cli- Zukünftiges Klima kann daher nur mit gekoppelten mate Change) im November 1988 zum ersten Mal nach Atmosphäre/Ozean/Land-Modellen abgeschätzt wer- Genf ein, der beauftragt wurde, bis zur zweiten Welt- den, die mit Daten der Klimageschichte getestet wor- klimakonferenz im Herbst 1990 einen bewertenden 226 H. Graßl: Reaktion der Weltöffentlichkeit auf Klimamodellergebnisse promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Bericht zum Thema Klimaänderungen durch den Men- päischen Parlaments für etwa 10.000 Hauptemittenten schen zu liefern. Das Ministertreffen bei dieser Konfe- Emissionshandel ein, um der Industrie in Richtung renz beauftragte wiederum die Regierungen bis zum emissionsarme Techniken Anreize zu geben und sie so Erdgipfel in Rio de Janeiro im Juni 1992 eine unter- noch wettbewerbsfähiger zu machen. schriftsreife Rahmenkonvention zu Klimaänderungen vorzulegen. Was hatte die Minister dazu bewegt? Drei In Deutschland hat jüngst der Wissenschaftliche Beirat Befunde, nämlich erstens die Beobachtung einer ander Bundesregierung ,Globale Umweltveränderungen’ thropogenen Erhöhung der Konzentration der langle- (WBGU) in seinem Hauptgutachten ,Energiewende bigen Treibhausgase in der Atmosphäre (CO2 nahm in zur Nachhaltigkeit’ (WBGU 2003) gezeigt, dass die den 80er Jahren mit 0,5 % pro Jahr zu, Methan mit 1 % ,Quadratur des Kreises’, nämlich gleichzeitig Klimaän- und Lachgas mit 0,25 %), zweitens die hohe Korrela- derungen zu dämpfen und jedem Menschen den Zu- tion zwischen mittlerer Temperatur an der Erdoberflä- gang zu ausreichend Energie für eine nachhaltige Ent- che und den Treibhausgasen CO2 und Methan seit et- wicklung zu geben, machbar und finanzierbar ist. Es ist wa 160 000 Jahren sowie drittens die mit Klimamodel- langfristig billiger, die Energieversorgung wesentlich len berechnete Erhöhung der Temperatur um 1,5 °C mit erneuerbaren Energieträgern aufzubauen, als bis 4,5 °C bei einer Verdopplung der CO2-Konzentra- weiterhin bei Einsatz von Erdöl und Kohle die großen tion. Im Jahre 1992 wurde dann auch die Klima-Rah- Umweltprobleme mitbekämpfen zu müssen. Entschei- menkonvention in Rio de Janeiro von 154 Ländern ge- dende Voraussetzung für diesen Umbau der Energie- zeichnet. Sie trat 1994 im März in Kraft. Bereits bei der versorgung ist die Internalisierung externer Kosten ersten Vertragsstaatenkonferenz März/April 1995 in oder die Annäherung an das Verursacherprinzip. Berlin wurde ein völkerrechtlich verbindliches Proto- koll zu Emissionsreduktionen gefordert, weil die vage formulierte Verpflichtung, im Jahre 2000 nicht mehr Literatur:

CO2 als 1990 zu emittieren, als nicht zielführend erkannt worden war. BAKAN, S., A. CHLOND, U. CUBASCH, J. FEICHTER, H. F. GRAF, H. GRAßL, K. HASSELMANN, I. KIRCHNER, M. Mit dem zweiten bewertenden Bericht des IPCC kam LATIF, E. ROECKNER, U. SCHLESE, D. SCHRIEVER, I. SCHULT, U. SCHUMANN, F. SIELMANN, W. WELKE, im Dezember 1995 ein weiteres, den Laien eher über- 1991a: Auswirkungen von Ölbränden in Kuwait auf das Glo- zeugendes Element hinzu: The balance of evidence sug- balklima - ein Bericht über die Hamburger Experimente. Me- gests a discernible human influence on global climate. teorologisches Institut der Universität und Max-Planck-Insti- Also war das anthropogene Signal in den Messungen tut für Meteorologie, Hamburg, 54 S., 142 S. der oberflächennahen Lufttemperatur entdeckt und BAKAN, S., A. CHLOND, U. CUBASCH, J. FEICHTER, H.F. zwar auf der Basis eines Vergleiches mit den gekoppel- GRAF, H. GRAßL, K. HAS-SELMANN, I. KIRCHNER, M. ten Atmosphäre/Ozean/Land-Modellen, die zeigen LATIF, E. ROECKNER, U. SCHLESE, D. SCHRIEVER, I. konnten, dass im späten 20. Jahrhundert der Einfluss SCHULT, U. SCHUMANN, F. SIELMANN, W. WELKE, des Menschen auf die Temperaturmuster an der Ober- 1991b: Climate response to smoke from the burning oil wells fläche und in der Atmosphäre aus den natürlichen in Kuwait. Nature 351, 367-371. Schwankungen statistisch signifikant herauswuchs. IPCC, 2001: Climate Change: The Scientific Basis, Contribution Klaus Hasselmann, der Gründungsdirektor des Max- of Working Group I to the Third Assessment Report (TAR), Cambridge University Press, Cambridge, UK, 881 S. Planck-Instituts für Meteorologie, war im März 1995 der erste, der dies bei einer Pressekonferenz mit dem WBGU, 2003: Welt im Wandel - Energiewende zur Nachhaltig- Forschungsminister öffentlich machte. keit, Springer Verlag, Berlin - Heidelberg, ISBN 2-540-40160-1. Alle Gutachten können unter www.wbgu.de im Internet gefunden und ausgedruckt werden. Diese wissenschaftliche Erkenntnis wurde von der Weltöffentlichkeit im Dezember 1997 mit dem Kioto- Protokoll zur Klimarahmenkonvention beantwortet. In ihm verpflichten sich die Industrieländer zu Reduk- tionen von Treibhausgasemissionen in einem ersten Schritt bis 2012 um im Mittel etwa 5 %. Obwohl der dritte bewertende Bericht des IPCC im Jahre 2001 sogar eine Zuordnung von Einflussfaktoren auf Klima- änderungen vornehmen konnte, ist das Kioto-Proto- koll noch immer nicht völkerrechtlich verbindlich, weil die USA durch Präsident Bush ausgestiegen sind und Russland noch pokert, so dass trotz Ratifizierung durch über 100 Länder erst 44 % der weltweiten CO2- Emissionen im Jahre 1990 statt der geforderten 55 % erreicht worden sind. Dennoch hat die Europäische Union ihre Politik auf das Kioto-Protokoll eingestellt und ab Januar 2005 führt sie nach Beschluss des Euro- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 227-231 (November 2004) 227 © Deutscher Wetterdienst 2004

Blick nach draußen

Das Tschechische Hydrometeorologische Institut - Ein Beispiel für integrierte Dienstleistungen -

Meilensteine der Geschichte Forschung, Überwachung und Vor- orologische Institut ( ESKÝ HY- Das ESKÝ HYDROMETEO- hersage der verschiedenen Luftver- DROMETEOROLOGICKÝ ÚS- ROLOGICKÝ ÚSTAV ( HMÚ) schmutzungsgrade und der Frage TAV, HMÚ) und das slowakische erfüllt zum einen alle Aufgaben ei- nach den Hauptquellen von Schad- Pendant SLOVENSKÝ HYDRO- nes Nationalen Wetterdienstes, zum stoffemissionen) erweitert. Damit METEOROLOGICKÝ ÚSTAV anderen aber auch Pflichten aus hatte das HMÚ seinen heutigen (SHMÚ). In beiden Einrichtungen dem Bereich der Luftreinhaltung. Status einer staatlichen, zentralen wurden alle drei Hauptaufgabenbe- Eine derartig breit gefächerte Auf- Institution erreicht und ist nun auf reiche kontinuierlich ausgebaut und gabenpalette ist für einen Nationa- den Gebieten Meteorologie, Klima- die technischen Funktionen er- len Wetterdienst eher ungewöhn- tologie, Hydrologie (einschließlich weitert. Wegen der neuen Lage in lich. Das Tschechische Hydromete- Wasserqualität) und Luftreinhal- Zentral- und Osteuropa nach 1989 orologische Institut hat sich in meh- tung tätig. Mit anderen Worten: beschleunigte sich die Fortentwick- reren größeren Etappen zu dem Hauptaufgabe des HMÚ ist in- lung beider Wetterdienste. Seit Auf- hochgradig integrierten Wetter- zwischen die Überwachung und lösung der Tschechoslowakischen dienst entwickelt, wie er sich heute Vorhersage des Zustands von At- Föderation in zwei voneinander un- darstellt. Nachdem die regelmäßige mosphäre und Hydrosphäre hin- abhängige Staaten arbeiten auch Wetterbeobachtung bereits im 18. sichtlich sowohl kurzfristiger Verän- die beiden Wetterdienste völlig un- Jahrhundert begonnen hatte, wur- derungen als auch zu erwartender abhängig von einander. den im Jahre 1851 unter der öster- Langzeitentwicklungen. Die Zen- reichisch-ungarischen Monarchie trale des HMÚ hat ihren Sitz in 1993 änderte sich der Status des staatliche Dienststellen für Meteo- Prag zu einem Teil in dem histori- Tschechischen Hydrometeorologi- rologie und Hydrologie eingerich- schen Schloss im Ortsteil Komo - schen Instituts und aus einer reinen tet, die ihre Tätigkeit nach 1918 in any (Abb. 1), der anderer Teil befin- Regierungsbehörde wurde eine teil- der neu gegründeten Tschechoslo- det sich in der Nähe in neuen Ge- rechtsfähige Anstalt im Bereich des wakei weiterführten. Das entschei- bäuden. tschechischen Umweltministeriums. dende Jahr war 1954, das Jahr, in dem Hydrologie und Meteorologie unter dem Dach einer einzigen In- stitution mit den drei Kernaufga- benbereichen Klimatologie, Hydro- logie/Synoptik und Flugmeteorolo- gie zusammengelegt wurden und die Mitarbeiterzahl auf über 700 anstieg. Dies blieb so bis ins Jahr 1968, wobei im Laufe der Zeit mit dem Hinzukommen neuer Aufgaben und der Einrichtung neuer Arbeitsplät- ze (hydrometeorologische Regio- Abb. 1: Zentrale des HMÚ im historischen Schloss in Prag Komo any. nalzentren inbegriffen) die Mitar- beiterzahl auf 995 anwuchs. Im Zusammenhang mit dem Zu- Seither nutzt das HMÚ ähnlich sammenschluss der tschechoslowa- anderer nationaler Wetterdienste in Im Jahre 1967 wurden die Aufga- kischen Föderation im Jahre 1969 der EU seine Fähigkeiten für kom- benbereiche des HMÚ mit dem wurde das damalige Institut in zwei merzielle Zwecke. In den letzten neuen Gesetz Nr. 35/1967 zur Luft- voneinander unabhängige Einrich- Jahren haben die kommerziellen reinhaltung um den Bereich der tungen aufgespalten, und zwar in Aktivitäten dazu beigetragen, ca. Überwachung der Luftqualität das für den tschechischen Teil zu- 20 % der Gesamtausgaben des In- (einschließlich der dazugehörigen ständige Tschechische Hydromete- stituts abzudecken. 228 Das Tschechische Hydrometeorologische Institut promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Entsprechend der Satzung erfüllt • Überwachung der Luftqualität hersage- und Warndienst mit seiner das HMÚ derzeit die im Folgen- - Erfüllung der aus dem Gesetz neuen integrierten Struktur (in Zu- den aufgeführten Kernaufgaben: zur Luftreinhaltung Nr. 86/ sammenarbeit mit dem Wetter- • Meteorologie und Klimatologie 2002 erwachsenden Aufgaben dienst der tschechischen Armee - Messen und Beobachten der - Überwachung der Luftqualität und den Wasserverbänden) auf der Prozesse in der Atmosphäre in einem nationalen Netz zur Grundlage der 2001 neu verab- - Verarbeitung und Nutzung der Erfassung der Luftverschmut- schiedeten Gesetze voll in das neue erhobenen Daten für die Be- zung gemäß Regierungsver- nationale Krisenmanagement und lange des Vorhersage- und ordnung Nr. 350/2002 über die das Integrierte Rettungswesen IZS Warndienstes und der zivilen Grenzwerte für die Verschmut- (Integrovaného Záchranného Sys- Luftfahrt sowie für die Zu- zung der Umgebungsluft und tému) eingegliedert worden (siehe sammenarbeit mit dem Wetter- die Bedingungen und Metho- Abb. 2). Warnmeldungen vom Vor- dienst der tschechischen Armee den zur Erfassung, Aus- und hersage- und Warndienst werden - Erhebung von Klimadaten so- Bewertung sowie Überwa- mit Hilfe der Hauptbetriebszentra- wie deren Verarbeitung in ei- chung der Luftqualität le entsprechend der Hochwasser- ner Klima-Datenbank für die - Aufbau und Pflege eines Ver- schutzpläne und unter direkter Auf- Bedürfnisse der Klimatologie zeichnisses der Emissionsdaten sicht der Hochwasserschutzbehör- - Übermittlung von Daten - Administrator und Operator den über die regionalen Betriebs- • Hydrologie des Informationssytems für zentralen der Feuerwehren und - Überwachung und Bewertung Luftqualität ISKO (Informa - Rettungsdienste an die untergeord- des Bodens und des Grund- ní systém kvality ovzduší) so- neten Ebenen des Krisenmanage- wassers hinsichtlich Quantität wie des tschechischen Regis- ments, wie z. B. regionale und kom- und Qualität (in Zusammenar- ters für Luftverunreinigungen munale Verwaltungsbehörden, und beit mit den Wasserverbänden und Quellen der Luftverunrei- dann an die Öffentlichkeit weiter- und dem Forschungsinstitut für nigung REZZO geleitet. Abb. 2 zeigt auch, dass in Wasserwirtschaft T.G. Masaryk - Betrieb von Smog-Warn- und einigen dringenden Fällen wie z. B. [Výzkumný ústav vodohospo- Regulierungssystemen gemäß Hochwasser die zusätzliche direkte dá ský T. G. Masaryka, VÚV]), Bekanntmachung des Umwelt- Verbreitung von Warnmeldungen Aufbau und Verwaltung einer ministeriums Nr. 553/2002 über die Medien und auch das hydrologischen Datenbank Internet sehr hilfreich sein können. - Statistiken zum Wasserhaus- Vorhersage- und Warndienst halt Der Vorhersage- und Warndienst Der Vorhersage- und Warndienst - Hochwasservorhersage (im hatte wegen der rechtzeitigen Her- besteht derzeit aus einem Zentralen Rahmen des integrierten Vor- ausgabe von Warn- und Alarmmel- Vorhersagebüro CPP (Centrální hersage- und Warndienstes des dungen an die Öffentlichkeit und P edpov dní Pracovišt ) in Prag HMÚ und in Zusammenar- Katastrophenschutzstäbe bei den und sechs Regionalen Vorhersage- beit mit den Wasserverbänden) katastrophalen Hochwassern von büros in den Regionalniederlassun- 1997 und ganz be- gen des HMÚ (Abb. 3). Verwen- Hochwasserwarnsystem in der sonders von 2002 det werden Multisensor-Beobach- Tschechischen Republik Wasserverbände eine entscheiden- tungsdaten (Niederschlag, Abfluss- 5x de Rolle inne. mengen), Daten aus dem weltwei- Gerade in dem ten Fernmeldesystem GTS der

Zentrales national Jahr war der Vor- WMO sowie Daten moderner Fern- Vorhersage- büro regional Beobachtung Nieder- Rettungs- und Met. Pegel- Feuerwehr- GTS Radar Satellit schlags- messun- Regionale Modelle messun- Betriebszentrale zentralen ALADIN gen Vorhersage- Feuerwehr und gen büros 6x Hochwasser- 14x Rettungsdienste schutzbehörden/ Katastrophen- zentrale stäbe Vorhersagen und Rechenzentrum Warnungen Zentrales und Regionale 6x Vorhersage- Kommunikations- Vorhersage- Rundfunk büro zentrale büros Fernsehen Bezirke regionale Hydrol. Modell 80x Internet/ Vorhersagen Intranet und Warnungen

Videotext Archiv Internet für Modell- Kommunen Klima- Hydrol. datenbank Datenbank rechnungen 3000x und Radar- daten

Abb. 2: Vernetzung des Vorhersage- und Warndiensts mit dem Abb. 3: Aufbau des Vorhersage- und Warndiensts beim Tschechi- nationalen Krisenmanagement (Notfallwesen). schen Hydrometeorologischen Institut. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Das Tschechische Hydrometeorologische Institut 229 erkundungssysteme wie Wetterra- Hauptflüsse eingesetzt, bei denen dar und Wettersatelliten (insbeson- meteorologische Eingaben ein- dere für den Bereich des Nowcas- schließlich gesammelter Informa- ting). Darüber hinaus werden für tionen aus dem Radarnetz, von die Vorhersage von Starknieder- den geostätionären METEOSAT- schlägen routinemäßig auch nume- Wettersatelliten und den Blitzor- rische Wettervorhersagemodelle tungssystemen Verwendung fin- eingesetzt und Hochwasservorher- den. Zur besseren Übersicht kön- sagen mit einer größeren Vorwarn- nen Orographie, das Flussnetz, zeit sind möglich. Im Bereich der Abflussgebiete und einzelne Be- Hydrologie beinhaltet die Arbeit Abb. 4: Wasserabflussmessungen mit ei- zirke angezeigt werden. nem modernen Messgerät an des Vorhersage- und Warndienstes der Karlsbrücke (Hochwasser- • Die Abteilung Flugmeteorologie sowohl im Zentralen Vorhersagebü- katastrophe 2002). wurde vom Flughafen Prag in die ro als auch in den Regionalbüros Zentrale des HMÚ verlagert. den operationellen Betrieb von tungsbehörden in den Regionen Der Flugwetterinformations- hydrologischen Modellen für die zusammen. dienst des Landes wurde erst Hauptflüsse des Landes. • Das HMÚ betreibt mehrere kürzlich umfassend optimiert. Observatorien zur Messung von • Gerade hat das HMÚ das natio- Gerätschaften, Ausstattung, Tech- Ozonwerten und Sonnenstrah- nale automatisierte Netz zur Er- nologien und Produkte lung, zur Überwachung von Um- fassung von Luftverschmutzun- Der tschechische Wetterdienst ver- weltqualität, zur Beobachtung der gen mit Mitteln aus dem PHA- fügt in der Zentrale in Prag, den sie- Grenzschicht und Durchführung RE-Hilfsprogramm auf „moder- ben Regionalniederlassungen, den von SODAR-Messungen sowie ne“ Schadstoffe, wie z. B. Ozon fünf Observatorien, den fünf Flug- für Zwecke der Agrar- und Bio- oder organische Substanzen, wetterdienststellen und den 15 meteorologie. Zwei Observato- nachgerüstet und setzt zuneh- hauptamtlichen Wetterstationen ins- rien sind direkt den Kernkraft- mend Schadstoffausbreitungsmo- gesamt über 800 Mitarbeiter, die von werken zugeordnet. delle ein. fast 3.000 ehrenamtlichen Beobach- • Das HMÚ verfügt über zwei tern unterstützt werden. Das Anla- Wetterradars, die dem zentraleu- Produkte und Dienstleistungen des gevermögen beläuft sich auf über 1,7 ropäischen Radarverbund CE- HMÚ Mrd. CZK (etwa 53,6 Mill. €) und je- RAD (Central European Radar Das HMÚ gibt Nowcasting- sowie des Jahr werden über 100 Millionen Network) angeschlossen sind, und kurz- und mittelfristige Vorhersa- CZK (etwa 3,2 Mill. €) in neue An- einen neuen NEC SX-6 Super- gen heraus und bietet verschiedene lagevermögen investiert. Die Ein- computer (32 Gflops) für den Be- Fernerkundungsdaten und andere nahmen des HMÚ aus kommer- trieb numerischer Wettermodelle. Arten von Daten an. Die Hydrolo- ziellen Tätigkeiten decken ca. 20 % Des weiteren wird für alle drei gen erstellen anhand ausgewählter des Haushalts ab, die restlichen Hauptarbeitsbereiche eine auf Flussmessungen Wasserstandsmel- 80 % werden vom Staat abgedeckt. der Grundlage von ORACLE- dungen und hydrologische Vorher- • Beobachtungsnetze: Bereits alle Produkten aufgebaute Datenba- sagen für das Hochwasserwarnsys- hauptamtlichen Wetterstationen, sis betrieben. tem, dessen Informationen regel- 40 % der Klimastationen und • Numerische Wetter- und Klima- mäßig auf den Internetseiten des 10 % der Niederschlagsmesssta- modelle: Seit 1990 ist das HMÚ tionen im Oberflächengewässer- an dem französischen ALADIN- messnetz sowie 63 % der 500 Projekt zur Entwicklung eines re- Oberflächengewässer- und 14 % gionalen Vorhersagemodells be- der 2000 Grundwasser-Messsta- teiligt (Abb. 5). Das HMÚ hatte tionen sind automatisiert. Das dieses Modell im Rahmen der Messnetz zur Überwachung der internationalen LACE-Koopera- Luftqualität umfasst 64 automati- tion (1998-2002) operationell be- sche Überwachungsstationen, 13 trieben. Seit 2003 hat das Projekt spezielle Ozon-Messstationen und eine mehr forschungsorientierte vier automatische Stationen zur Ausrichtung und es wurde ein Überwachung des Schadstoffaus- neues Projekt zur Entwicklung ei- stosses im Straßenverkehr. 30 Sta- nes verbesserten Modells mit ei- Abb. 5: Vorhersage des Gesamtnieder- tionen sind mit Personal besetzt. ner angestrebten Auflösung von schlags in der Tschechischen Re- • Die sieben Regionalniederlassun- 2,5 km ins Leben gerufen. publik und den Nachbarländern für den Zeitraum 12.08.2002 00:00 gen verwalten und unterhalten • Für die numerische hydrologische UTC bis 13.08.2002 06:00 UTC Stationsnetze, führen Spezialmes- Modellierung werden hydrologi- aus dem ALADIN-Modell. Unten sungen durch (Abb. 4) und arbei- sche Simulatiosverfahren und rechts: NEC SX-6 Supercomputer ten mit den staatlichen Verwal- Vorhersagemodelle für die für den Modell-Betrieb. 230 Das Tschechische Hydrometeorologische Institut promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

HMÚ veröffentlicht werden drei Hauptaufgabenbereichen auch und Grundwasser in eingebunde- (Abb. 6). Die hydrologischen Daten Forschung betrieben. Jüngste staat- nen Wassereinzugsgebieten. Gemäß und Vorhersagen werden gemäß liche Projekte von Bedeutung sind der EU-Wasserrahmenrichtlinie Nr. den jeweiligen Vereinbarungen z. B. die „Evaluierung der Hochwas- 2000/60/EC zur gemeinsamen Was- über die Zusammenarbeit an den serlage vom Juli 1997“ und die serpolitik hat das HMÚ eine Me- Grenzgewässern an die Nachbar- „Evaluierung der Hochwasser-Ka- thodologie zur Beurteilung des Zu- länder weitergegeben. Wichtigster tastrophe im August 2002“, die bei- stands von Oberflächengewässer Nutzer bleibt weiterhin die zivile de eine umfassende Evaluierung und Grundwasser entwickelt, in der Luftfahrt, seit kurzem gewinnt auch der Katastrophenfälle geben. auch das Auftreten schädlicher Sub- der Bereich Straßen-Winterdienst stanzen in der Hydrosphäre enthal- an Bedeutung. Der Schwerpunkt der Forschung im ten ist. Bereich Meterologie liegt auf der Als nationaler Wetterdienst unter- Entwicklung des dynamischen Teils Zum Thema Luftreinhaltung haben hält das HMÚ Datenbanken zu des Limited Area-Modells ALA- die Forscher des HMÚ an der Be- Klima, Wasser, Luftverschmutzung DIN (einschließlich der klimatolo- reitstellung von Informationen für und Schadstoffemissionen. Das gischen Versionen dieses Modells). die Erarbeitung von Strategien zur HMÚ ist auch an der Erstellung Weitere Schwerpunkte sind: schwe- Luftreinhaltung in Ballungsgebie- der nationalen Beiträge gemäß der re Stürme, Entwicklung einer Me- ten, an der Modellierung der ver- Rahmenvereinbarung zum Klima- thodologie für die Evaluierung von schiedenen Emittenten und ihrer wandel und an der Entwicklung des Dürreperioden und operationelle Beteiligung an der Luftverschmut- regionalen Klimamodells beteiligt. Modellierung der radionukliden zung (Abb. 7) gearbeitet; sie unter- Es verfügt über einen Eigenverlag Dispersion in der Atmosphäre im stützen die Arbeit der Europäischen und veröffentlicht Fachpublikatio- Hinblick auf die nukleare Sicher- Umweltagentur EEA auf dem Ge- nen, Bulletins und Zeitschriften wie heit. Das Sonnen- und Ozon-Obser- biet der Luftreinhaltung und erar- den Agrometeorological Newsletter, vatorium führt für das europäische beiteten Emissionsverzeichnisse so- Jahrbücher zu Hydrologie und Luft- Ozon-Kalibrierzentrum (European wie verschiedene Projekte zu den verschmutzung sowie die Meteoro- Ozone Calibration Centre) und die wissenschaftlichen und fachlichen logical News, eine Fachzeitschrift, Europäische Kommission verschie- Aspekten des EU-Beitritts. die seit 1947 erscheint. Das Infor- dene Projekte durch. mationsmaterial des HMÚ ist in Nationale und Internationale Ko- einer Auswahl auf der Internetseite Die Forschungstätigkeit auf dem operationen http://www.chmi.cz verfügbar. Gebiet der Hydrologie befasst sich Das HMÚ arbeitet schon immer hauptsächlich mit den hydrologi- mit zahlreichen Dienststellen und Forschung und Entwicklung schen Aspekten von Hochwasser- Einrichtungen in der Tschechischen Neben dem Angebot an Daten und schutz und -kontrolle einschließlich Republik zusammen, z. B. dem Wet- Dienstleistungen wird im HMÚ Modellierung, Verbesserung der terdienst der tschechischen Armee, im Rahmen von nationalen und Hochwasservorhersagedienste und dem Slowakischen Hydrometeoro- internationalen Projekten in allen Schutz von Oberflächengewässer logischen Institut in Bratislava (bis

Abb. 6: Webseite des HMÚ mit Tabellen zu Wasserabfluss Abb. 7: NOx-Konzentrationen im Jahresdurchschnitt (in und Wasserständen in der Messstation Malá Chuchle µg/m3), ermittelt durch ein Modell mit verfeinerter bei Prag für den Zeitraum der Hauptflutwelle zwischen Auflösung für die hohen Konzentrationsgefälle im Be- dem 13. und 19. August 2002. Die Hochwasserschutz- reich der Stadt Zlín. stufen werden farblich hervorgehoben: niedrig = grün, mittel = gelb, hoch = rot. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Das Tschechische Hydrometeorologische Institut 231

1969 gehörten die beiden Institute zur Verbesserung der Infrastruktur Die integrierte Struktur des Vorher- sogar zusammen), Universitäten in Anspruch genommen. Viele der sage- und Warndienstes des HMÚ und Instituten der tschechischen Tätigkeiten wurden im Vorfeld des hat dazu beigetragen, dass in der Akademie der Wissenschaften, dem Beitritts der Tschechischen Repu- Tschechischen Republik die Schä- Forschungsinstitut für Wasserwirt- blik zur EU im Mai 2004 deutlich den während der letzten Hochwas- schaft T.G. Masaryk, den Wasserver- intensiviert. serkatastrophen niedrig gehalten bänden usw. Die Fachleute des werden konnten. Die kontinuierli- HMÚ nehmen auch an den Akti- Das HMÚ - ein meteorologisch- che Einbindung des HMÚ in das vitäten anderer Organisationen teil, hydrologischer Dienstleister - und nationale Notfallwesen nicht nur im wie z. B. an dem Nationalen Kli- die EU Fall von Hochwassern sondern auch maprogramm, dem Nationalen Ko- Der integrierte Charakter des bei anderen hydrometeorologi- mitee für Katastrophenvorsorge, Tschechischen Hydrometeorologi- schen Risiken (schwere Stürme, der Hydrologie-Kommission für die schen Instituts mit seinen Dienst- Kälteeinbrüche, Dürreperioden UNESCO und vielen anderen. leistungen zu Meteorologie, Hydro- usw.), schweren Fällen der Luftver- logie und Luftreinhaltung hat sich unreinigung (Smog), Industrie- und Das HMÚ ist an dem internatio- als sehr vorteilhaft herausgestellt. In nuklearen Unfällen sowie Terroran- nalen Austausch von Daten und letzter Zeit verfolgt auch die WMO griffen hat zu einer besseren Aner- Produkten und an den Aktivitäten zunehmend diesen Ansatz der Inte- kennung und Finanzausstattung des zahlreicher internationaler Organi- gration und hat mit der Erweiterung HMÚ seitens der Regierung ge- sationen beteiligt, wie der Weltorga- ihrer Aktivitäten um die beiden Be- führt. Alle Vorhersagen und War- nisation für Meteorologie WMO, reiche Hydrometeorologie und Um- nungen sowie sonstige Produkte der Organisation für internationale welt begonnen. Seit dem 14. Kon- sind den staatlichen Verwaltungsbe- Zivilluftfahrt ICAO, der UNESCO, gress im Jahre 2003 verwendet die hörden und darüber hinaus der all- der Europäischen Organisation zur WMO in ihrer offiziellen Bezeich- gemeinen Öffentlichkeit sowohl Nutzung von meteorologischen Sa- nung die Untertitel „Wetter, Klima, über professionelle Netze als auch telliten EUMETSAT, des Europäi- Wasser“. Die Idee der Integration über die Medien, insbesondere öf- schen Zentrums für Mittelfristige entspricht auch der Vision von Gor- fentlich-rechtliche Fernseh- und Wettervorhersage EZMW, der UN- don A. McBean, dem ehemaligen Radiosender und Internet, zugäng- Wirtschaftskommission für Europa Direktor des Kanadischen Wetter- lich und werden einer schrittweisen ECE, der Europäischen Umwelt- diensts, der in seinem Artikel über Modernisierung und Verbesserung agentur EEA. Weiterhin wird an die Wettervorhersage im 21. Jahr- hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit vielen internationalen Programmen hundert wie folgt schreibt: „Die Zu- und Gesamtqualität unterzogen. wie dem Europäischen Zusammen- kunft wird ein integriertes Beobach- arbeitsprogramm im Bereich der tungssystem sein - ein optimiertes Nicht zuletzt ist die Frage nach der wissenschaftlichen und technischen Netz zur Gewinnung reichhaltiger Qualität der Produkte im Vorfeld Forschung COST, dem Verbund Eu- Daten zu Atmosphäre, Wasser, Erd- des EU-Beitritts zu einer Angele- ropäischer Wetterdienste EUMET- oberfläche und Ozeanen, anhand genheit von großer Bedeutung ge- NET usw. mitgearbeitet. Auch hat derer die wachsenden Bedürfnisse worden und hat das HMÚ die es in allen drei Hauptaufgabenge- der verschiedensten Kundengrup- Zertifizierung nach ISO 9001 in al- bieten stets eine enge bilaterale Zu- pen gedeckt werden können. In dem len drei Hauptaufgabenbereichen sammenarbeit mit den Nachbarlän- Maße, in dem der Umfang der Wet- in Angriff genommen. Das HMÚ dern, mit Frankreich, den USA und tervorhersage wächst, werden auch hat sich gut darauf vorbereitet, im anderen Ländern gegeben. die Nationalen Wetterdienste des Mai 2004 im Rahmen der EU-Mit- 21. Jahrhunderts die Möglichkeit be- gliedschaft den Anschluss an die Seit 1996 gewährt das HMÚ Ent- kommen, sich zu Einrichtungen zu „alten“ EU-Wetterdienste zu erhal- wicklungsländern Unterstützung entwickeln, die die Bürger und Re- ten. (durch Organisation von Fortbil- gierungen ihrer Länder warnen und dungslehrgängen und Hilfe bei der in fließend ineinander übergehen- Installation und Kalibrierung von den Zeitabschnitten von Minuten Anschrift des Autors: Geräten sowie bei der Implemen- bis hin zu Jahrzehnten über die Ver- Dr. Ivan Obrusník tierung moderner Datenbanksyste- änderungen informieren, z. B. mit Direktor des HMÚ me, wie z. B. CLICOM und CLIDA- Vorwarnzeiten in Minuten bei Tor- Ständiger Vertreter der Tschechi- TA, usw.). Jüngst hat das HMÚ an nados, in Tagen bei Winterstürmen schen Republik bei der WMO den EU-Rahmenforschungspro- und Fällen von Luftverschmutzung, Na Šabatce 17 grammen 5 und 6 teilgenommen in Wochen bei Hochwasser und 143 06 Prag 4 und auch die EU-Unterstützungs- Dürre und in Jahrzehnten bei Kli- Tschechische Republik programme PHARE1 und ISPA2 maänderungen.“ Tel.: +420 241 765 614 Fax: +420 241 760 603 1 siehe: http://europa.eu.int/comm/enlargement/pas/phare E-mail: [email protected] 2 siehe: http://europa.eu.int/comm/enlargement/pas/ispa.htm http://www.chmi.cz 232 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 232-235 (November 2004) © Deutscher Wetterdienst 2004

Institute stellen sich vor

Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung der Universität Karlsruhe und des Forschungszentrums Karlsruhe

Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) wird seit 1985 gemeinsam von der Univer- sität Karlsruhe und dem For- schungszentrum Karlsruhe (FZK) getragen. Es ging aus dem Meteo- rologischen Institut hervor, das an der Technischen Hochschule Karls- ruhe im Jahre 1929 gegründet wur- Abb. 1: Das Hertzsche Dokument aus der Meteorologischen Zeitschrift 1887. de und aus einer Verbindung mit der 1868 eingerichteten Badischen Landeswetterwarte mit der TH her- beklagte, dass die Aufzeichnungen nen lässt. Das gemeinsame Institut vorging. von J. L. Böckmann aus der Zeit umfasst zwei der insgesamt vier In- der Badischen Witterungsanstalt stitutsbereiche: den Bereich „Tro- Die Meteorologie in Karlsruhe nicht genügend Beachtung fanden posphäre (IMK-TRO)“ unter Lei- kann auf eine sehr lange Tradition (siehe dazu Abb. 1). tung von Prof. Dr. Ch. Kottmeier zurückblicken: bereits 1778 wurde (seit 2003), Nachfolger von Prof. die Badische Witterungsanstalt ein- Dem heutigen Institut fehlt es nicht Dr. F. Fiedler (Leiter 1978 - 2003), gerichtet, die aber nur bis 1788 be- an solcher Aufmerksamkeit, wie und den Bereich „Atmosphärische trieben wurde; und seit 1822 liegen sich aus der gemeinsamen Träger- Spurenstoffe und Fernerkundung meteorologische Beobachtungen schaft von Universität und For- (IMK-ASF)“ unter Leitung von vor, die vom Physikprofessor F.Wu- schungszentrum Karlsruhe erken- Prof. Dr. H. Fischer. cherer am Karlsruher Polytechni- kum begonnen wurden. Eine Über- Das Institut verfügt über Räum- sicht zur historischen Entwicklung lichkeiten innerhalb des Universi- des Instituts, die mit Namen wie tätscampus in der Stadt Karlsruhe Böckmann (1771-1802), Honsell (Abb. 2) und im Forschungszen- (1843-1910), den Institutsleitern trum Karlsruhe (Abb. 3) in dem Peppler (1929-1943) und Diem Vorort Eggenstein-Leopoldsha- (1943-1978) verbunden sind, wurde fen. von FIEDLER (1979) gegeben. Vom Forschungszentrum Karlsruhe Hier ist auch ein Name zu nennen, werden zwei weitere Institutsberei- den man nicht unbedingt mit Mete- che allein getragen, für die eine ge- orologie in Karlsruhe in Verbin- sonderte Darstellung in promet ge- dung bringt. Kein Geringerer als plant ist. Dies sind die Bereiche Professor Heinrich Hertz, der von „Atmosphärische Aerosolfor- 1885 bis 1889 ein Ordinariat an der schung“ unter Leitung von Prof. Technischen Hochschule Karlsruhe Abb. 2: Institut für Meteorologie und Dr. U. Schurath in Karlsruhe und hatte und hier die elektromagneti- Klimaforschung auf dem Uni- die „Atmosphärische Umweltfor- schen Wellen entdeckte, hatte gro- versitätscampus im 13. Oberge- schung“ unter Leitung von Prof. ßes Interesse an der Meteorologie, schoss des Physikhochhauses Dr. W. Seiler mit Sitz in Garmisch- wie seine Beiträge zeigen (HERTZ (Bildmitte rechts, rot markiert). Partenkirchen. 1884, 1887). Bemerkenswerterwei- Auf dem Gebäudedach befindet sich eine Wetterstation (aktuelle se war er es, der dem Bericht über Daten: http://www.imk.uni-karls- Im Bereich „Troposphäre“ besteht die Sitzung der Meteorologischen ruhe.de/fi/fzk/imk/seite_19.php). die stärkste Verknüpfung zwischen Gesellschaft im Jahr 1887 (Meteo- Im Hintergrund liegt das Karls- Universität und Forschungszen- rologische Zeitschrift 1887) zufolge ruher Schloss. trum. Universitätsseitig sind 3 Pro- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung in Karlsruhe 233 fessorenstellen vorhanden, von denen zwei besetzt sind (Prof. Dr. Ch. Kottmeier, Prof. Dr. K. D. Beheng). Die dritte Professur wird in Kürze mit Frau Prof. Dr. S. Jones besetzt werden. In der Universität stehen zwei weitere Wissenschaftlerstellen und Stellen im Verwaltungs-,Werk- statt- und Technikbereich zur Ver- fügung. Im Forschungszentrum sind im Bereich „TRO“ acht wissen- Abb. 3: Der im Forschungszentrum Karlsruhe gelegene Bereich des Instituts. Auf dem schaftliche Mitarbeiterinnen und Dach ist ein Niederschlagsradar installiert, Einzelheiten dazu siehe Text. Mitarbeiter unbefristet sowie eine wechselnde Zahl von Doktoranden (insgesamt 70 Semesterwochen- Forschung und Projektwissenschaftlern ange- stunden). In der Meteorologie sind stellt. die Einführungsveranstaltungen Die Forschungsthemen, die zur „Allgemeine Meteorologie“ und Zeit und künftig bearbeitet wer- Im Bereich „ASF“ ist der deutlich „Klimatologie“ jeweils mit Übun- den, sind in wesentlichen Zügen größere Teil des Personals am For- gen, „Meteorologische Messver- durch das vom Institut mitentwi- schungszentrum angestellt; neben fahren“ und „Meteorologisches ckelte und von Prof. Fischer koordi- Herrn Prof. Dr. H. Fischer sind je- Anfängerpraktikum“ (insgesamt nierte Forschungsprogramm „At- doch sieben Wissenschaftler auf 15 SWS) zu belegen. Die Vordiplo- mosphäre und Klima“ der Helm- Drittmittelstellen an der Univer- me in Physik, Geophysik und Me- holtz-Gemeinschaft definiert. sität tätig. teorologie werden gegenseitig an- erkannt. Forschung im Bereich "Tropo- Lehre an der Universität Karlsruhe sphäre" (TRO) Im Hauptstudium sind die Lehrin- Der Diplomstudiengang Meteoro- halte in Karlsruhe ähnlich denen Ein Schwerpunkt der Forschung logie wird von den genannten Pro- an anderen meteorologischen In- liegt auf der Untersuchung des Kli- fessoren getragen. Die wissen- stituten in Deutschland. Die ange- mas und Wasserkreislaufs. Die da- schaftlichen Mitarbeiter an der botenen Spezialvorlesungen (z. B. bei wichtigsten Prozesse - Aus- Universität und einige weitere ha- Grenzschicht, Konvektion, Wol- tauschvorgänge zwischen Land- bilitierte und erfahrene Wissen- kenphysik, Radarmeteorologie, oberflächen und Atmosphäre, Wol- schaftler des Forschungszentrums Strahlung, Luftchemie, Ausbrei- ken- und Niederschlagsprozesse beteiligen sich ebenfalls an der tungs- und Klimamodellierung) und Konvektion - stehen im Mittel- Lehre. Das breite Lehrangebot sind vielfach eng mit den wissen- punkt und werden mittels numeri- wird ergänzt durch regelmäßige schaftlichen Arbeiten der Hoch- scher Modelle und moderner Mess- Lehrveranstaltungen, die von dem schullehrer verknüpft. Durch die verfahren untersucht. Lehrbeauftragten Dipl.-Met. M. Mitwirkung im Fortgeschrittenen- Kurz, ehemals Leiter des Ge- praktikum sowie das Anfertigen Die Modelluntersuchungen basie- schäftsbereichs Basisdienste des von Seminararbeiten und Diplom- ren auf den am Institut entwickel- Deutschen Wetterdienstes, und von arbeiten wird schrittweise die Ent- ten mesoskaligen Modellsystemen Prof. Dr. G. Adrian, Leiter des Ge- wicklung zur selbständigen wissen- KAMM 1 (nicht-hydrostatisch; schäftsbereichs Forschung und Ent- schaftlichen Arbeit gefördert. Die ADRIAN und FIEDLER 1991) wicklung des DWD, abgehalten physikalische Ausrichtung der Me- und KAMM 2 (kompressibel; werden. teorologie in Karlsruhe ist auch für BALDAUF und FIEDLER 2004) Physikstudierende attraktiv: Sie ar- sowie dem vom Deutschen Wetter- Zur Zeit sind etwa 120 Studierende beiten in verschiedenen Arbeits- dienst übernommenen Lokalmo- im Hauptfach Meteorologie in gruppen des IMK mit, wo sie auch dell LM. Die Anwendungsgebiete Karlsruhe eingeschrieben. Die An- Diplom- und Promotionsarbeiten von KAMM 1 sind z. B. Windener- fängerzahlen in der Meteorologie durchführen. gie- und Sturmrisikountersuchun- schwankten zuletzt von Jahr zu gen für Gebiete mit starker orogra- Jahr mit Zahlen zwischen 15 und Die Meteorologie ist auch zuneh- phischer Gliederung. KAMM 2 45 erheblich. Durch die Zugehörig- mend als Nebenfach gefragt, bei- wird bevorzugt zur wolkenauflö- keit zur Fakultät für Physik ist die spielsweise bei Studierenden der senden Modellierung der Wolken- Ausbildung bis zum Vordiplom eng Physik, Geophysik, Geoökologie, und Niederschlagsentwicklung in mit den Diplomstudiengängen Ingenieurs- und Wirtschaftswissen- konvektiven Systemen verwendet. Physik und Geophysik verzahnt. schaften, und trägt zu fachübergrei- Es beinhaltet ein neuartiges Wol- Im Grundstudium stehen Physik fenden Ausbildungsgängen (z. B. kenmikrophysikschema, das alle in und Mathematik im Vordergrund Risikomanagement) bei. Mischwolken ablaufende Prozesse 234 Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung in Karlsruhe promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 in parameterisierter Form be- Band-FMCW-Dopplerradar, seit weitert. Jüngere Entwicklungsar- schreibt. Das LM dient der Darstel- 2004 ein abtastendes Doppler-Li- beiten dienen der Einbeziehung lung von Konvektion, Wolken und dar und ab 2005 ein 35-GHz-Wol- von Dieselrußaerosol (MADESoot), Niederschlag während einzelner kenradar. Das K-Band-Dopplera- Pollen und Mineralstaub. Komple- Wetterepisoden sowie - in der Kli- dar, das Doppler-Lidar und das mentäre Messmöglichkeiten beste- maversion CLM - der regionalen Wolkenradar sind transportabel hen durch verschiedene Gasanaly- Klimamodellierung. und sollen vor allem in Feldexperi- satoren für bodengebundene Mes- menten eingesetzt werden. sungen und das Spurenstoffmess- Das Institut verfügt über ein breites modul auf dem Forschungsflugzeug Spektrum von in-situ Messverfah- Mit dem C-Band-Radar werden die Do 128. Die Spurengasmessungen ren (Messstationen zur Erfassung großflächige Niederschlagsvertei- wurden hinsichtlich besonders kur- aller Komponenten der Energiebi- lung analysiert sowie die räumliche zer Ansprechzeiten für Stickoxide, lanz natürlicher Oberflächen; Tur- und zeitliche dynamische Entwick- Ozon, CO und CO2 optimiert, so bulenzmessgeräte; Bodenfeuchte- lung starker konvektiver Wolken dass turbulente Spurenstoffflüsse messverfahren; Radiosonden- und untersucht und ihre Zugbahnen be- vom Flugzeug aus gemessen wer- Fallsondensysteme, Fesselballone). stimmt. Das K-Band-FMCW-Dop- den können. Beispielhaft dafür ist der auf dem plerradar liefert Informationen Gelände des Forschungszentrums über die bodennahen Änderungen An der Universität Karlsruhe ste- gelegene 200 m hohe Messmast von Tropfen- und Eispartikelspek- hen grundlegende Untersuchungen (Abb. 4) gezeigt, an dem Windvek- tren. turbulenter Prozesse in der Atmo- tor, Temperatur und Feuchte in ei- sphäre und die Erforschung meteo- ner zeitlichen Auflösung von bis zu Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt rologischer Naturgefahren und ih- 20 Hz gewonnen werden. Für Flug- ist die Untersuchung von Spuren- rer Wirkungen im Vordergrund. zeugmessungen (meteorologische substanzen in der Troposphäre. Letztere Themen werden in enger Grundgrößen, Strahlungs- und Hierbei wird das Zusammenspiel Verzahnung mit verschiedenen an- Energieflüsse, Oberflächentempe- zwischen chemischer Zusammen- deren Instituten im Graduierten- ratur und spektrale Reflektivität) setzung und Dynamik der Tropo- kolleg der DFG „Naturkatastro- wird regelmäßig ein von der Uni- sphäre untersucht. Die Untersu- phen“ und dem CEDIM (Center of versität Braunschweig betriebenes chungen konzentrieren sich auf den Disaster Management and Risk Forschungsflugzeug vom Typ Do Transport und die Mischungspro- Reduction Technology) der Univer- 128 mit Messgeräten beider Ein- zesse von biogenen und anthropo- sität Karlsruhe und des Geofor- richtungen eingesetzt. genen Spurenstoffen und deren schungszentrums Potsdam bearbei- chemische und physikalische Modi- tet. Die beim Wechsel in der Insti- Dieses umfangreiche Instrumenta- fikationen sowie ihren Einfluss auf tutsleitung beschaffte neue instru- rium war Bestandteil der Messpro- die Strahlung und Wolkenprozesse. mentelle Ausstattung (mobile gramme größerer nationaler (Ber- Das Modellsystem KAMM wurde Messstationen und Doppler-Sodar) lin Ozon Experiment 1998; EVAlu- hierzu um die Module DRAIS für sowie ein Doppler-Lidar kommen ierungsexperiment 1999; VERTI- die Gasphasenchemie und MADE diesen Forschungsrichtungen zugu- KATOR 2002) und internationaler für die Aerosolbehandlung er- te. Forschungsvorhaben (ESCOMP- TE 2001) und wird auch zukünftig genutzt (CSIP 2005, SPP1167, TRACKS). Ein Messbeispiel (Abb. 5) zeigt die Änderungen der Windprofile bei Annäherung eines Tiefdruckgebiets.

Die Messmöglichkeiten der bodengebundenen Fernerkundung um- Höhe in m fassen das seit 1994 kontinuierlich betriebene C-Band-Niederschlags- radar, installiert auf dem Dach des im Forschungszentrum gelegenen Institutsgebäudes (s. Abb. 3), ein K- Windgeschwindigkeit in m/s

Abb. 4: 200 m hoher Messmast auf dem Gelände des Forschungs- Abb. 5: Messbeispiel der Windprofile am 200 m-Mast. Die Mes- zentrums Karlsruhe. An ihm sind in bis zu 10 Höhen sungen vom 29. und 30.10.2000 im Abstand von etwa 5 h Messwertgeber für Windrichtung und -geschwindigkeit, (von links nach rechts) zeigen die Windzunahme bei Temperatur und Taupunkt sowohl für mittlere Größen als Annäherung eines Tiefdruckgebiets. Die Höhe des Wal- auch für turbulente Schwankungen installiert. des in der Mastumgebung beträgt etwa 25 m. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung in Karlsruhe 235

Forschung im Bereich „Atmosphä- Abb. 6: DieWasserdampfverteilung im 17 rische Spurenstoffe und Fernerkun- km-Niveau, abgeleitet aus MIPAS- dung (ASF)“ Satellitendaten, zeigt eine starke horizontale Varibiabilität, u. a. relativ hohe Konzentrationen in den In diesem Forschungsbereich wer- Subtropen und ein großes trocke- den insbesondere die Tropopausen- nes Gebiet über Süd-Ost-Asien region und die Stratosphäre unter- (Einheiten in ppmv). sucht. Kleinere Forschungsvorha- ben beschäftigen sich daneben mit der Fernerkundung von Landober- flächen, von atmosphärischen Para- metern der Planetarischen Grenz- schicht und der Mesosphäre. In der und dienen zur Validierung von Sa- Literatur Stratosphäre steht der Ozonabbau, tellitenexperimenten. (ENVISAT: der durch dynamische, chemische Experimente MIPAS, SCIAMA- ADRIAN, G., F. FIEDLER, 1991: Simula- und strahlungsbedingte Prozesse CHY; japanischer Satellit ADEOS: tion of unstationary wind and tempera- gesteuert wird, im Vordergrund. Experiment ILAS). Für die Inter- ture fields over complex terrain and comparison with observations, Beitr. Dabei spielt die Wechselwirkung pretation der gemessenen Parame- Phys. Atmos. 64, 27-48. zwischen der Veränderung der terverteilungen in der mittleren At- Ozonkonzentration und dem an- mosphäre wird das dreidimensiona- BALDAUF,M., F.FIEDLER, 2004:Time- dependent external forcing for the thropogenen Treibhauseffekt eine le numerische Modell KASIMA stand-alone Regional Model KAMM2, zunehmend wichtigere Rolle. Die eingesetzt. Mit bodengebundenen Meteorology and Atmospheric Physics, Entwicklung der Stratosphäre ist Fernerkundungsverfahren werden Zur Veröffentlichung vorbereitet. eng verknüpft mit den Vorgängen Zeitreihen der Konzentration ver- FIEDLER, F., 1979: 50 Jahre Meteorolo- in der Tropopausenregion, wie z. B. schiedener Spurenstoffe in polaren, gisches Institut der Universität Karlsru- dem Troposphären-Stratosphären- mittleren, subtropischen und tropi- he, promet, 9. Jahrgang, Heft 4, 27-28. Austausch. Außerdem beeinflusst schen Breiten im Rahmen des FISCHER, H., H. OELHAF, 1996: Re- die Veränderung der Konzentration internationalen NDSC (Network mote Sensing of vertical profiles of der Spurenstoffe (H2O, O3, Zirren) for the Detection of Stratospheric atmospheric trace constituents with in der Tropopausenregion den Change) gewonnen. MIPAS limb emission spectrometers, Treibhauseffekt (siehe Abb. 6). Zie- Appl. Optics 35, 2787-2796. le sind eine Verbesserung des Ver- Die fundierten Kenntnisse in der HERTZ, H., 1887: unter Vereinsnachrich- ständnisses der atmosphärischen Fernerkundung finden auch An- ten: Wissenschaftliche Vorträge vor der Prozesse, eine Erfassung des Trends wendung bei der Auswertung der allgemeinen Versammlung der D.M.G. von Spurenstoffen und die zuver- Messdaten operationeller meteoro- zu Karlsruhe, Ostern 1887, Meteorolo- gische Zeitschrift (4. Jahrgang), 231-232. lässige Vorhersage der Entwicklung logischer Satelliten (METEOSAT, der Spurenstoffe (inklusive Polarer MSG, NOAA), u. a. für die genaue HERTZ, H., 1884: Graphische Methode zur Bestimmung der adiabatischen Zu- Stratosphärischer Wolken). Bestimmung von Landoberflä- standsänderungen feuchter Luft. Mete- chentemperaturen. In situ-Mess- orologische Zeitschrift, (1. Jahrgang), Die wissenschaftlichen Untersu- verfahren kommen im Rahmen des 421-431. chungen stützen sich auf eine tech- CARIBIC-Projekts zum Einsatz, nisch hochwertige Infrastruktur. bei dem langfristig Spurenstoffe auf Von herausragender Bedeutung ist Linienflugzeugen erfasst werden. dabei das MIPAS (Michelson Inter- Anschrift der Autoren: ferometer für Passive Atmosphäri- Die Institutsbereiche IMK-ASF und sche Sondierung)-Experiment auf IMK-TRO arbeiten mit einer Viel- Prof. Dr. Christoph Kottmeier dem europäischen ENVISAT-Sa- zahl nationaler und internationaler Prof. Dr. Herbert Fischer telliten, dessen Grundkonzept vom Institutionen in gemeinsamen For- Universität Karlsruhe IMK entwickelt wurde (FISCHER schungsprojekten, die durch HGF, Institut für Meteorologie und und OELHAF,1996). Im IMK-ASF BMBF, DFG, EU und ESA geför- Klimaforschung wurde ein die operationellen Pro- dert werden, zusammen. IMK-ASF sowie dukte der ESA in Hinblick auf koordiniert große Verbundprojekte Forschungszentrum Karlsruhe Zahl der Spurengase (25) und die der HGF (Programm Atmosphäre Postfach 3640 vertikale Abdeckung (obere Tropo- und Klima, ENVISAT-Vernetzungs- 76021 Karlsruhe sphäre, Mesosphäre) erweiterndes fonds) sowie EU-Projekte (TO- E-Mail: [email protected] Datenprozessierungssystem aufge- POZ-III, COMIDA) und ist an EU- E-Mail: [email protected] baut. MIPAS-Ballon- und Flug- IPs (SCOUT) beteiligt. IMK-TRO http://www-imk.fzk.de zeugexperimente liefern ergänzen- arbeitet ab 2005 in erheblichem de, räumlich und zeitlich höher auf- Umfang an den neuen EU-IPs AM- gelöste Daten für Prozessstudien MA und EURO-RISK mit. 236 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 236-237 (November 2004) © Deutscher Wetterdienst 2004

Ein neues Zentrum stellt sich vor

Das Zentrum für Marine und Atmosphärische Wissenschaften (ZMAW)

In Hamburg wurde am 11. Juni Universität Hamburg und das Max- 2004 das Zentrum für Marine und Planck-Institut für Meteorologie Atmosphärische Wissenschaften an. (ZMAW) eingeweiht. Forschungs- ministerin Bulmahn übergab das Seit den achtziger Jahren besteht neue Gebäude im Beisein von etwa eine intensive Zusammenarbeit 550 geladenen Gästen und zahlrei- zwischen den Hamburger Meeres- chen Vertretern aus Politik und und Klimaforschern, die zusammen Wissenschaft seiner Bestimmung. eines der weltweit ersten gekoppel- (Abb.1). Der 16 Millionen Euro ten Modelle des Ozeans und der teure Neubau auf dem Campus der Atmosphäre entwickelt haben. Abb. 2: Neubau des Zentrums für Mari- Universität Hamburg gilt als Iden- ne und Atmosphärische Wissen- tifikationspunkt des neuen Zen- Moderne geowissenschaftliche For- schaften. trums, welches aus sechs Institutio- schung ist fächerübergreifend, lo- nen der Universität Hamburg und gistisch aufwändig und kostenin- und Fischereiwissenschaft (es dem Max-Planck-Institut für Mete- tensiv und übersteigt damit die per- muss noch heranrücken) sowie orologie besteht. sonelle Kapazität und Ausstattung - die Forschungsstelle Nachhaltige eines traditionellen Universitätsin- Umweltentwicklung. stituts. Erst durch das Zusammen- wirken verschiedener Fächer und Das ZMAW ist offen für weitere die gemeinsame Nutzung zentraler Partner, die sein Profil noch weiter Einrichtungen entsteht die notwen- schärfen. Ein international besetz- dige Kapazität, um die im Hambur- ter Beirat soll regelmäßig seine wis- ger Raum gewachsene hohe Exper- senschaftliche Qualität und organi- tise in der Meeres-, Klima- und satorische Funktionalität überprü- Erdsystemforschung zu erhalten fen. und für die Herausforderungen der Zukunft zu rüsten. Ein wichtiger Gemeinsam genutzte Einrichtun- Abb.1: Bundesforschungsministerin Beitrag dazu ist die Zusammenfüh- gen wie die Bibliothek, die Werk- Edelgard Bulmahn und der rung der über die Stadt verstreuten stätten und die Koordinierungsstel- Sprecher des ZMAW, Prof. Dr. Institutionen. le für Forschungsschiffe sorgen für Hartmut Graßl, am 11. Juni 2004 Das neue Gebäude auf dem Cam- Synergieeffekte. Das assoziierte (Foto: M. Böttinger, DKRZ). pus an der Bundesstraße (Abb. 2) Deutsche Klimarechenzentrum beherbergt zwei Abteilungen (At- (DKRZ) unterstützt mit seinem Der Weg zum ZMAW mosphäre im Erdsystem, Ozean im Höchstleistungsrechnersystem die Erdsystem) des Max-Planck-Insti- numerischen Arbeiten der Meeres- Das Zentrum für Marine und At- tuts für Meteorologie und das Insti- und Klimaforscher in ganz mosphärische Wissenschaften tut für Meereskunde der Univer- Deutschland (Abb. 3). (ZMAW) ist eine gemeinsame sität Hamburg. Damit sind bis auf Gründung der Universität Ham- ein Universitätsinstitut alle zum burg und der Max-Planck-Gesell- ZMAW gehörigen Institute in un- Das Profil des ZMAW schaft mit dem Ziel, die Meeres-, mittelbarer Nachbarschaft vereint: Klima- und Erdsystemforschung im - das Meteorologische Institut, Durch den globalen Wandel und Hamburger Raum weiter zu stär- - das Institut für Geophysik, seine gesellschaftlichen Umbrüche ken. Gegenwärtig gehören dem - das Institut für Biogeochemie ist die Erforschung des Erdsystems ZMAW das Zentrum für Meeres- und Meereschemie, und seiner Wechselwirkung mit den und Klimaforschung (ZMK) der - das Institut für Hydrobiologie Menschen eine Aufgabe von inter- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Zentrum für Marine und Atmosphärische Wissenschaften (ZMAW) 237

3 Forschungsperspektiven

Innerhalb seines Forschungsprofils setzt das ZMAW Schwerpunkte auf Zeit, die flexibel an aktuellen wissenschaftlichen Notwendigkeiten sowie den internationalen Pro- grammen ausgerichtet sind. Diese Schwerpunkte sind gegenwärtig: - die Entwicklung eines Erdsys- temmodells, - das globale Klimasystem, mit Fo- kus im Bereich Nordatlantik/ Arktis, - die Analyse von Stoffkreisläufen, - die Schelfmeer-Ökosysteme, insbesondere im Bereich Nord- see/Ostsee, Abb. 3: Lageplan des ZMAW auf dem Campus der Universität Hamburg (Grafik: N. Noreiks, MPI). - die nachhaltige Bewirtschaftung von Schelfmeeren und Küsten- nationalem Rang, die nur in welt- Diese Stärken bieten gute Voraus- gewässern, und weiter Zusammenarbeit bewältigt setzungen, um die großen Fragen - die regionalen Auswirkungen werden kann. Mit dem ZMAW der Gesellschaft an die Geowissen- von Klimaänderungen, insbeson- möchte Hamburg einen essentiel- schaften zu behandeln: dere in Nordwesteuropa. len Beitrag dazu leisten. Es ist eine von weltweit fünf wesentlichen • Wie stark beeinflussen wir den Es gehört zur Forschungsstrategie Säulen in der globalen Klima- und globalen Wandel der Umwelt des ZMAW, dass in den einzelnen Meeresforschung. Der Direktor des und wie können wir ihn steuern? Schwerpunkten möglichst alle Ar- ZMK, Prof. Dr. Hartmut Graßl, be- • Welche Wetterextreme wird der beitsschritte vom Prozessverständ- kräftigt: „Nur wenn sich federfüh- Klimawandel bringen und wie nis über flächendeckende Beobach- rende wissenschaftliche Institutio- können wir uns davor schützen? tung, Datenassimilation und Mo- nen zusammenschließen, können • Wie sieht eine nachhaltige Ent- dellierung bis zur Vorhersage und die drängenden Fragen des globa- wicklung aus? dem Management im Zentrum mit- len Wandels so früh beantwortet behandelt werden. Das ZMAW werden, dass die Menschheit noch Wissenschaftlich gesehen, sind die- strebt danach, seine Ergebnisse, Er- intelligent handeln kann.“ Mit se und viele andere Fragen Teil der fahrungen und Methoden in inter- knapp 500 Mitarbeitern ist das übergeordneten Frage: nationaler Zusammenarbeit welt- neue Zentrum so groß wie das weit anzubieten und anzuwenden. Leibniz-Institut für Meereswissen- Wie steuern physikalische, chemi- schaften in Kiel und etwa halb so sche und biologische Prozesse das Literatur groß wie das Alfred-Wegener-Insti- Erdsystem, insbesondere das globa- tut für Polar- und Meeresforschung le und regionale Klima, und welche SÜNDERMANN, J., 1991: Zentrum für Meeres- und Klimaforschung der Uni- in Bremerhaven und Potsdam. Wirkungen haben die Aktivitäten versität Hamburg (ZMK). promet des Menschen? 21(3/4), 110-113. Das ZMAW kann sich auf gewachsene, spezifische Stärken und Er- Das ZMAW prägt die dazu not- Anschrift der Autoren: fahrungen stützen: wendigen nationalen und interna- Dr. Annette Kirk1 - die Verbindung von Meeres-, tionalen Programme mit, zu deren Prof. Dr. Hartmut Graßl1,2 Klima- und Umweltforschung Umsetzung es gleichermaßen durch Prof. Dr. Jürgen Sündermann3 und ihre Integration in die Erd- Forschung und Ausbildung von 1 Max-Planck-Institut für Metero- systemforschung, Nachwuchswissenschaftlern bei- logie, Bundesstraße 53 - die interdisziplinäre Schelfmeer- trägt. Die International Max Planck 20146 Hamburg forschung, Research School für Erdsystemmo- 2 Universität Hamburg - die Synthese von Geowissen- dellierung und ein Graduiertenkol- Meteorologisches Institut schaften und Sozialwissenschaf- leg der Universität Hamburg er- Bundesstraße 55 ten als Grundlage nachhaltiger möglichen es, Doktoranden und 20146 Hamburg Umweltpolitik, und junge Wissenschaftler aus aller Welt 3 Universität Hamburg - Modellentwicklungen, ihre nu- zu Themen der Erdsystemfor- Institut für Meereskunde merische Umsetzung und An- schung auf höchstem Niveau auszu- Bundesstraße 53 wendung. bilden. 20146 Hamburg 238 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 238-242 (November 2004) © Deutscher Wetterdienst 2004

G. BUDÉUS Langlebige Wirbel in der Grönlandsee Beobachtungen am nördlichen Ende des global conveyor belts

Der ozeanische so genannte global conveyor belt ist seit der Klimadiskussion allgemein bekannt. Ausführlich wurde er beispielsweise von BROECKER (1991) beschrieben. Für ihn ist in unseren Breiten kennzeichnend, dass der im Atlantik nordostwärts setzende Golfstrom in der Höhe von Neufundland seine Fortsetzung in dem Nordatlantikstrom findet, der wiederum in das Nord- meer hinein diffundiert. Irgendwo um Island geht dieser etwas diffus in einen Strom von südwärts fließendem warmen und salzreichem Tiefenwasser über (Abb. 1). Die Details dieses Übergangs nun sind in den jeweiligen Dar- stellungen jedoch durchaus verschieden. In diesem Arti- kel geht es um genau diese Stelle, nämlich um Details der Vorgänge, die in der Grönlandsee, also nördlich von Is- Abb. 1: Eine Darstellung des global conveyor belt nach BROE- land, die Umwandlung von oberflächennahem Wasser at- CKER (1991). lantischen Ursprungs in tieferes Wasser verursachen.

In den späten 80er Jahren wurden die Feldarbeiten in dieser Region kurzzeitig im internationalen Rahmen erheblich verstärkt, da die seit der Jahrhundertwende vor- herrschende Ansicht zur Tiefenwasserbildung im Grön- landseebecken endlich einmal verifiziert werden sollte (GSP GROUP 1990). Seit HELLAND-HANSEN und NANSEN (1909) im zentralen Bereich des Grönlandsee- wirbels die kältesten Bodenwassertemperaturen im gesamten arktischen Becken gefunden hatten, war klar, dass dieser Wassertyp lokal erzeugt worden sein musste. Die ungewöhnliche vertikale Homogenität der Dichte Abb. 2: Schematische Darstellung der zonalen Verteilung des ergab ein weiteres Indiz, und so war die Hypothese einer Wassermassenaufbaus in der Grönlandsee, wie er für sich in jedem Winter wiederholenden Tiefenwasserer- viele Jahrzehnte vor den 90er Jahren als gültig ange- neuerung durch atmosphärischen Antrieb naheliegend. nommen wurde. PW: Polarwasser, RAW: Rezirkulie- Hierbei reicht das vertikal homogene Tiefenwasser im rendes Atlantisches Wasser,AODW:Arktisches Tiefen- Zentrum des Grönlandseebeckens bis dicht unter die wasser, NSDW: Tiefenwasser der Norwegischen See. Meeresoberfläche (Abb. 2), so dass es im Winter vergleichsweise leicht von oben erreicht werden kann. Da im östlichen Bereich die warmen, salzreichen atlantischen Wassermassen nach Norden strömen (Golfstrom- ausläufer) und diese im Westen zurück nach Süden flie- ßen, ergibt sich eine großskalige Aufwölbung der Iso- thermen und Isopyknen im Zentrum des Beckens, näm- lich der zyklonale Grönlandsee-Wirbel.

Es wurde in den 90er Jahren jedoch schnell klar, dass die aktuell ablaufenden Prozesse der genannten Hypothese nicht entsprechen: Die seitdem regelmäßig stattfinden- den Schiffsexpeditionen, gleich ob im Winter- oder im Sommerhalbjahr stattfindend, ergaben für keines der nun fast 15 vergangenen Jahre eine atmosphärisch getriebene Ventilation des Bodenwassers. In dieser Situa- tion sind beständig steigende Temperaturen im Boden- wasser zu beobachten (Abb. 3). Die Temperaturerhö- Abb. 3: Zeitliche Entwicklung der niedrigsten, in Bodennähe hung beträgt etwa 10 mK/a, so dass sich für den Zeitraum des tiefsten Beckenbereichs gemessenen Temperatu- von 10 Jahren eine Temperaturdifferenz von 0,1 K ergibt. ren. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 G. Budéus: Langlebige Wirbel in der Grönlandsee 239

Dies ist für ein tiefes Ozeanbecken eine sehr erhebliche lagert sich im Laufe der Zeit in größere Tiefen und war Differenz, die auch zeigt, dass die oft angenommene 1994 noch in etwa 1000 m anzutreffen (BUDÉUS et al. Konstanz der hydrographischen Verhältnisse in den tie- 1998). Ein lokales Temperaturmaximum (-0,85 °C) ist mit fen Bereichen der Ozeane keineswegs zutrifft. Die Ver- dieser Schicht verbunden. Die Winterkonvektion erreicht wendung des Begriffs ,Erwärmung’ ist hier im Übrigen die Sprungschicht in vielen Jahren und ventiliert die da- vorsätzlich vermieden, da die steigenden Bodenwasser- rüber liegende Schicht (Abb. 5). Die untere Schicht bleibt temperaturen ohne eine aktuelle Wärmequelle erklärbar dagegen weitgehend isoliert von atmosphärisch verur- sind, nämlich durch Advektion wärmeren Wassers (BU- sachten Modifikationen. Diese vertikale Zweiteilung ist DÉUS et al. 1998). Dieser Temperaturanstieg ist sicher in nahezu allen Parametern erkennbar: die Bandbreite das prominenteste aktuelle Signal in den tiefen arkti- reicht von den hydrographischen Parametern über Nähr- schen Gewässern. stoffkonzentrationen und Bakterienabundanzen bis zur Verteilung von Tracern wie FCKWs oder dem 1996 Der Grund dafür, dass die winterliche Konvektion nicht künstlich eingebrachten SF-6. bis zu den Bodenwassermassen vordringt, ist in einer aus- geprägten vertikalen Zweiteilung mit einer Salzgehalts- In dem bis hierher beschriebenen background wurden und Dichtesprungschicht in heute etwa halber Tiefe nun überraschenderweise sehr kleine Gebiete gefunden, (1800 m) der Grönlandsee zu finden (Abb. 4). Im Gegen- in denen die Sprungschicht etwa 1000 m tiefer liegt als satz zum oben beschriebenen ,klassischen’ Zustand mit dort (vgl. Abb. 5). Die zunächst mit Skepsis aufgenom- großskaliger Aufwölbung beobachtet man seit den 90er menen Felddaten erwiesen sich bald als korrekt und Jahren diese Sprungschicht im gesamten Becken. Sie ver- wurden von mehreren Forschungsgruppen bestätigt (GASCARD et al. 2002, WADHAMS et al. 2002, BU- DÉUS et al. 2004, WADHAMS et al. 2004). Die zugehö- rigen Phänomene sind Wirbel, deren Durchmesser nur etwa 20 km beträgt und von denen es einige wenige in der gesamten Grönlandsee zu geben scheint.Wegen ihrer Kleinheit sind sie weder leicht zu finden, noch ist ihre Zahl einfach zu bestimmen. Man muss sich dabei vor Au- gen halten, dass ein Stationsabstand bei Feldmessungen von zum Beispiel etwa 10 nautischen Meilen (18 km) auf einem Schnitt von etwa 1000 km in der Ozeanographie vor wenigen Jahren noch als völlig außerordentlich angesehen wurde. Dazu ist ein solcher hydrographischer Schnitt durch ein Seegebiet nur schwer regelmäßig ein Abb. 4: Schematische Darstellung der zonalen Verteilung des oder zwei Mal pro Jahr durchführbar. Man ist also von Wassermassenaufbaus in der Grönlandsee, wie er für der Beobachtungsdichte, wie sie in der Meteorologie be- die 90er Jahre galt. PW: Polarwasser, RAW: Rezirkulie- steht, sehr weit entfernt. Die Entdeckung eines solchen rendes Atlantisches Wasser,AODW:Arktisches Tiefen- Wirbels ist somit eher als zufällig zu bezeichnen, und wasser, NSDW: Tiefenwasser der Norwegischen See. selbst mit einer flächendeckenden survey in einem Ras- ter von 10 nautischen Meilen konnte 2004 kein solcher Wirbel lokalisiert werden, obwohl nachfolgende Expedi- tionen dann doch erwartungsgemäß mehrere auffanden.

Die gemessene hydrographische Struktur eines Wirbels im Sommer 2002 ist in Abb. 6 dargestellt. Der Kern des Wirbels zeichnet sich durch niedrigere Salzgehalte und niedrigere Temperaturen als in der Umgebung aus. Der kalte Kern in Abb. 6a macht zunächst den Eindruck, als sei die Schicht des Temperaturmaximums durchbrochen, doch dies ist nicht der Fall (s. u. und vgl.Abb. 7c). Die Tie- fenlage der Dichte- und Salzgehaltssprungschicht ändert sich über eine Distanz von wenigen Kilometern von Abb. 5: Salzgehaltsverteilung auf einem Zonalschnitt entlang 1700 m auf etwa 2700 m. Die vertikale Homogenität im 79° N. Man erkennt deutlich die vertikale Zweiteilung Inneren des Wirbels ist so ausgeprägt, dass z. B. bezüglich im zentralen Bereich. Die beiden Exkursionen der Ha- der Temperatur die Bedingungen für ein Kalibrierbad lokline nach unten bei etwa 0° und 3° W gehören zu auf mK-level deutlich übertroffen werden. Die Dichte- zwei der hier besprochenen Wirbel. Die Tiefen der Win- schichtung weist einen Bereich mit minimalen Werten terkonvektion, wie sie sich aus einem eindimensionalen Modell ergeben, sind mit schwarzen Punkten markiert. auf, die so gering sind, dass sie auch im Bodenwasser In den Wirbeln reicht diese in größere Tiefen als in der nicht erreicht werden. Unter diesem ist das Stabilitäts- Umgebung. Die Striche am oberen Bildrand markieren maximum ausgeprägter als in der Umgebung. die einzelnen Mess-Stationen des Jahres 2001. 240 G. Budéus: Langlebige Wirbel in der Grönlandsee promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

(a) Abb. 6: Ergebnisse eines Ost-West-Schnittes über einen langlebigen Wirbel. a) Temperaturfeld, b) Salzgehaltsfeld, c) Dichtefeld (σ = ρ-1000 kg/m3), d) Stabilitätsparameter E·108 in m-1 (mit E=-(1/ρ)(dρ/dz)-(g/C2), ρ in situ Dichte und C Schallgeschwindigkeit). Die Zahlen am oberen Bild- rand markieren die einzelnen Mess-Stationen des Jahres 2002.

Da alle umliegenden Wassertypen sowohl salzreicher als auch wärmer sind, liegt es nahe, eine Entstehung des Wir- bels im Winter zu vermuten. Die Beobachtung, dass dann noch im folgenden Sommer die Eigenschaften im Wir- belkern anders als in der Umgebung sind, deutet auf ei- (b) nen ausgesprochen geringen Austausch zwischen Wirbel und Umfeld. Betrachtet man rückblickend die Summe der verfügbaren Beobachtungen, wird ein sehr kleiner Austausch mit der Umgebung durchgehend gestützt. So wurde z. B. unmittelbar nach Ausbringung des Tracers SF-6 zum Studium dessen Verteilungsmusters durch Win- terkonvektion und andere Prozesse 1996 auf einer Posi- tion das völlige Fehlen von SF-6 in der gesamten Wasser- säule gefunden (WATSON et al. 1999). Das führte zu verschiedensten Erklärungsansätzen, doch mit dem heutigen Wissensstand identifiziert man diese Station mit dem (c) Inneren eines Wirbels, in das der ausgebrachte Tracer nicht vorgedrungen ist. Auch Bakterienabundanzen sind bis in große Tiefen hoch, wo sie im Umfeld bereits deutlich abgesunken sind (Abb. 7a).

Der letzte Punkt zeigt, genauso wie die vertikale Homo- genität der hydrographischen Parameter, dass das Wirbelinnere im Winter vertikal vermischt worden sein muss. Dadurch gelangen oberflächennahe Wasservolumi- na in größere Tiefen, was auch die geringeren Salzgehal- te erklärt. Der Antrieb für eine solche vertikale Vermi- (d) schung kann nur die Atmosphäre sein, so dass an diesen Stellen auch die von der Atmosphäre in den Ozean ein-

Abb. 7: Gemessene Vertikalprofile im Wirbel (SCV) und in der Umgebung (background). a) Bakterienabundanzen, b) Temperatur- und Salzgehaltsprofil im Wirbel in 2001 und 2002, c) Vergleich der Temperaturprofilentwick- lung im Wirbel und außerhalb für 2001 und 2002. Man erkennt die Vertikalverlagerung der Struktur von 2001 auf 2002 und den Bestand des intermediären Tempera- turmaximums auch im Wirbelkern. (a) (b) (c) promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 G. Budéus: Langlebige Wirbel in der Grönlandsee 241 getragenen Stoffe bis in die großen Tiefen von 2700 m gelangen. Messungen im Winter bestätigen, dass der Kern des Wirbels, der im Sommerhalbjahr von angrenzenden Wassermassen überdeckt ist, im Winter bis zur Oberflä- che reichen kann (Abb. 8., V.PAVLOV,pers. Mitt.). In einem solchen Wirbel findet man damit die größten Kon- vektionstiefen der letzten beiden Dekaden. Dass die vertikale Verlagerung der Sprungschicht im Wesentlichen dynamisch bedingt ist, zeigt die Tatsache, dass das Tem- peraturmaximum im Wirbelkern durch die von oben an- getriebene Vermischung wohl etwas erodiert ist, aber im Wesentlichen intakt ist.

Das Geschwindigkeitsfeld eines solchen Wirbels ist im Ozean natürlich ausgesprochen schwer zu erfassen. Das Dichtefeld weist bereits darauf hin, dass ein antizyklona- Abb. 8: Temperaturfeld auf einem Schnitt durch den Wirbel im ler Wirbel vorliegen muss. Lange Zeit waren in einigen Winter (V. PAVLOV, pers. Mitt.). hundert Metern Tiefe driftende floats die einzige Quelle zur Bestimmung der Horizontalgeschwindigkeiten. Da (a) diese Drifter nicht gezielt in einem Wirbel ausgesetzt wurden, ist ihre Begegnung mit einem solchen zufällig. Die vorhandenen Beobachtungsdaten zeigen die antizyklonale Rotation und geben Information über die Rota- tionsperiode zwischen 20 und 30 h, so dass man eine relative Vorticity ξ von etwa -f/2 hat und eine Rossby-Zahl von 0,5. Sie weisen auch auf eine lange Lebensdauer eines individuellen Wirbels hin, wobei das Ende der kreis- förmigen Bewegung des floats nicht unbedingt dem Le- bensende des Wirbels entsprechen muss, da dieser auch einfach verlassen werden kann. Eine einigermaßen voll- ständige Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes (BU- DÉUS et al. 2004) gelang 2002 mit Hilfe eines schiffsge- tragenen ADCPs (Abb. 9a). Dessen Messungen reichen bis in etwa 400 m Tiefe. Wesentliche Eigenschaften sind danach, dass im Wirbelkern die Horizontalgeschwindig- keit etwa linear mit dem Radius wächst und eine in der (b) Hauptsache rotationssymmetrische Strömung vorliegt. Der lineare Zusammenhang zwischen Radius und Ge- schwindigkeit gilt bis zu fast 10 km Radius (Abb. 10), weiter außerhalb wird die Rotationsperiode größer. Es ist bemerkenswert, in welch hohem Maße die Verhältnisse einer Festkörperrotation im Wirbelinneren approximiert sind. Verlängert man die direkten Strömungsmessungen mit Hilfe der Geostrophie in größere Tiefen, wobei die ADCP-Messungen als Referenzpunkte dienen, ergibt sich ein Strömungsmaximum in etwa 2000 m Tiefe (Abb. 9b). Die Rotationsgeschwindigkeiten ergeben sich dort zu Werten, die den Drifterbeobachtungen vergleichbar sind. Es ist dabei klar, dass die Stationsabstände der hydrographischen Messungen den Skalen des Phäno- mens nicht wirklich angemessen sind, doch Zeitprobleme bestimmen stets die Arbeit auf See.

Die tatsächliche Lebensdauer eines individuellen Wir- bels ist Gegenstand der aktuellen Diskussion. Das we- Abb. 9: a) Geschwindigkeitsmessungen mit einem schiffsgebun- sentliche Problem, nämlich die Identifikation eines Wir- denen ADCP (acoustic Doppler current profiler) in der Schicht zwischen 150 und 200 m. Es handelt sich um bels, ist nach wie vor ungelöst. Die Verfolgung der Eigen- Mittel über etwa 2 h. Der Punkt etwas nordöstlich von schaftsänderungen, besonders im Vergleich zur Umge- 75° N und 0,8° W repräsentiert eine Messung. b) Ge- bung, liefert natürlich Indizien, doch keinen Beleg. Ver- schwindigkeitsfeld aus der Geostrophie, unter Verwen- schiedene Versuche, Drifter zur Markierung zu benutzen, dung der ADCP-Messungen als Absolutreferenz. 242 G. Budéus: Langlebige Wirbel in der Grönlandsee promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Konvektionstiefe im Grönlandseebecken in der letzten Dekade kontinuierlich absinkt (etwa 100 m/a), kann dies, entsprechende Lebensdauer vorausgesetzt, bei der geringen verbliebenen Distanz zum Meeresboden in wenigen Jahren der Fall sein.

Literatur

ARMI, L., D. HEBERT, N. OAKEY, J. F. PRICE, P. L. RI- CHARDSON, H. T. ROSSBY, B. RUDDIK, 1989: Two years in the life of a Mediterranean Salt Lens, J. Phy. Oc. 19, 354-370. BROECKER, W. S., 1991: The great ocean conveyor, Oceanogra- phy 4(2), 79-89. BUDÉUS, G., W. SCHNEIDER, G. KRAUSE, 1998: Winter convective events and bottom water warming in the Greenland Sea, J. Geophys. Res. 103 (C9), 18513-18527. Abb. 10: Absolutgeschwindigkeiten (ADCP) gegen Radius. Die BUDÉUS, G., B. CISEWSKI, S. RONSKI, D. DIETRICH, M.WEI- Bewegung im Wirbelinneren ist in hohem Maße einer TERE, 2004: Structure and effects of a long lived vortex in the Festkörperrotation angenähert. Greenland Sea. Geophys. Res. Let. 31, doi 10.1029/2003GL 017983. führten nur zu befristetem Erfolg: Nach einigen Monaten wurde der Wirbel meist verlassen. Erst von 2003 nach GASCARD, J.-C.,A. J.WATSON, M.-J. MESSIAS, K.A. OLSSON, 2004 gelang es, durch ,Impfung’ des Wirbels mit gleich T. JOHANNESSEN, K. SIMONSEN, 2002: Long-lived vortices as a mode of deep ventilation in the Greenland Sea, Nature 416, sechs Driftern dessen einjährigen Bestand direkt nachzu- 525-527. weisen (GASCARD, J. C., pers. Mitt.). Es ist jedoch be- GSP GROUP, 1990: Greenland Sea Project - A Venture Toward kannt, dass ähnliche Phänomene im Atlantik, die in den Improved Understanding of the Oceans' Role in Climate, EOS 80er Jahren mit großem Aufwand und Mehrschiffsopera- 71 24, 754-755. tionen verfolgt wurden, mehrere Jahre überdauerten HEDSTROM, K., L. ARMI, 1988: An experimental study of ho- (ARMI et al. 1989, RICHARDSON et al. 1989). Hier mogeneous lenses in a stratified fluid, J. Fluid Mech. 191, 535-556. handelte es sich um in mittleren Tiefen ausströmendes Wasser aus dem europäischen Mittelmeer, so dass diese HELLAND-HANSEN, B., F. NANSEN, 1909: The Norwegian Sea: Its physical oceanography based upon the Norwegian researches Wirbel, ohne weiteren Antrieb zu erfahren, sehr langsam 1900-1904, Rep. Norw. Fish. Mar. Ivest. 2(1). abklangen. In den hohen Breiten der Grönlandsee ist es MCWILLIAMS, J. C., 1985: Submesoscale, Coherent Vortices in jedoch möglich, die vertikale Homogenität mehrfach in the Ocean, Rev. Geophys. 23, 165-182. verschiedenen Wintern und damit den ursprünglichen Zustand wiederherzustellen. Eine von mehreren Autoren MCWILLIAMS, J. C., 1988: Vortex generation through balanced adjustment, J. Phy. Oc. 18, 1178-1192. angenommene vieljährige Lebensdauer ist daher für die Grönlandsee plausibel. RICHARDSON, P. L., D. WALSH, L. ARMI, M. SCHRÖDER, J. F. PRICE, 1989: Tracking three meddies with SOFAR floats, J. Phy. Oc. 19 (3), 371-383. Die wichtige Frage der Entstehung solcher Wirbel am nördlichen Ende des conveyor belts ist bisher nicht ge- WADHAMS, P., J. HOLFORT, E. HANSEN, J. P. WILKINSON, 2002: A deep convective chimney in the winter Greenland Sea. klärt. Ob sie als überdauerndes Produkt großflächig wir- Geophys. Res. Let. 29 (10), 76-1 - 76-4. kender vorhergehender Konvektion anzusehen sind oder vorkonditionierte kleinere Wirbel sind, die in einem Win- WADHAMS, P.,G. BUDÉUS, J. P.WILKINSON, T. LØYNING, V. PAVLOV, 2004: The multi-year development of long-lived con- ter in besonderem Maße homogenisiert werden, ist un- vective chimneys in the Greenland Sea. Geophys. Res. Let. 31, doi bekannt. Ihr Charakter entspricht den sogenannten 10.1029/2003GL019017. SCVs (submesoscale coherent vortex), welche Einschlüs- WATSON, A. J., M.-J. MESSIAS, E. FOGELQVIST, K. A. VAN se von vertikal homogeneren Volumina in stärker ge- SCOY, T. JOHANNESSEN, K. I. C. OLIVER, D. P. STEVENS, schichteter Umgebung sind (MCWILLIAMS 1985 und F. REY, T. TANHUA, K. A. OLSSON, F. CARSE, K. SIMON- 1988). Die große Tiefe, bis zu der atmosphärisch beein- SEN, J. R. LEDWELL , E. JANSEN, D. J. COOPER, J. A. flusstes Wasser vordringt, lassen sie zwar als (kalte) hot KRUEPKE, E. GUILYARDI, 1999: Mixing and convection in spots der Winterkonvektion erscheinen, ihre lange Le- the Greenland sea from a tracer release. Nature 401, 902-904. bensdauer und ihr geringer Austausch mit der Umge- bung relativieren jedoch die aktuelle Bedeutung bei ei- Anschrift des Autors: ner arktisweiten Betrachtung. Dies wird sich ändern, wenn sie zusammenbrechen, denn nirgendwo befindet Dr. Gereon Budéus sich oberflächenbeeinflusstes Wasser in größerer Tiefe. In Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung ausführlichen Laborexperimenten wurde auch gezeigt, Postfach 12 01 61 dass die Kollision des Kerns mit dem Ozeanboden zum 27515 Bremerhaven Kollaps führt (HEDSTROM und ARMI 1988). Da die E-Mail: [email protected] promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 243-245 (November 2004) 243 © Deutscher Wetterdienst 2004

J. JANSEN Tropische(?) Zyklone über dem Südatlantik

Am 25. März 2004 wurde man auf ein Sturmtief im man ab dem 27. März 12 UTC die Bezeichnung Südatlantik aufmerksam, das sich auf die brasilianische „außertropische Zyklone mit tropischer Charakteris- Küste zu bewegte. Dieses Tief hatte sich am 19./20. im tik“ (VIS-Aufnahme in Abb. 2). In der Nacht vom 27. Bereich Paranagua/Florianopolis aus einer baroklinen auf den 28. erreichte der Sturm mit seinem Zentrum Welle entwickelt und war dann in östliche Richtung die Küste in der Grenzregion der beiden brasiliani- gezogen. Am 22. löste es sich von der Höhenströmung schen Bundesstaaten Santa Catarina und Rio Grande (Cut-Off Prozess). Die Zugbahn ist in Abb. 1 darge- do Sul (IR-Aufnahme in Abb. 3). Das NHC bestimmte stellt. Bereits am 26. stufte das U.S. National Hurricane die Windgeschwindigkeit mit 65 - 70 kn (10 Min-Mittel: Center (NHC) in Miami/FL diese Zyklone nicht nur 57 - 61 kn), der brasilianische Wetterdienst dagegen als tropisch ein, was für den Südatlantik allein schon mit 43 - 48 kn. Ein QuikScat-Bild2 vom 27. um 21.15 außergewöhnlich ist, sondern sogar als Hurricane der UTC zeigt eine höchste Windgeschwindigkeit von Kategorie 1 (64 - 82 kn auf der Saffir-Simpson Skala1). 55 kn. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass in den Über- wachungszentren der USA bei Angabe der Windge- schwindigkeiten das 1 Min-Mittel üblich ist. Der Um- rechnungsfaktor zum 10 Min-Mittel, wie es von anderen nationalen Diensten verwendet wird, ist laut WMO-Reglement 0,871. Das 1 Min-Mittel von 64 kn entspräche dann 56 kn im 10 Min-Mittel.

Der brasilianische Wetterdienst sprach dagegen von einer außertropischen Zyklone mit kaltem Kern, wie sie gewöhnlich über kaltem Wasser entsteht. Ferner ermittelten die dortigen Kollegen eine weit geringere Windgeschwindigkeit von nur 43 kn. In den Seewetter- berichten des Centro de Hidrografia da Marinha fand

Abb. 2: VIS-Aufnahme des Satelliten GOES-12 vom 27.03.2004, 11:09 UTC aus http://www.typhoon2000.ph/ aldonca2.jpg.

Abb.1: Mittlere Wassertemperaturen für den 27. März aus Mo- dellrechnungen (HRM/CHM; http://www.mar.mil.br/ chm/meteo/prev/tsm/tsming.htm). Eingetragen sind ferner die Messungen der Wassertemperaturen von Abb. 3: Infrarotaufnahme des Satelliten GOES-12 vom Schiffen (S) und Bojen (B) aus dieser Zeit sowie die 28.03.2004, 01:09 UTC aus http://www.weather.org.hk/ Zugbahn von 1-T Alpha in der Zeit 22.03. - 29.03.2004. aldonca.htm.

1 veröffentlicht in http://www.nhc.noaa.gov/aboutsshs.shtml 2 veröffentlicht in www.drdisk.com.hk/aldonca.htm 244 J. Jansen: Tropische(?) Zyklone über dem Südatlantik promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Roger Edson von der University of Guam gab dem der Zuggeschwindigkeit sowie der Stärke des Windfel- Sturm den Namen „Aldonça“, ein veralteter portugie- des ab. Es gibt Fälle, in denen die SST niedriger als der sischer Frauenname, der soviel wie „süß“ bedeutet. In genannte Wert ist. In diesem Fall ist der Entstehungs- den brasilianischen Medien gebrauchte man den Na- prozess jedoch noch nicht eindeutig geklärt. men „Catarina“, da die Zyklone auf den Bundesstaat Santa Catarina zusteuerte. Die meisten amtlichen Stel- In der Passatwindzone südlich von der ITZ gibt es da- len wie die Defesa Civil do Rio Grande do Sul spra- gegen kaum Easterly Waves, aus denen tropische Zy- chen von „1-T Alpha“. Dieser Name soll auch im Wei- klonen entstehen können. Auch ist die Windgeschwin- teren verwendet werden. digkeit südlich der ITZ in der höheren Troposphäre im Durchschnitt um mehr als 30 km/h höher als an der Da aus dem Bereich der Zugbahn von 1-T Alpha kei- Meeresoberfläche. Diese vertikale Windscherung ne Schiffsmeldungen vorliegen und Brasilien im hemmt den Entwicklungsprozess von tropischen Zy- Gegensatz zu den USA keine für die Aufklärung von klonen spätestens im Stadium einer Depression. tropischen Wirbelstürmen ausgerüsteten Flugzeuge besitzt, ist die Bewertung, ob es sich bei 1-T Alpha um Für die Umwandlung einer subtropischen in eine tro- eine tropische oder außertropische Zyklone handelte, pische Zyklone muss großräumig ein Mechanismus schwierig. zum Transport von Wärmeenergie von den unteren in die oberen Schichten der Troposphäre in Gang ge- Zur besseren Einschätzung werden kurz einige Hin- bracht werden.Auch hierzu ist eine Verdunstungsober- weise dazu gegeben, wann und wo mit dem Entstehen fläche mit ausreichend hoher Wassertemperatur not- tropischer Zyklonen zu rechnen ist. Die Entstehung wendig. Durch starke Konvektion wird wiederum ge- tropischer Zyklonen ist an die Lage der Innertropi- nügend latente Wärmeenergie frei, die für den Ener- schen Konvergenzzone (ITZ) gebunden. Über dem giehaushalt der tropischen Zyklone zur Verfügung Atlantik liegt sie in der Regel im Bereich des Äquators steht. oder hart nördlich davon. Begünstigend für die Entste- hung tropischer Zyklonen sind: Mit seinem Zentrum bewegte sich 1-T Alpha über eine Wasseroberfläche mit nur etwa 24 °C (siehe Abb. 1). • eine geringe vertikale Windscherung, Die flächenhafte Verteilung der SST in der Abb. 1 • eine wirksame Corioliskraft und wurde Modellrechnungen3 entnommen. Zusätzlich • eine Wasseroberfläche, die weiträumig eine Tempe- sind Messungen von Driftbojen und Schiffen aus die- ratur (SST) von mindestens 26,5 °C aufweist. ser Zeit in dem betreffenden Seegebiet eingetragen. Bei Zufuhr von feuchtwarmer Luft hat sich in der Zy- Wichtig für das Überleben von Wirbelstürmen ist aber klone trotz kalten Wassers in den mittleren und oberen auch, dass die SST von mindestens 26,5 °C nicht nur Schichten ein warmer Kern gebildet, erkennbar in auf die dünne Oberflächenschicht begrenzt ist, da die Abb. 4 an den dunkelblauen Farben. 1-T Alpha zeigte winderzeugten Wellen das Wasser vertikal durchmi- zudem eine gut strukturierte Konvektion mit ausge- schen. Wie mächtig die Schicht sein muss, hängt von prägtem Auge. Ein QuikScat-Bild unter http://winds. jpl.nasa.gov/publications/AtlanticHurricane.cfm gibt die Windverhältnisse in der Nacht zum 27. März wieder.

Es gibt leider für die verschiedenen WMO-Regionen keine einheitliche Definition einer tropischen Zyklo- ne. So bezeichnen die Meteorologen im NHC ein Sys- tem mit warmen Kern und antizyklonaler Ausströ- mung in der Höhe, wenn es nicht frontal ist und eine strukturierte Konvektion aufweist, als tropisch. Man beachte „Ana“ im April(!) 2003 über den Nordatlan- tik: Messungen von Driftbojen im betreffenden Seege- biet ergaben Wassertemperaturen von 23,0 - 23,5 °C. Auch ihre Entstehungsgeschichte begann als außertro- pisches Tief. Nach der Umwandlung zum subtropischen Sturm erhielt sie bereits einen Namen. Danach wurde sie vom NHC allein aufgrund von Satelliten- analysen (AMSU4) und einer Schiffsmeldung als tropi-

3 http://www.mar.mil.br/chm/meteo/prev/tsm/tsming.htm Abb. 4: Infrarotaufnahme des Satelliten METEO-7 vom 26.03.2004, 20:30 UTC aus: http://ww.nrlmry.navy.mil/ 4 Advanced Microwave Sounder Unit; Querschnittsanalyse der sat_products.html. Temperatur innerhalb einer Zyklone promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 J. Jansen: Tropische(?) Zyklone über dem Südatlantik 245 scher Sturm eingestuft. Aufklärungsflugzeuge kamen scheinend in niedrigen und mittleren Höhen den sich nicht zum Einsatz. verstärkenden Temperaturgradienten zwischen einem warmen Hoch über Land südwestlich von ihm und ei- Im westlichen Nordatlantik erstreckt sich der Bereich nem Kältetief (insbesondere kalt zwischen 700 und 500 mit einer SST von 26 °C entlang des Golfstroms bis hPa) nordöstlich des Zentrums ab. Der Ballonaufstieg zum 40. Breitengrad. Hier können Hurricanes ihre In- am 28. um 00 UTC von Porto Allegre untermauerte tensität auch außerhalb der Tropen beibehalten. Bei diese Vermutung. Die 850-500 hPa-Scherung bei Porto Systemen baroklinen Ursprungs, die sich über demsel- Alegre betrug zu diesem Zeitpunkt 20 kn. J. Callaghan ben Seegebiet formen und, wenn auch nicht alle, Ei- machte darauf aufmerksam, dass fast alle Systeme genschaften einer tropischen Zyklone erkennbar wer- (tropische und sub-/außertropische) im Vorhersagebe- den, entscheiden die Kollegen im NHC, das System als reich von Brisbane solch einen Temperaturgradienten „tropisch“ einzustufen: Wohl auch, um keine Konfu- abbauen, dass aber bei den tropischen Zyklonen die sion in den öffentlichen Warnungen zu erzeugen. vertikale Neigung und die Scherung viel schwächer ist. Seiner Meinung nach handelte es sich bei 1-T Alpha Einwände, ein System baroklinen Ursprungs, das sich um ein Hybrid-System. Operationell würde er es aller- über Wasserflächen mit einer Temperatur weit unter- dings als tropische Zyklone bezeichnen. halb des Schwellenwertes entwickelt, als „tropische“ Zyklone zu bezeichnen, kommen vor allem von Mitar- Der Diskussionsbeitrag von J. Callaghan stützt auch beitern des australischen Wetterdienstes. Sie erleben unsere Auffassung, dass es sich bei 1-T Alpha um einen entlang der Ostküste das ganze Spektrum von schwe- Hybridtypus gehandelt hat; d. h. einen Sturm, der in ren tropischen Zyklonen bis zu heftigen außertropi- seiner Struktur tropische wie auch subtropische Merk- schen Stürmen, wobei sich subtropische Stürme und male aufwies. Mithin läßt sich feststellen, dass die Ein- Hybride (subtropische Tiefs mit tropischen Eigen- schätzung der Brasilianer nicht falsch ist, sieht man da- schaften) auch innerhalb der tropischen Zone entwi- von ab, dass sie anscheinend in den Bulletins nicht zwi- ckeln. So lieferte J. Callaghan einen interessanten Dis- schen subtropisch und außertropisch unterscheiden5. kussionsbeitrag unter www.bom.gov.au/bmrc/clfor/ cfstaff/jmb/04Mar30a.htm, der hier auszugsweise wiedergegeben wird. Basis seines Beitrages sind die nu- Literatur merischen Analysen des UKMO. HIRSCHBERG, P.A.; J. M. FRITSCH, 1991: Tropopause Undu- Das UKMO-Modell ließ am 22.03.2004 das Tief als lations and the Development of Extratropical Cyclones, Part 200 hPa Wärme-Anomalie stromabwärts in einer Tro- II: Diagnostic Analysis and Conceptual Model. Monthly Weather Review 119, 518-550. popausen-Schwingung entstehen, siehe hierzu auch Abb. 25 Teilbild I in HIRSCHBERG und FRITSCH (1991). Diese Schwingung schwächte sich anschließend ab mit dem Ergebnis, dass das Tief am 24. März Anschrift des Autors: 12 UTC eine nahezu senkrechte Achse mit einer schwachen zyklonalen Zirkulation in der 200 hPa-Flä- Josias Jansen che hatte. Dabei lag es in einem kalten Trog zwischen Deutscher Wetterdienst 700 und 500 hPa. Vom 25. bis zum 26. 12 UTC näherte GB Klima und Umwelt sich dem Tief von Westen her eine neue Tropopausen- Abt. Klimaüberwachung Schwingung, die zu einer Intensivierung des Tiefs führ- Postfach 30 11 90 te. Dieser neue Prozess brachte wärmere Luft ober- 20304 Hamburg halb des Systems in der 200 hPa-Fläche, aber ohne die E-Mail: [email protected] starke 200 hPa-Warmluftadvektion, mit der die frühe- re intensive außertropische Entwicklung verbunden war.

Gerade diese Prozesse, wie von dem Hirschberg und Fritsch-Modell beschrieben, führen vor Australien zu intensiven außertropischen Entwicklungen. Betrach- ten wir nunmehr die tropischen Systeme selbst, so ist in diesem Falle die Warmluftadvektion in der Höhe nicht zwingend erforderlich. Vermutlich führt überwiegend Konvektion zu einer Erwärmung in den oberen Schichten, was letztendlich für den Druckfall am Bo- den notwendig ist. Ab dem 28. baute 1-T Alpha an-

5 siehe http://www.defesacivil.rs.gov.br/cumunicacao/noticia_ view_html 246 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 246-253 (November 2004) © Deutscher Wetterdienst 2004

C. LEFEBVRE Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres im Allgemeinen und 2002 zur Zeit der Durchsegelung der Nordostpassage von Arved Fuchs

In der Zeit von Ende Juli bis zum Ende der 1. Septem- teilung der weltweiten Schiffsdaten von Juli bis Okto- berwoche 2002 gelang dem Abenteurer Arved Fuchs ber 2002, die dem Deutschen Wetterdienst zugemeldet und seiner Crew auf der ,Dagmar Aaen’, einem gaffel- wurden. Deutlich erkennbar ist die Fahrtroute der getakelten Holzkutter (Abb. 1), nach zwei vergeb- ‚Dagmar Aaen’ entlang der sibirischen Küste. lichen Versuchen die erfolgreiche Durchsegelung des Nördlichen Seeweges von Murmansk im Norden der Im Gegensatz zu den im Mittel der Jahre sehr schwie- Halbinsel Kola bis Providenija im Süden der Bering- rigen Eisverhältnissen am Rande des Nordpolarmee- straße (siehe Abb. 2). res, die im Folgenden beschrieben werden, traf die Ex- pedition im Jahre 2002 auf eine ungewöhnlich geringe Auf ihrer Reise wurde die Crew mit täglichen meteo- Eisbedeckung. Sie gibt Anlass zu der Frage, ob sich die rologischen Beratungen vom Deutschen Wetterdienst arktischen Meereisverhältnisse gegenwärtig verän- unterstützt, die nicht nur die zu erwartenden Winde dern. Eine Eisabnahme kann als Anzeichen einer Kli- auf dem jeweiligen Streckenabschnitt, sondern auch maerwärmung angesehen werden, da nach Modell- Informationen über das Wetter (Sicht, Niederschläge, rechnungen die Zunahme an Treibhausgasen (insbe-

Temperatur), den Seegang und die Eisdrift umfassten. sondere CO2) eine Temperaturzunahme bewirkt,die in Bei kritischen Wetterlagen erhielt die Schiffsführung der Arktis am größten ist und dort 5 K übersteigen zusätzliche Empfehlungen wie aus meteorologischer kann (IPCC 2001). Sicht sich anbietende Ausweichrouten und ggf. Reiseunterbrechungen. Als Gegenleistung setzte sie 3-stündlich Wettermeldungen ab, die über Satellit in das die Welt umspannende GTS (Global Telecommunication System) eingespeist und international verbreitet wurden. Die Daten werden - wie alle weltweit erhobenen Schiffswettermeldungen - in den Archiven des Deutschen Wetterdienstes Abb. 2: Der Seeweg der ,Dagmer Aaen’ im Sommer 2002 (http://www.national- gepflegt. Abb. 3 zeigt die räumliche Ver- geographic.de/php/entdecken/arved_fuchs/tagebuch_11_09.htm).

Abb. 3: Beim DWD-Hamburg eingegangene Schiffswettermeldungen der Mona- Abb. 1: Die ,Dagmer Aaen’ (aus FUCHS 2003). te Juli bis Oktober 2002. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres 247

Die mittleren sommerlichen Eisverhältnisse in den rend in der Laptewsee und der Tschuktschensee in arktischen Randmeeren Russlands günstigen, d. h. warmen Jahren, das Eis im September völlig, in der Karasee bis auf einen Bedeckungsgrad In der Arktis werden die mittleren Eisverhältnisse von 10 % abschmilzt, beträgt die geringste Eisbede- durch das permanente Hochdruckgebiet über der ckung in der Ostsibirischen See im September immer Beaufortsee (Seegebiet nördlich von Alaska) be- noch 30 %. stimmt, das hier eine antizyklonale Eisbewegung, den sog. Beaufortwirbel und den sog. Transpolaren Drift- Eine differenziertere Betrachtung gibt Abb. 7, in der strom, antreibt (siehe Abb. 4). Der Beaufortwirbel be- die mittlere Ausdehnung mit dichtem und sehr dich- wegt das Eis in die Ostsibirische See. Mit dem Trans- tem Eis – das ist Eis mit einem Bedeckungsgrad von polaren Driftstrom erfolgt der Haupttransport an Eis 7-10 Zehntel – dargelegt wird. Ihr kann entnommen aus der Kara- und Laptewsee durch die etwa 1000 m werden, dass die Grenzen für dichtes und sehr dichtes tiefe Framstraße (zwischen Grönland und Spitzber- Eis deutlich nördlicher liegen als die mittlere Packeis- gen) in den Nordatlantik. Er liegt im Jahresmittel bei grenze, und dass in der bereits erwähnten Wilkitzki- mindestens 900 000 km² (RIGOR et al. 2002). straße zwischen der Taimyr-Halbinsel und Sewernaja Zemlja der Bedeckungsgrad des Eises im Laufe des Ju- Einen ersten Überblick über die in den Sommermona- li normalerweise auf Werte unter 7 Zehntel zurück- ten zu erwartenden Eisverhältnisse in den russischen geht, was die Chancen für eine Passage erhöht. Gewässern des Nordpolarmeeres gibt Abb. 5, in der die mittlere Packeisgrenze für die Monate Juli bis Sep- tember eingetragen ist. Aus ihr lässt sich der im Som- mer zunehmende Rückzug der Eisgrenze von den Küs- ten ersehen. Deutlich ist auch der Einfluss der in die Randmeere strömenden großen Flusssysteme zu erkennen. So ist in der Karasee der Raum zwischen den Halbinseln Jamal und Taimyr, in den u. a. die Flüsse Ob, Tar und Jenesseij münden, bereits im Juli eisfrei. Ebenso verhält es sich in der Laptewsee im Bereich des Lenadeltas und in der Tschuktschensee nördlich der Beringstraße. Andererseits gibt es Gebiete, wie im Nordosten der Taimyr-Halbinsel, und hier insbesonde- Abb. 5: Die mittlere Packeisgrenze in den Monaten Juni bis re die Wilkitzkistraße, in denen im Mittel der Jahre die September (aus: Seehandbuch 1995). Eisgrenze auch noch im September an das Festland heranreicht.

Dass es in Einzeljahren markante Unterschiede gibt, vermittelt Abb. 6, die für die einzelnen arktischen Randmeere den mittleren Jahresgang der maximalen, mittleren und minimalen Eisbedeckung enthält. Wäh-

Abb. 6: Der Jahresgang des maximalen (1), mittleren (2) und Abb. 4: Die mittlere jährliche Meereisbewegung in der Arktis minimalen (3) Eisbedeckungsgrades (aus: Seehand- (aus: HIBLER III 1989). buch 1995). 248 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Welche Eisverhältnisse auf den Schifffahrtsrouten an- Der Eisrückgang erfolgt von Polynjen aus, die fast im- getroffen werden, hängt entscheidend auch von den mer an den gleichen Orten liegen. Mit Polynja wird eine Windverhältnissen ab.Wie Abb. 8 zeigt, kann durch die offene Wasserstelle im Eis bezeichnet. Weitere Einzel- Schubwirkung des Windes aus nordwestlichen bis heiten dazu siehe HARMS et al. (2004). In den russi- nordöstlichen Richtungen Treibeis Richtung Küste schen Gewässern des Nordpolarmeeres befinden sich und damit in die Seewege verdriften oder zu einer Ver- diese Polynjen vor allem vor den Mündungsgebieten dichtung des dort bereits lagernden Treibeises führen. der sibirischen Ströme, einige aber auch im freien Meer.

Die Eisverhältnisse in den russischen Seegebieten wer- Neben der Lage der Polynjen sind die Zentren starker den in der warmen Jahreszeit durch das sehr differen- Vereisung für die regionale Eislage entscheidend. zierte Abschmelzen unterschiedlich kompakter Eisde- Treibeis mit einem Bedeckungsgrad von 7-10 Zehnteln cken bestimmt. Nach vorangegangenen strengen Win- und großer Mächtigkeit oder in Verbindung mit Pack- tern mit dickeren Eisschichten können sich die Tau- eis konzentriert sich gewöhnlich an 9 Stellen und kann vorgänge über einen längeren Zeitraum erstrecken dort große Eismassive bilden, die üblicherweise nach und/oder zu einem vermehrten Auftreten von Treibeis ihrer geographischen Lage benannt werden (Abb. 9). führen. Jedes einzelne Eismassiv weist dabei noch verschiedene Ausprägungen und differenzierte Lagen auf, die für die Befahrbarkeit der Küstengewässer in den Som- mermonaten entscheidend sein können. So wird im Bereich der Taimyr-Halbinsel, deren Eisverhältnisse zu den schwierigsten auf der Nordroute zählen, zwischen zwei Varianten unterschieden. Relativ günstige Bedin- gungen bestehen, wenn die Eismassive ,Nördliche Ka- rasee’ (Nr. 2 in Abb. 9) und ,Sewernaja Zemlja’ (Nr. 3 in Abb. 9) voneinander getrennt sind (,leichte’ Varian- te). Dann schmilzt die geschlossene Eisdecke gewöhn- lich in der ersten Augusthälfte. Bilden beide Massive eine Einheit (,schwere’ Variante), bricht die geschlos- Abb. 7: Mittlere Ausdehnung von Eis mit einem Bedeckungs- sene Eisdecke erst Ende August/Anfang September grad von 7-10 Zehntel in den Monaten Juli bis Septem- auf. Im Mittel der Jahre sind bis Ende September die ber (aus: Seehandbuch 1995). Küsten der Taimyr-Halbinsel mit einer Wahrschein- lichkeit von 80-90 % von einer geschlossenen Eisdecke befreit, wobei die Wilkitzkistraße, die Meeresenge zwischen dem Festland und Sewernaja Zemlja, Tausch- platz von Eismassen aus der Kara- und Laptewsee bleibt. In einzelnen Jahren kann das Eis den Küsten- bereich jedoch den ganzen Sommer über blockieren. In der Ostsibirischen See prägt die Lage des Ayon- Massivs (Nr. 7 in Abb. 9) die Eisverhältnisse in der Longa-Passage, die zur Tschuktschensee führt, entscheidend. Hat es eine zentrale Lage, werden die Zu- fahrten und die Passage eisfrei. Die für die Schifffahrt schwierigste Situation besteht, wenn das Ayon-Massiv mit dem Eismassiv der Wrangel-Insel (Nr. 8 in Abb. 9) Abb. 8: Schubwirkung des Windes in den Monaten Juli bis Sep- verbunden ist und dichtes Eis die Longa-Straße und die tember (aus: Seehandbuch 1995). Küste entlang der Tschuktschen-Halbinsel blockiert.

Die Wetter- und Eisverhältnisse entlang der Nordostpassage angetroffen von Arved Fuchs

Am 27. Juli 2002 verließ das Expeditionsschiff, die ,Dagmar Aaen’, die Hafenstadt Murmansk und setzte von nun an regelmäßig Wettermeldungen ab (Abb. 10 a und b). Auf der Reise nach Osten gingen in der Ba- rentssee die Wasseroberflächentemperaturen, die am Auslauftag noch bei 12 °C lagen, stetig zurück und do- kumentierten damit den rapide schwindenden Einfluss der Ausläufer der warmen Nordatlantischen Strö- Abb. 9: Lage wichtiger Packeis-Massive und ihrer Namen (aus: mung. Am 30. und 31. zog ein Tief mit einem Kern- Seehandbuch 1995). druck von 990 hPa über die Barentssee hinweg. Nach promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres 249

(a) resströmungen bestimmen, sondern auch die dort einmündenden Flüsse. Vor Dickson, an der Mündung des Je- nissej, war die Wassertemperatur um 3,2 K höher als bei der Messung 3 Stun- den zuvor. Da das Schiff danach in Küs- tennähe segelte, hielt der Zufluss zahl- Temperatur in °C Temperatur reicher Flüsse die Werte bis zum Nord- enskjöld Archipel, das die ,Dagmar

Länge Aaen’ in der Nacht zum 11. August er- (b) reichte, auf mehr als 7 °C.

Östlich dieser Inselgruppe geriet die Expeditionscrew bei einem meist schwachen nordöstlichen bis östlichen

Windrichtung Wind in rasch dichter werdende Treib-

Windgeschwindikeit in kn Windgeschwindikeit eisfelder, in denen die Wassertempera- tur bis auf -0,9 °C absank. Mit Annähe- Länge rung an das Kap Tscheljuskin, dem Abb. 10: Verlauf meteorologischer Parameter während der Nordostpassage der nördlichsten Punkt Eurasiens ,Dagmer Aaen’, (a) Luft- und Wassertemperatur, (b) Windrichtung und -ge- (77° 43’ N, 104° 18’ E) wurden am 12. schwindigkeit. um 3 UTC auch einzelne Eisberge (Growler) gemeldet. Bei einem schwa- der Kaltfrontpassage blies ein starker Nordwestwind, chen nordöstlichen Wind konnte das Kap – anders als der am Abend des 30. Windstärke 8 Bft erreichte und 1992, als die Reise hier, in der für schwierige Eisver- Wellen von 3-4 m Höhe erzeugte. Der Sturm flaute erst hältnisse bekannten Wilkitzki-Straße, im dichten Pack- am Nachmittag des Folgetages wieder ab. Durch die eis scheiterte – dicht unter der Küste der Taimyr-Halb- verstärkte Wasserdurchmischung sanken die Wasser- insel umrundet werden. Neben dichten Treibeisfeldern temperaturen auf 6-7 °C ab. gab es in diesem Jahr genügend offenes Wasser, wobei die Sicht durch Nebel allerdings zeitweise so gering Die Oberflächenströmung ist in der Barentssee war, dass keine Eisbeobachtungen erfolgen konnten. schwach und unbeständig und wird im relativ flachen Bereich südlich von 70° N und östlich von 40° E von Die Passage in die Laptewsee und damit eine der risi- den Gezeitenströmen dominiert. So fällt vom 31. Juli koreichsten Abschnitte war geglückt, und mit zuneh- 12 UTC an ein 12-Stunden-Rhythmus in der Wasser- mender Nähe zum Delta der Lena wurde das Gewäs- temperatur auf. Vermutlich fließt bei Ebbe das mit ser nun wieder deutlich wärmer. Vor Tiksi stieg die dem wärmeren Süßwasser der Flüsse vermischte Wassertemperatur bis auf 10,2 °C an, wobei nun unter Meerwasser ab. In der Petschorasee (Wassertiefe kräftigem Hochdruckeinfluss (bis 1038 hPa) auch ver- < 50 m) macht sich dann der wasserreiche Abfluss der gleichsweise milde Lufttemperaturen um 9 °C bei ei- Petschora bemerkbar: Die Wassertemperatur stieg bin- nem mäßigen Südostwind vorherrschten. Nach einem nen 6 Stunden um 1,5 K an. Der nachfolgende Tempe- Aufenthalt vor Tiksi konnten dann am 23. August in ratursturz am 1. August zwischen 15 und 18 UTC bei der nachfolgenden Buorkhaya-Bucht mit 10,5 °C die einem recht beständigen Wind aus W bis NW ging ein- höchsten Lufttemperaturen seit dem Verlassen der Ba- her mit der Einfahrt in die Karasee. Um Mitternacht rentssee gemessen werden. Zwischen einem Hoch wurden dann bereits die ersten Treibeisfelder gemel- über Skandinavien, das einen Keil bis in die westliche det. Das Schiff durchsegelte in den kommenden Stun- Laptewsee geschoben hatte, und tiefem Luftdruck den mitteldickes und dickes einjähriges Eis, wobei die über der Ostsibirischen See geriet das Schiff nun in ei- Lufttemperaturen bis auf 1 °C und die Wassertempe- nen stürmischen Nordwest- bis Nordwind, der zeit- raturen bis auf Gefrierpunktnähe zurückgingen. Von weise mit Windstärke 7 Bft blies. Ohne die Sichtung den Mittagsstunden des 2. August an nahmen dann so- von Treibeis bei einer Sichtweite von 2-4 km und Luft- wohl Luft- wie Wassertemperaturen rasch wieder auf temperaturen, die bis auf 2 °C abgefallen waren, wur- 4-6 °C zu, und Eisberge wurden bei einer Sichtweite de am 24. August die Dimitri-Laptew-Straße (73° N, von rund 4 km nicht mehr beobachtet. 142° 30’ E), die Meeresenge zwischen dem Festland und den Neusibirischen Inseln, passiert. Die im Weiteren zu durchfahrenen Seegebiete zeichnen sich - bis auf die Durchfahrt der Wilkitzkistraße In der Ostsibirischen See herrschten im Folgenden bei Kap Tscheljuskin - durch eine relativ geringe Was- Luft- und Wassertemperaturen zwischen 3 und 6 °C. sertiefe aus. Der Ostteil der Karasee hat eine durch- Erst in der Longa-Passage, südlich der Wrangel-Insel, schnittliche Wassertiefe von weniger als 100 m. Das musste dann vorübergehend wieder durch lockeres bedeutet, dass nicht nur Gezeiten und Wind die Mee- mitteldickes bis dickes Treibeis gesegelt werden. Mit 250 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Einfahrt in die Tschuktschensee stiegen bei südöstli- chem Kurs Luft- und Wassertemperaturen kontinuierlich wieder an. Am 3. September (Ortszeit) war es sogar 11 °C warm.

Am 6. September, kurz vor Kap Deschnjow (66° 05’ N, in % 169° 40’ W), gingen innerhalb von nur 6 Stunden (zwischen 6 und 12 UTC) die Wassertemperaturen von 8 °C auf 3 °C zurück, was auf eine Veränderung der Mittel 1988-2000: 6,1 Mio. km2

Strömungsverhältnisse schließen lässt. Nach der Um- Anomalie der Meereisbedeckung rundung des Kaps und der Einfahrt in die Beringstra- ße stieg die Wassertemperatur dann wieder an. Der Jahr aufkommende Nebel könnte ein Indiz dafür sein, dass Abb. 11: Anomalien der Meereisbedeckung im September hier unterschiedlich temperierte Wassermassen aus der 1988-2003 (http://nsidc.org/data/seaice_index/archives/ Arktis und dem Pazifik aufeinander trafen. Die letzten image_select.html). Seemeilen der Nordostpassage bis zum Ort Provideni- ja am Ausgang der Beringstraße wurden mit einem auf Nordwest drehenden und bis auf Windstärke 6 Bft zunehmenden Wind rasch bewältigt. Mit den nördlichen Winden wurde kaltes arktisches Wasser durch die Be- ringstraße südwärts transportiert, wodurch die Wasser- temperaturen bis auf 2,3 °C am 9. September, dem An- kunftstag in Providenija absanken, während die Luft- temperaturen nur geringfügig zwischen 6 und 8 °C schwankten.

Die besonderen Eisbedingungen im Jahr 2002

Arved Fuchs hatte das Glück, seinen dritten Versuch der Durchsegelung der Nordostpassage in einem Jahr durchzuführen, das sich durch eine äußerst geringe Meereisbedeckung auszeichnete. Satellitenbeobach- tungen belegen, dass die Eisbedeckung 2002 in allen Monaten unter dem vieljährigen Mittel (1973-2000) blieb, wobei nach WAPLE and LAWRIMORE (2003) schon Frühling und Sommer die geringste jahreszeitliche Eisausdehnung seit Beobachtungsbeginn verzeich- neten. Im September 2002, der in der Arktis generell der Monat mit der geringsten Eisbedeckung im Jahres- verlauf ist (s. Abb. 6), wurde dann mit einer Anomalie Abb. 12: Karte der regionalen Anomalien der Meereisbede- von nahezu -0,78 Mio. km2 das absolute Minimum der ckung im September 2002 bezogen auf die Zeitspanne Eisausdehnung seit Beobachtungsbeginn verzeichnet 1987 - 2001 (aus: http://nsidc.org/seaice/news.html). (Abb. 11). Wie Abb. 12 zu entnehmen ist, war die Ab- nahme der Eisbedeckung besonders in den russischen Randmeeren, der Beaufortsee und östlich von Grön- land markant.

Beobachtete Tendenzen 2 km Etwa seit 1980 werden große Veränderungen in der 6

Arktis beobachtet, die sowohl den Luftdruck, die Tem- in 10 peraturen der Atmosphäre und des Nordpolarmeers wie auch Bedeckung und Dicke des Meereises betref- fen. Analysen der Anomalien der monatlichen Meer- Anomalie der Meereisbedeckung eisbedeckung zeigen für die Nordhalbkugel eine starke Abnahme seit Beginn der 1980er Jahre. Der in Abb. 13 dargestellte Verlauf beruht auf Messungen der Jahr Satelliteninstrumente SSM/I (Special Sensor Microwa- Abb. 13: Anomalien der nordhemisphärischen Meereisbede- ve/Imager Sensor, seit 1987) und SMMR (Scanning ckung, Trend: -25003,7 km2/a (aus: JOHANNESSEN et Multichannel Microwave Radiometer). Nach CAVA- al. 2004). promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres 251

LIERI et al. (1997) nimmt die Eisbedeckung in der Arktis um 2,9 % pro Dekade ab, wobei der Trend im Sommer am größten ist. Um noch 3 % höher ist die Abnahme von mehrjährigem Eis mit 6,4 ± 2,2 %, wie Berechnungen von COMISO (2002) darlegen, der für den Zeitraum 1978-2000 das jährliche Minimum der Eisbedeckung im September betrachtete, in der An- nahme, dass das erstjährige dünne Eis dann wieder ab- geschmolzen ist und nur das dickere mehrjährige Eis die Eisbedeckung ausmacht.

Neben der Eisbedeckung zeigt auch die Eisdicke eine negative Tendenz. Auswertungen einer 20-jährigen Messreihe von mittleren monatlichen Eisdicken, die aus Feldmessungen durch Dünung angeregter Schwe- rewellen abgeleitet wurden, ergaben für den Zeitraum 1970-1991 eine Abnahme von rund 10 cm, die mit Mo- dellrechnungen gut übereinstimmen (JOHANNES- SEN et al. 2004). Dagegen führte die Analyse von So- narmessungen von U-Booten (ROTHROCK et al. 1999) zu dem Ergebnis, dass in den vergangenen 30-40 Jahren der unter der Wasseroberfläche befindliche An- teil der Eisschollen am Ende der Schmelzperiode um rund 1,3 m abgenommen hat. Abb. 14: Jahreszeitliche Trends der Oberflächentemperatur (aus: RIGOR et al. 2000). Die Abnahme des Packeises steht in engem Zu- sammenhang mit dem stetigen Anstieg der Lufttempe- Jahre bis weit in den Osten des Eurasischen Beckens ratur seit Mitte der 70er Jahre, besonders aber seit dehnte sich aber auch in das westliche Arktische Be- 1990. COMISO (2002) fand für die Arktis eine starke cken aus. Korrelation von -0,77 zwischen Eisbedeckung und Lufttemperatur. Aus Satellitendaten von 1978-2000 er- Eine weitere Rolle spielen auch die beobachteten rechnete er einen Temperaturanstieg von 1,2 ± 0,4 K Luftdruckveränderungen. Arbeiten von WALSH et al. für die Sommermonate Juni-August. Dabei vollzieht (1996) und RIGOR et al. (2002) ergaben, dass der sich die Temperaturänderung regional und saisonal Luftdruck über der zentralen Arktis seit Mitte der 80er ganz unterschiedlich (vgl. Abb. 14). RIGOR et al. Jahre im Mittel um 4-5 hPa niedriger ist als im Zeit- (2000) erstellten aus Temperaturmessungen driftender raum 1979-1985. Diese Luftdruckabnahme ist mit Än- Eisbojen, driftender russischer Stationen auf Eisschol- derungen der Arktischen Zirkulation (AO) verbun- len und arktischer Landstationen den IABP/POLES - den, die im Winter die Varianz des auf Meeresniveau Datensatz. Sie fanden für die Wintermonate einen reduzierten Luftdrucks über dem Nordpolarmeer zu Temperaturanstieg von 1 K/Dekade über dem öst- 52 %, im Sommer zu 36 % erklärt. Die mit den Luft- lichen Nordpolarmeer (Raum nördlich von Asien) und druckänderungen verbundenen Änderungen der bo- eine Temperaturabnahme von 1 K/Dekade über dem dennahen Winde haben markante Auswirkungen auf westlichen Nordpolarmeer. Im Frühling vollzieht sich das Meereis. dagegen eine Temperaturerhöhung über dem gesamten Nordpolarmeer, die über den russischen Gewäs- Einfluss der Arktischen Zirkulation sern sogar 2 K/Dekade erreicht. Dies zieht hier eine Verlängerung der Schmelzperiode nach sich. Die Forschungen der vergangenen Jahre belegen eine enge Beziehung der Meereisverhältnisse in der Arktis Neben der signifikanten Erwärmung der Atmosphäre mit den sog. ,low-index’ und ,high-index’ - Phasen der wird seit Beginn der 90er Jahre auch eine markante Arktischen Zirkulation (AO), die die Variabilität der Erwärmung des Nordpolarmeeres beobachtet, die sich großskaligen Luftdruckverteilung über dem Nordpo- in mehreren Schüben vollzog. Nach Vergleichen von larmeer deutlicher bestimmt als die Nordatlantische Messungen und eigenen Modellrechungen von KAR- Zirkulation (NAO). Zu Zeiten mit einem niedrigen CHER et al. (2003) erfolgte ein Zufluss von über- AO-Index ist das Hochdruckgebiet über der Beaufort- durchschnittlich warmen atlantischem Wasser durch see stark ausgeprägt und der dann ebenfalls kräftige die beiden Zweige des atlantischen Zustromes, die Beaufortwirbel sorgt für einen erhöhten Eistransport Framstraße und die Barentssee, vor allem zwischen in die Ostsibirische See. In Phasen mit einem hohen 1989 und 1994, aber auch wieder seit 1999. Die deutli- AO-Index ist der Luftdruck über der Arktis niedriger che Ausprägung und die über mehrere Jahre anhalten- als im Mittel und die Westwinde in den subpolaren de positive Temperaturanomalie zu Beginn der 90er Breiten sind stärker. Das Beauforthoch ist schwächer, 252 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 was zu einer Abschwächung des Beaufortwirbels führt, so dass weniger Eis in die Ostsibirische See befördert wird. Der Transpolare Driftstrom, der über die Mitte des Nordpolarmeeres und den Nordpol hinweg geht, ist folglich weiter nach Westen verschoben. Diese Ver- lagerung ist mit einer stärkeren zyklonalen Zirkulation über der östlichen Arktis verbunden, die eine erhöhte Advektion von Eis aus der Ostsibirischen See und Laptewsee nach Norden und einen um 10 % gesteigerten Eistransport durch die Framstraße bewirkt. RI- GOR et al. (2002) zeigen die Luftdruckverteilung und Eisbewegung im jeweiligen Winter und Sommer der unterschiedlichen AO-Zustände (Abb. 15) und beschreiben die Folgen der Divergenz infolge der zyklonalen Eisbewegung in den russischen Randmeeren, die hier entlang des Festeisrandes zu einer vermehrten Anzahl an Rissen und offenen Wasserstellen (Polyn- jen) führen. Danach bestimmen winterliche ,high-index’ - Phasen die Eisverhältnisse des gesamten Jahres: Abb. 15: Luftdruckverteilung und Eisbewegung im Winter und Sommer bei niedrigem und hohen AO-Index (aus: RI- - Durch die Divergenzeffekte kommt es vor allem in GOR et al. 2002). der Ostsibirischen See und der Laptewsee zu einer vermehrten Bildung von Rissen und Polynjen und damit zu einer verstärkten Neueisbildung.

- Die Zunahme an offenen Wasserstellen und dün- nem Eis bedingen einen gesteigerten Wärmefluss vom östlichen Nordpolarmeer in die Atmosphäre, was hier zu erhöhten Lufttemperaturen im Frühling führt. Aufgrund der überdurchschnittlichen Früh- Abb. 16: Trends der Meereisbedeckung im Sommer und der jahrstemperaturen und der Tatsache, dass erstjähri- Meereisdrift im Winter innerhalb der russischen Rand- meere. Linien im Abstand 5 % pro Dekade. Die dicke ges Eis wegen seines höheren Salzgehaltes schon bei Linie ist die Packeisgrenze (aus: RIGOR et al. 2002). niedrigeren Temperaturen schmilzt, verfrüht sich das Einsetzen der Eisschmelze. Die Beeinflussung der Eisverhältnisse im Jahr 2002 - Der frühere Beginn der Eisschmelze wiederum för- dert die beobachtete Abnahme der Eisbedeckung Verzeichnete der Dezember 2001 noch ein überdurch- im Sommer, die in der Ostsibirischen See am größ- schnittlich hohes Luftdruckpotenzial, traten im Januar ten ist (vgl. Abb. 16). Durch die geringere Eisbede- und Februar deutlich negative Druckanomalien über ckung reduziert sich die Albedo, wodurch ein grö- der Arktis auf. Dies drückt sich in stark positiven, die ßerer Anteil der einkommenden Strahlung absor- Standardabweichung übersteigende AO-Indizes von biert wird. +1,38 bzw. +1,30 aus. Diese winterliche ,high-index’- Zirkulationsphase rief in den russischen Randmeeren - Im Herbst bedingen die erhöhte Wärmeaufnahme verstärkte Divergenzeffekte hervor, die einen erhöh- des Ozeans und der größere Anteil an offenem ten Anteil an offenem Wasser und damit eine verstärk- Wasser eine Verzögerung der Neueisbildung und te Produktion von erstjährigem Eis bedingen. mit Einsetzen des Gefriervorganges eine erhöhte Abgabe latenter Wärme an die Luft. Daher sind im Nach Untersuchungen der Festeisbedeckung in der Herbst dort die größten positiven Temperatur- nordöstlichen Karasee von DIVINE et al. (2003) im trends zu finden, wo die Eisbedeckung am stärksten Zeitraum 1953 bis 1990, denen die Daten des Artic and abnimmt. Die Verzögerung des herbstlichen Gefrie- Antarctic Research Institute (AARI) in St. Petersburg rens und die Verfrühung des Schmelzbeginns sind zu Grunde liegen, sind die winterlichen Lufttempera- die Ursache für die Verlängerung der Schmelzpe- turen (September bis April) mit denen der Anomalien riode. der maximalen Packeisbedeckung in den Monaten April und Mai hoch korreliert. Mit Ausnahme von Ja- Die seit Mitte der 80er Jahre beobachtete Zunahme nuar und Februar, in denen es in den sibirischen Küs- der winterlichen ,high-index’ - Zirkulationsphasen tengebieten beträchtlich zu kalt, im südlichen Sibirien (THOMPSON and WALLACE 1998) ist somit nicht aber um mehr als 8 K zu warm war, herrschte ab Ok- unwesentlich für die im vorherigen Abschnitt beschrie- tober 2001 ein meist deutlich überdurchschnittliches benen Trends verantwortlich. Temperaturniveau. In einzelnen Monaten war es ver- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 C. Lefebvre: Die Eisbedeckung in den russischen Gewässern des Nordpolarmeeres 253 breitet um bis zu rund 4 K, im März in Ostsibirien so- Die Witterung in Übersee (Global Climate Review), 2002: Deut- gar um bis zu rund 10 K zu warm. Im Februar und scher Wetterdienst, Vol. 50, No. 3. März bewirkte eine kräftige nordwärts gerichtete DIVINE, D.; R. KORSNES; A. MAKSHTAS, 2003: Variability Windkomponente die Wärmezufuhr in die russischen and climate sensitivity of fast ice extent in the north-eastern Randgebiete, was die Entwicklung einer ausgeprägten Kara SEA; Polar Research 22 (1), 27-34. Eisbedeckung hemmte. Die hohen Temperaturabwei- FUCHS, A., 2003; Kälter als Eis, Delius Klasing Verlag, Biele- chungen stehen in guter Übereinstimmung mit Er- feld, 224 S. kenntnissen von THOMPSON and WALLACE HARMS, I. H.; C. SCHRUM; K. HATTEN, 2004: Entstehung (2000), die für den winterlichen Zeitraum Januar-März und Klimarelevanz von Polynjen, promet 30(3), 148-152. eine starke Erwärmung der eurasischen Landmasse HIBLER III, W.D.,1989: Arctic ICE-Ocean Dynamics in The bei einem hohen AO-Index fanden. Das überdurch- Arctic Seas; Van Nostrand Reinhold Company, New York, schnittliche Temperaturniveau hielt über die Sommer- 888 S. monate hin an, so dass sich die Abschmelzprozesse im IPCC, 2001: Climate Change 2001: the Scientific Basis. Third As- Sommer beschleunigt vollzogen. Insgesamt war das sessment Report of the Intergovernmental Panel of Climate Jahr 2002 auf der Nordhalbkugel nördlich von 30° N Change, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 881 S. das bisher wärmste in einer aus Land- und Seestatio- JOHANNESSEN, O. M.; L. BENGTSSON; M.W. MILES; S.V. nen seit 1861 bestehenden Zeitreihe. Es wies eine Ab- KUZMINA; V.A. SEMENOV; G.V. ALEKSEEV; A.P. NA- weichung zum Mittel des Bezugszeitraums 1961-1990 GURNYI; V.F. ZAKHAROV; L.P. BOBYLEV; L.H. PET- von 0,76 K auf (WMO 2003). TERSSON; K. HASSELMANN; H.P. CATTLE, 2004: Arctic climate change: observed and modelled temperature and seaice variability, Tellus 56A (4), 328-341 Neben den herausragenden Randbedingungen begün- stigten besonders auch die während der Seereise herr- KARCHER, M.J.; R. GERDES; F. KAUKER; C. KÖRBELE, 2003: Artic warming: Evolution and spreading of the 1990s schenden Windverhältnisse die Eisbedingungen. Es warm event in the Nordic seas and the Artic Ocean; J. Geo- gab nur wenige Zeiten, in denen ein kräftiger nörd- phys. Res. 108, No. C2, 3034, 16-1 - 16-16. licher Wind blies, der das Treibeis in Richtung Küste RIGOR, I. G.; R. L. COLONY; S. MARTIN, 2000: Variations in und somit in die Fahrtroute trieb. Zudem verhalfen Surface Air Temperature Observtions in the Artic, 1979-97; J. zeitweise die richtigen Windrichtungen zur unproble- Climate 13, 896-914. matischen Bewältigung selbst kritischer Reiseab- RIGOR, I. G.; J. M. WALLACE; R. L. COLONY, 2002: Respon- schnitte. So hatte direkt vor der Passage der Kara- se of Sea Ice to the Arctic Oscillation; J. Climate 15, 2648-2663. straße, südlich von Nowaja Semlja, ein über mehrere ROTHROCK, D. A.; Y. Yu; G. MAYKUT, 1999: Thinning of the Tage wehender kräftiger Westwind das Eis weitgehend Arctic sea-ice cover; Geophys. Res. Lett. 26, 3469-3472. aus dieser Enge getrieben, was deren Durchsegelung unproblematisch machte (vgl. FUCHS 2003, S. 85). Seehandbuch Nr. 4151, 1995: Abteilung für Seeschifffahrt und Ozeanographie des Ministeriums für Verteidigung der Russi- Arved Fuchs und seiner Crew war damit auch das nö- schen Föderation, St. Petersburg, 415 S. tige Quantum Glück beschieden, das solche Abenteu- SERREZE M. C.; J. M. MASLANIK; T. A. SCAMBOS; F. FET- er bestehen hilft. TERER, J. STROEVE; K. KNOWLES; C. FOWLER; R. DROBOT; R. G. BARRY; T. M. HARAN, 2003: A record mi- Abschließend ist festzuhalten, dass die günstigen Eis- nimum arctic sea ice extent and area in 2002; Geophys. Res. verhältnisse, die zur Zeit der Nordostpassage angetrof- Lett. 30 (3); 1110; doi:10.1029/2002GL016406. fen wurden, sowohl auf die allgemeinen Veränderun- THOMPSON, D. W. J.; J M. WALLACE, 1998: The Arctic Oscil- gen in der Arktis, die sich insbesondere in der Abnah- lation signature in the wintertime geopotential height and me des Eises in den russischen Randmeeren auswir- temperature fields; Geophys. Res. Lett. 25, 1397-1300. ken, wie auch auf die speziellen Bedingungen im Jahr THOMPSON, D.W.J.; J M.WALLACE, 2000:Annular Modes in 2002 und zur Zeit der Seereise selbst zurückzuführen the Extratropical Circulation: Month-to-Month Variablity; J. sind. Climate 13, 1000-1016. WAPLE, A. M.; J. H. LAWRIMORE (Hrsg.), 2003: State of the Danksagung Climate in 2002; Bul. AMS 84(6), 800-800. WMO, 2003: WMO Statement of the Status of the global Clima- Meinem Kollegen Josias Jansen möchte ich für die te in 2002; No. 949, WMO, Genf, 11 S. wertvolle Zuarbeit und insbesondere die Auswertung der russischen Seehandbücher herzlich danken. Anschrift der Autorin: Literatur Dipl.-Met. Christiana Lefebvre CAVALIERI, D. J.; P. GLOERSEN; C. L. PARKINSON; J. C. Deutscher Wetterdienst COMISO; J. H. ZALLY, 1997: Observed hemisheric asymme- GB Klima und Umwelt try in the global ice changes; Sience 278, 1104-1106. Abt. Klimaüberwachung COMISO, J. C., 2002: A rapidly declining perennial sea ice cover Postfach 30 11 90 in the Arctic; Geophys. Res. Lett., 29 (20): 1956, doi:10.1029/ 20304 Hamburg 2002GL015650. E-Mail: [email protected] 254 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 254-256 (November 2004) © Deutscher Wetterdienst 2004

Buchbesprechungen

ZÄNGL, W., HAMBERGER, S. vial, die Brennweiten der damaligen Pasterze oder Seite 165 an der Mer (Hrsg.): Gletscher im Treibhaus. Kameras auf einem modernen de Glace. Auf den Seiten 124 und Eine fotografische Zeitreise in Zoom einzustellen, aber die Bild- 125 sind zwischen Eiger und Mönch die Alpine Eiswelt. Tecklenborg paare in dieser Sammlung rechtfer- jeweils in der unteren Bildhälfte Verlag, Steinfurt, 2004, 271 S., tigen den großen Aufwand, der in starke Unterschiede festzustellen, in 460 Abb. ISBN 3-934427-41-3, sie gesteckt worden ist. Gute Bei- der Höhe nicht. Nicht einmal Felsen Preis: 39,80 €. spiele für diese Schwierigkeiten und sind ewig: Der Gipfel, der auf Seite ihre Bewältigung sind auf den Sei- 48 im Jahr 1931 noch eine kühne Wolfgang Zängl und Sylvia Ham- ten 74 und 75 am Aletschgletscher Felsnadel trug, hat sie bis 2003 ver- berger haben hier ein Buch veröf- zu sehen, wo die Eisoberfläche um loren. fentlich, das wirklich vielseitig ist, mehrere hundert Meter eingesun- sowohl nach dem Umfang als auch ken ist und der Wald das ehemalige Die Dynamik der Spaltenbildung nach dem Inhalt. Mehr als zwei Gletschergebiet wieder besiedelt scheint manchmal unabhängig von Drittel der 271 Seiten enthalten sehr hat. Es ist nicht nur das Eis, auch der Eisdicke zu sein: auf den Seiten gut organisierte Vergleichsaufnah- Moränen, Bäche, Seen und Hütten 56/57 bleibt die quer verlaufende men von Alpengletschern zu Beginn haben sich im letzten Jahrhundert Spalte am oberen Ende des Wech- des 20. Jahrhunderts und heute, die verändert, der Wald hat sich meist tengrats ortsfest, auch wenn das Eis Spezialisten und Laien gleicherma- ausgedehnt. so viel dünner geworden ist. Be- ßen beeindrucken werden. Darauf sonders interessant die steilen Eis- folgt eine Reihe von Textbeiträgen Manchmal ist die Veränderung der wände, die sich nicht so sehr nach aus ganz verschiedenen Standpunk- Siedlungen im Vordergrund genau- dem Klima richten, sondern mehr ten: Von WissenschaftlerInnen, so eindrucksvoll wie die des Eises dynamisch eingegrenzt werden, zum Journalisten und Mitgliedern natur- im Hintergrund, zum Beispiel im Beispiel die Hängegletscher am Piz schützender Organisationen. Pitztal auf den Seiten 32 und 33, am Palü auf Seite 137 und 237, am Gla- Stilfserjoch auf Seite 188 oder Zer- cier de Moiry, Seite 96 und 97 im Ich habe dieses Buch einen Monat matt auf den Seiten 238 und 239, Bild rechts oben, oder am Mont auf meinem Schreibtisch gehabt, es wobei man in diesen Fällen wirklich Blanc, Seite 67-169. Steilflanken rea- kritisch gelesen, und beschlossen, es von den Folgen menschlicher Tätig- gieren je nach Höhe unterschied- in Reichweite stehen zu lassen. Der keit sprechen kann. lich; weil sie nur dünne Eisplatten Bildteil ist eine außerordentlich gu- tragen, können diese in tiefen Lagen te Dokumentation, im Textteil wer- Die Bildwiedergabe, die für glazio- ganz verschwinden, zum Beispiel an den verschieden orientierte Leser logische Interpretationen wichtig der Jamspitze auf Seite 233. jeweils etwas für ihre Bedürfnisse ist, ist im Allgemeinen gut gelungen. finden, sei es eine fachliche Einfüh- Ein Beispiel für Schwierigkeiten Zwischendurch findet man auf den rung in die Glaziologie, eine sachli- dieser Art kann man an den moder- alten Postkarten nichtwissenschaft- che Darstellung der Naturschutzge- nen Bildern des Blaueisgletschers in liche Details, z. B. grüßt vom Rhône- setze, oder die Meinung, dass der den Bayerischen Alpen sehen, wo gletscher 1901 ein Gymnasiast seine Mensch an allem schuld sei. Ich wer- auf Seite 14 rechts vier, auf Seite 15 Familie erst in Sütterlinschrift, dann de für meine eigene Information unten nur drei verschiedene Firn- in griechischen Buchstaben. Sylvia und für meine Vorlesungen sicher schichten zu erkennen sind. An der Hamberger widmet den alten Post- oft auf den Bildteil zurückgreifen. Zunge des Oberen Grindelwaldglet- karten und den heutigen Impressio- schers (Seite 115, 118) ist es auch in nen einen Beitrag „Herzliche Grüße Die beiden Autoren dieser Bilddo- der Natur schwierig, das graue Eis vom wunderbaren Gletscherge- kumentation haben sehr gründlich vom grauen Felsen zu unterschei- biet“, Seite 190-193. recherchiert. Es kann mehrere Jahre den. Bei mehreren Aufnahmen fällt dauern, bis man einen Gletscher im auf, wie hell ein vorstoßender Glet- Besonders wenig Veränderungen erwünschten Zustand - kein Alt- scher ist und wie grau sein Eis beim beobachtet man an den Gletschern schnee an den Rändern, keine Wol- Rückzug ist. des Mt. Blanc-Gebiets, wo zum Bei- ken, noch kein Neuschnee - ins Bild spiel Glacier des Bossons und Ta- bekommt. Es wird nicht immer Die Änderungen des „ewigen“ Ei- connaz (Seite 167 und 168) aus ih- leicht gewesen sein, den richtigen ses sieht man in unteren und mittleren sehr hohen Firnbecken auch Standpunkt wieder zu finden, von ren Höhenlagen natürlich beson- heute noch bis unter die Waldgrenze dem aus eine alte Fotografie aufge- ders gut, z. B. auf Seite 26 am Pfaf- reichen, relative geringe Änderung nommen wurde, es ist auch nicht tri- fenferner, Seite 42 und 43 an der der Zunge auch beim Feegletscher promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Buchbesprechungen 255

(Seite 86 und 87), der ebenfalls ein turschwankungen gegeben hat und streicht den Unterschied zwischen hohes Einzugsgebiet hat. dass sich die Alpengletscher seither globaler und alpiner Erwärmung nur in dem Ausmaß verändert ha- hervor. Latif stellt die Frage der Auf Seite 183 ist der Suldenglet- ben, wie wir es von den letzten 150 Vorhersagbarkeit des Klimas, macht scher unter dem Ortler im Bildver- Jahren kennen. Maisch betont, „dass die Probleme der Klimamodellie- gleich 1913-2003 eigentlich nur we- es ... eine mit der heutigen Ausdeh- rung dem Nicht-Meteorologen an- nig zurückgegangen, er ist von einer nung vergleichbare Vergletsche- schaulich und schließt mit dem zitie- meterdicken Schuttschicht vor dem rungssituation bereits einmal gege- renswerten Satz „Das Klimasystem Abschmelzen geschützt, aber nicht ben haben muss; und dies lange Zeit ist ein nichtlineares System, das bei sofort als Gletscher erkennbar. Wie bevor die Menschen der damaligen starken Auslenkungen für uns alle lange sich Eis unter dem Schutz ei- Zeitepochen das Klima spürbar zu verblüffende Lösungen bereit hal- ner Schotterbedeckung halten belasten begannen.“ (Seite 208). ten kann“. kann, sieht man auch am Arollaglet- Die jährliche Statistik der Längen- scher (Seite 103) oder an seinem änderungen von Schweizer Glet- „Das Damokles-Schwert: Tauwetter Nachbarn, dem Tsidjore Nouve auf schern auf Seite 211 ergibt bei Glet- im Alpenraum“ von Michel Revaz Seite 105. schern zwischen 1 und 10 km Länge behandelt kurz und prägnant Glet- deutlich zwei Vorstoßperioden, 1920 scherkatastrophen in der Geschich-

Die ersten 189 Seiten dieses Buchs und 1980, also in der Zeit des CO2- te und heute, d. h. Eislawinen, Aus- bilden eine sehr gute und vielseitige Anstiegs, und zeigt damit, dass an- brüche von Gletscherseen, Folgen Dokumentation der Veränderung dere Klimafaktoren vorübergehend des Auftauens von Permafrost. Da- der Alpengletscher in den letzten wichtiger waren als der Treibhausef- zu werden Links zu Forschungspro- 100 Jahren, in der man nach ver- fekt. Mit manipulierten Bildern des grammen und -instituten aufgelistet. schiedenen Kategorien wie Höhe, Tschiervagletschers wird dessen Höhenbereich, Steilheit, Nord-Süd- Entwicklung von 1850 bis 2100 dar- Ich möchte nicht alle Beiträge be- exposition, Alpenrand- oder zentra- gestellt. Schließlich folgt auf Seite sprechen, weil sie mit zunehmender le Lage blättern kann und immer 214 noch eine Reihe von „coolen Seitenzahl weniger wissenschaftlich wieder neue Eindrücke bekommt. Gletscherlinks“, mit denen man sich (das macht sie aber nicht weniger le- Die Bilder sind gut beschrieben, das Eis auf den Bildschirm holen senswert) und zum Teil auch subjek- manchmal kurz kommentiert. kann. tiver werden: - Dominik Siegrist: Alpentouris- Im Textteil gibt Francoise Funk-Sa- Gerhard Lieb behandelt „Die Pas- mus im Treibhaus, lamí mit „Naturwunder aus Eis“ ei- terze als Beispiel eines schwinden- - Daniela Grosse: Stilfser Joch- ne sehr gute Einführung in die Glet- den Gletschers“, gibt eine interes- Straße: Ein Pass macht Geschich- scher, für Laien gleich gut zu lesen sante Geschichte der Gletschermes- te, wie für Wissenschaftler aus den sungen seit 1879 und fasst die Ver- - Peter Haßlacher: Die Gletscher Nachbarfächern der Glaziologie. Ich änderungen in zwei eindrucksvollen im Fadenkreuz der Seilbahnwirt- hätte gerne mehr solche Beiträge, Grafiken zusammen: die jährlichen schaft. Prägnante, sachliche Dar- die einem das Verständnis der vor- Längenänderungen und ihre Anein- stellung der Erschließung der Ös- hergehenden Bildvergleiche so er- anderreihung zu 1800 m Rückzug terreichischen Gletscherskigebie- leichtern. seit 1850, und sieben Querschnitte te, der Pasterze, die ihr Schwinden aus - Stefan Witty: Bergsteigen im Mathias Stremlow gibt mit „Grenz- einem anderen Gesichtspunkt an- Treibhaus, raum Gletscher“ eine philosophi- schaulich machen. Lieb weist auch - Karsten Smid: Gletscherschmelze sche Betrachtung der Gletscher, ih- darauf hin, dass durch den Rückzug - powered by Esso & Co. rer Ästhetik und der Perception der des Eises von den Steilhängen und - Wolfgang Zängl: Von Kyoto nach Gletscher durch den Menschen. Die durch das Auftauen von Permafrost Bagdad und zurück. reinen oder exklusiven Naturwis- das Bergsteigen schwieriger und ge- senschaftler unter den Glaziologen fährlicher geworden ist. Ich hoffe, dass es den Gletschern sollten diesen Beitrag zweimal le- einst so geht wie dem Wald, der sich, sen. Mojib Latif gibt in seinem Beitrag 1980 totgesagt, heute gesund aus- „Der globale Klimawandel“ eine dehnt, und empfehle dieses Buch al- „Gletscher im Brennpunkt des Kli- (für mich) klare Zusammenfassung len, die sich für Gletscher und Klima mawandels“ von Max Maisch stellt des natürlichen und anthropogenen interessieren. Man muss nicht alle die Gletscherschwankungen in den Treibhauseffekts, zeigt die Tempera- Texte lesen, aber man sollte alle Bil- Rahmen der großen Ereignisse der turreihe des Hohen Peißenbergs seit der in Muße und mit Aufmerksam- Eiszeiten und der Nacheiszeit. Es ist 1781, Man’s Kurve der Temperatur keit anschauen, sie vermitteln einen interessant, dass es seit dem Ende der Nordhalbkugel der letzten 1000 sehr guten Überblick und bieten im- des letzten großen Gletscherhoch- Jahre (in die ich gerade im Hinblick mer wieder kleine Entdeckungen. stands der Jüngeren Dryas vor etwa auf die kleine Eiszeit keinen linea- 11.600 Jahren nur geringe Tempera- ren Trend eintragen würde) und M. Kuhn, Innsbruck 256 Buchbesprechungen promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

SYMADER, W.: Was passiert, Unterfragen und -kapitel. Als di- den Niederschlag erfassen und wenn der Regen fällt? Einfüh- daktisches Hilfsmittel faßt er die nicht, was auf dem Boden an- rung in die Hydrologie. Verlag aus seiner Sicht wesentlichen Tat- kommt...“ sollte wohl doch so nicht Eugen Ulmer Stuttgart, Preis bestände und Ansätze in sog. Infor- stehen bleiben (S. 32). Auch die 24,90 €. mationsblöcken und Flußdiagram- Messung des Niederschlages durch men zusammen. Radar nutzt als Messprinzip nicht Wasser und Leben sind eng mitein- die Signalabschwächung durch ander verbunden und jedes Zuviel Insgesamt werden im Verlauf der Wolken (S. 35). Die Berechnung oder Zuwenig an Wasser hat Fol- Behandlung alle wichtigen Fragen von Gebietsniederschlägen durch gen. Das Wissen über den Wasser- und Ansätze angesprochen. Es wird die Kombination verschiedener kreislauf und die Wirkungen von auf Übersichtsliteratur verwiesen. Verfahren (S. 90-92) sollte mit ei- Wasser auf belebte und unbelebte Insgesamt erweist sich die Litera- nem relativierenden Hinweis verse- Umwelt in der Lehre zu vermitteln, turliste als eher kurz und an der ei- hen werden. Es könnte sonst der machen sich daher viele Studien- nen oder anderen Stelle wären er- Eindruck einer zu starken Simplifi- gänge zur Aufgabe. Im vorliegen- gänzende Angaben durchaus will- zierung entstehen. Insgesamt dient den Buch wird dies aus der Sicht kommen gewesen. die Darstellung der weitläufigen der Hydrologie getan. Der Autor Zusammenhänge und stellt qualita- wählt einen prozessorientierten Im ersten Kapitel werden eher all- tive Beschreibungen von einer gro- Ansatz. gemeine Grundlagen gelegt. Dabei ßen Vielfalt von Prozessen dar. zeigt sich, dass durch die notwendi- Der Wasserkreislauf und die Dar- ge Kürze der Darstellung an eini- Das Buch strebt durch eine pro- stellung im vorliegenden Buch be- gen Stellen die fachliche Präzision zessausgerichtete Untergliederung, ginnt mit der Bildung des Regens in Einbußen erleidet. So ist die Verti- die Verwendung der Technik der der Atmosphäre (Kapitel 1). In den kalgeschwindigkeit der Luft und „Informationsblöcke“ und die zahl- folgenden Kapiteln wird der Weg die Tropfengröße bestenfalls indi- reichen Flußdiagramme eine Aus- des Niederschlages vom Auftreffen rekt miteinander verknüpft. Auch richtung auf gut verständliche auf die Oberfläche, (Kapitel 2), der besteht zwischen Eisnadeln und Lernblöcke an. Damit wird sicher Weitergabe von der Oberfläche Pulverschnee (S. 18) nur insofern in besonderem Maße eine Leser- (Kapitel 3), dem Eindringen in den ein Zusammenhang, als einer eine schaft angesprochen und erreicht, Untergrund (Kapitel 4), der Untermenge des anderen darstellt. die sich nicht mit einzeldisziplinen- Grundwasserbildung (Kapitel 5), Auch bei der Beschreibung der behafteten Details aufhalten kann. dem Wegspülen von Stoffen (Kapi- Rolle von Wind und Turbulenz wä- tel 6) und schließlich dem Abfluss re eine Zuschärfung der Begriffe G. Tetzlaff, Leipzig (Kapitel 7) dargestellt. Der Autor nützlich und in Teilen wohl auch er- zerlegt die in den einzelnen Kapi- forderlich. „Die traditionelle Nie- teln gestellten Hauptfragen in derschlagsmessung soll den fallen- promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 257-260 (November 2004) 257 © Deutscher Wetterdienst 2004

Habilitationen, Promotionen und Diplom-Hauptprüfungen im Jahr 2003

MIKUSKY,Eileen:Validierung des regio- GUNDELWEIN, Nadja: Bestimmung der Universität Bayreuth nalen Klimamodells REMO in ver- zeitlichen Variabilität der Strahlungs- schiedenen horizontalen Auflösungen flüsse am Erdboden für Mitteleuropa Promotion zum Zwecke der lokalen Klimabe- REBMANN, Corinna: Kohlendioxid-, mit Hilfe von ISCCP D1/D2 Daten. schreibung. Wasserdampf- und Energieaustausch NIEMAND, Corina: Charakterisierung SCHLAF, Gudrun: Studie zur Beeinflus- eines Fichtenwaldes in Mittelgebirgs- von Phänophasen und Vegetationspe- sung des Sterbegeschehens durch lage in Nordostbayern. riode auf Datenbasis des Internatio- Wetter und Klima in Baden-Würt- nalen Phänologischen Gartens Tha- temberg von 1988 bis 1997. Diplom-Hauptprüfungen randt und der Ankerstation Tharand- WAPLER, Kathrin: Entwicklung eines GAREISS, Frank: Untersuchung vertika- ter Wald. Verfahrens zur Abschätzung der ler Flussdivergenzen an ausgewählten SCHULZ, Nicole: Bodenwasserhaushalt Aerosolbelastung aus Trajektorien- Beispielen des Experimentes EBEX- von Waldstandorten im ZWK-Wasser- rechnungen und deren Anwendung 2000. schutzgebiet „Schwetzinger Hardt“ zur Verifikation von Fernerkundungs- REITHMAIER, Lucia:Application of re- (Parametererhebung und Modellie- größen. mote sensing methods for micromete- rung). ZEUN, Constance: Verifikation und Ver- orological site evaluation. ZIMMERMANN, Astrid: Untersuchung gleich der Wettervorhersagen ausge- von Ozonfluktuation und ihre Bedeu- wählter meteorologischer Dienstleis- tung für Validierungsmessungen. Freie Universität Berlin ter für Fernsehsender und Fernseh- wetterredaktionen. Promotionen Universität Frankfurt am Main DEUTSCHLÄNDER, Thomas: Über Universität Bonn Möglichkeiten und Grenzen der sta- Promotionen tistischen Langfristprognose. STAEGER, Tim: Empirisch-statistische Promotionen FLEMMING, Johannes: Immissionsfel- Analyse von Wechselbeziehungen GEBHARDT, Christoph: Variational re- der aus Beobachtung, Modellierung zwischen Klimasystem und Anthro- construction of Quaternary tempera- und deren Kombination. posphäre in neoklimatischer Zeit. ture fields using mixture models as MATTHES, Katja: Der Einfluss des 11- TILMES, Simone: Chemical Ozone Loss botanical-climatological transfer jährigen Sonnenfleckenzyklus und in the Arctic Polar Stratosphere deri- functions. der QBO auf die Atmosphäre - eine ved from satellite observations. HAGENBROCK, Reinhard: Der Feuch- Modellstudie. tegehalt der arktischen Troposphäre SCHNEIDER, Frank: Entwicklung und aus Radiosonden-Messungen. Anwendung statistischer Methoden Universität Freiburg MAURER, Bernd: Messungen in der at- zur Kurzfristvorhersage von Ozon- mosphärischen Grenzschicht und Va- konzentrationen in der Bundesrepu- Promotion lidation eines mesoskaligen Atmos- blik Deutschland. EL-NOUBY ADAM HAGGAGY, Mah- phärenmodells über heterogenen ZHANG, Tinglu: Retrieval of oceanic moud: Sodar-based Investigation of Landoberflächen. constituents with artificial neural net- the Atmospheric Boundary Layer. work based on radiative transfer simulation techniques. Universität Dresden Universität Göttingen

Diplom-Hauptprüfungen Dissertation Promotion BRAND, Sascha: Ein dynamischer Wet- GRÜNWALD, Thomas: Langfristige Be- BLEYL, Matthias: Experimetelle Bestim- ter- und Klima-Zustandsindex auf der obachtung von Kohlendioxidflüssen mung der Depositionsgeschwindig- Grundlage der Energie-Wirbel-Theo- mittels Eddy-Kovarianz-Technik über keit luftgetragener Partikel mit Hilfe rie. einem Altfichtenbestand im Tharand- der Eddy-Kovarianzmethode über ei- CLAUSSNITZER, Antje: Das Maunder- ter Wald. nem Fichtenbestand im Solling. Minimum - Eine Modellstudie mit dem ,Freie Universität Berlin Climate Diplom-Hauptprüfungen Diplom-Hauptprüfungen Middle Atmosphere Model’ (FUB- FISCHER, Björn: Auswirkungen von Kli- DREWS, Anja: Split-Window-Verfahren CMAM). ma- und potentiellen Landnutzungs- zur Ableitung von Wasserdampfsäu- HATTWIG, Lars: Häufigkeitsverteilung änderungen auf den Energie- und len aus MSG/SEVIRI und TER- von Luftmassen in Europa auf Wasserhaushalt in Sachsen. RA/MODIS (im Rahmen des EU- 850 hPa im Zeitraum von 1979 bis HEITMANN, Oliver: CO - und H O- 2 2 Projekts HELIOSAT-3 des Geogra- 2000. Flüsse im Stammraum von Waldöko- phischen Instituts der Universität LOSSOW, Stefan: Bestimmung von systemen - Literaturauswertung und Göttingen). Schwerewellen-Parametern aus Tem- Datenanalyse am Beispiel des Fich- peraturprofilen gemessen mit einem tenbestandes an der Ankerstation Lidar in Nord-Norwegen im Sommer Tharandter Wald. 2002. 258 Habilitationen, Promotionen und Diplom-Hauptprüfungen im Jahr 2003 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

MERKLEIN, Johannes: Simulation des Diplom-Hauptprüfungen ISELER, Jens: Numerische Simulation

CO2- und H2O-Gaswechsels einer Ka- ALI, Tahera : Spectral Radiance Distribu- des Tagesgangs von Wind und Tempe- kaoplantage in Sulawesi (Indonesien). tion: From Luminance Measurements ratur. Masterarbeit im wissenschaftlichen to Spectral Irradiance on Inclined KRAMER, Isabell: Bestimmung von Studiengang Agrarwissenschaften der Surface. Prolfilen von Kohlenmonoxid aus bo- Universität Göttingen, Studienrich- BORSCHE, Michael: Auswertung der dengebundenen FTIR - Messungen. tung: Landwirtschaft und Umwelt/ schrägen und vertikalen Säulendichte LOWAG, Alexander: Starkwindstatistik Ressourcenmanagment. Angefertigt aus NCEP - Reanalysedaten zwischen von NO2 und O3 mit Hilfe der DOAS- im Institut für Bioklimatologie. Methode. 1948 und 2002. DECKERT, Rudolf:An experimental stu- MIKUTEIT, Sabine: Trends von ClONO2 und HCl aus bodengebundenen spek- Universität Hamburg dy on drying-up paved surfaces. GRYSCHKA, Micha: Grobstruktursimu- tralen IR - Messungen. SCHMIDT, Andreas: Partionierung und Promotionen lation eines Kaltluftausbruches mit Massenbilanz von Fluorverbindungen AFFELD, Björn: Zyklonen in der Arktis stationärem Modellgebiet. im arktischen Polarwirbel und in mitt- und ihre Bedeutung für den Eistrans- KIENZLE, Michael: Klimatologische leren Breiten aus MIPAS-B2-Messun- port durch die Framstraße. Veränderungen des Höhenwinds in gen. WALTER, Katrin: Changing Patterns of Deutschland und Europa und ihre WASSERMANN, Stefanie: Detektion an- Tropospheric Variability in the North Bedeutung für die Windenergienut- tarktischer Zyklonen anhand von Atlantic Region. zung. Wirbelstrukturen im Meereis. RIEDEL, Jörg: Entwicklung eines digita- WEISS, Claudia: Untersuchung zur Simu- Diplom-Hauptprüfungen len photogrammetrischen Kamera- lation von Ozon-Verteilungen mit BOHNENSTENGEL, Sylvia: Einfluss systems für Untersuchungen des KASIMA und Vergleich mit TOMS- thermischer Effekte auf die Zirkula- Strahlungstransfers in der Atmosphä- Satellitendaten. tion innerhalb einer Straßenschlucht. re. HEBBINGHAUS, Heike: Untersuchung SPEHR, Ulrike: Analyse des Wetterein- der Wirbelentwicklung an einer flusses auf die Pünktlichkeit im Flug- Universität Kiel Polynja mit der Vorticitytendenzglei- verkehr. chung und dem Modell METRAS. STEINFELD, Gerald: Kopplung von Promotionen KUNZ, Torben: Eine Bewertungsfunk- Grobstruktursimulationsmodellen LÖPTIEN, Ulrike: Effekte der Wechsel- tion zur Parameteroptimierung in glo- unterschiedlicher räumlicher Auflö- wirkung zwischen Ozean und Atmo- balen-atmosphärischen Zirkulations- sung auf Massivparallelrechnern. sphäre auf die Nordatlantische Oszil- modellen. STUDEMUND, Holger: Entwicklung lation. MARMER, Elina: Regionale Modellie- und Einsatz eines Spektralradiome- TIMM, Oliver: Decadal to Interdecadal rung des Arctic Haze. ters zur Messung der solaren Strah- Variability of the North Atlantic Os- MÜLLER, Larissa: Analyse des Einflus- cillation: A Paleoclimatic Index Re- lung. ses des Landoberflächenmodells ei- construction. WICHERS, Cordula: Untersuchung he- nes regionalen Atmosphärenmodells misphärischer Unterschiede der spek- auf den Wasserhaushalt. Diplom-Hauptprüfungen tralen UV-Bestrahlungsstärke. RIES, Hinnerk: Simulation kleinräumiger BEDACHT, Ernst: Wolkenklimatologie atmosphärischer Phänomene bei blo- über den Ozeanen aus Reanalyseda- ckierenden Wetterlagen. Universität (TH) Karlsruhe ten und Beobachtungen. RUEHE, Svenja: Einfluss einer tropi- GERBER, Christian: Einfluss dreidimen- schen Wärmequelleauf die Jet-Struk- Promotionen sionaler Wolken auf den Strahlungs- tur. BARTHLOTT, Christian: Kohärente Wir- transport im thermischen Spektralbe- SCHULTZ, Merike: Untersuchung der belstrukturen in der atmosphärischen reich. Bodennahen Turbulenten Transport- Grenzschicht. HORNBERG, Andrea: Validierung eines phänomene in Städtischen Wind- BÄUMER, Dominique: Transport und biologischen Wachstumsmodells für grenzschichten. chemische Umwandlung von Luft- den Nordatlantik mit der Phytoplank- schadstoffen im Nahbereich von tonverteilung aus Fernerkundungsda- ten. Universität Hannover Autobahnen - Numerische Simulatio- nen. HÜTTL, Sabine: Zwischenjährliche Vari- abilität der flachen äquatorialen Zir- Habilitation KLEINERT, Anne: Quantifizierung und kulation und ihre Rolle in der Wär- RAASCH, Siegfried: Grobstruktursimu- Optimierung der radiometrischen mebilanz des äquatorialen Atlantiks. lationen turbulenter atmosphärischer Genauigkeit des Fourierspektrome- MARTIN,Torge: Räumliche und zeitliche Grenzschichten auf Massivparallel- ters MIPAS-B2. Variabilität der Arktischen Meereis- rechnern. dynamik. Diplom-Hauptprüfungen Promotionen HELBIG, Nora: Die räumliche Verteilung WEINBRECHT, Sonja: Die Struktur der von Pollen auf der regionalen Skala Universität Köln bodennahen Atmosphäre: Ein Ver- anhand von numerischen Modellrech- gleich zwischen numerischer Model- nungen. Habilitationen lierung und akustischer Tomogra- HUCK, Petra: Bestimmung von Vertikal- ULBRICH, Uwe: Baroclinic wave activity phie. profilen von Ozonisotopen im arkti- on the northern hemisphere. LEIFELD, Christoph: Weiterentwicklung schen Polarwirbel und in mittleren FINK, Andreas H.: Organisierte Konvek- des Nowcastingsystems ADWICE Breiten aus MIPAS-B2 Spektren. tionssysteme in den Tropen und Me- zur Erkennung vereisungsgefährdeter chanismen ihrer Wechselwirkungen Lufträume. mit den Extratropen. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 Habilitationen, Promotionen und Diplom-Hauptprüfungen im Jahr 2003 259

Promotion POSSELT, Rebekka: Numerische Unter- Promotionen KNIPPERTZ, Peter: Niederschlagsvaria- suchungen zur Kollision und Kondes- ADAMS, Markus: Untersuchungen zur bilität in Nordwestafrika und der Zu- zenz von Wolkenpartikeln. Bahnvorhersage tropischer Wirbel- sammenhang mit der großskaligen at- SCHMIEDER, Uta: Horizontale Variabi- stürme unter Verwendung eines expe- mosphärischen Zirkulation und der lität von Partikelneubildungsereignis- rimentellen barotropen Flachwasser- synoptischen Aktivität. sen während SATURN. modells. BAEHR, Janine: Flugzeugmessungen von Diplom-Hauptprüfungen NO, NO , CO und O in der freien Universität Mainz y 3 THELEN, Sven: Berechnung von Pro- Troposphäre zwischen 60° N und duktions- und Windindizes mit Hilfe 60° S - Nord-Süd-Kontrast und Vertei- Promotionen eines statistisch dynamischen Klima- lung in den Tropen. KANDLER, Konrad Zsolt: Hygroskopi- tologieverfahrens. MARQUART, Susanne: Klimawirkung sche Eigenschaften atmosphärischer WANKA, Eva Regina: Messung und von Kondensstreifen: Untersuchun- Partikel in kontinentalen Luftmassen. Analyse niederfrequenter Luftdruck- gen mit einem globalen atmosphäri- THOMAS, Andreas: Flugzeuggestützte schwankungen in München - Assozia- schen Zirkulationsmodell. Messungen des atmosphärischen tionen zu Rettungsdiensteinsätzen MATTHES, Sigrun: Auswirkung des Stra- Aerosols: Saharastaub, stratosphäri- und Verkehrsunfällen sowie Symp- ßenverkehrs auf die chemische Zu- sches Hintergrundaerosol und nicht- tombefragungsdaten Wetterfühliger. sammensetzung der Atmosphäre. sichtbare Wolken in den Tropen. WEIMER, Andreas: Objektive Erken- SCHMITT, Jenca:Aufbau und Erprobung nung von Starkwindepisoden über eines in-situ NO/NO -Mess-Systems Diplom-Hauptprüfungen y Europa mit Hilfe einer Clusteranaly- am Höhenforschungsflugzeug M55- BLOHN, Nadine von: Experimentelle se unter rezenten und anthropogen Geophysica. Untersuchungen der Eiskeimfähig- veränderten Bedingungen. keit verschiedener Pollenarten im Diplom-Hauptprüfungen Immersions- und Kontaktgefrierpro- GÖTZFRIED, Kathrin: Modellierte Par- zeß. Universität Leipzig titionierung von NO in der Strato- ETTNER, Matthias: Experimente zum y sphäre im Vergleich mit Messdaten. homogenen und heterogenen Gefrie- Habilitationen PFEIFER, Monika: Abhängigkeit der ren akustisch levitierter Schwefelsäu- SCHLINK, Uwe: Longitudinal Models in UV-Strahlung von der Seehöhe: relösungströpfchen. Biometeorology: Effect Assessment Untersuchung am Beispiel Bolivien. GURK, Christian: Untersuchungen zur and Forecasting of Ground-level Ozo- SCHREIER, Mathias: Charakterisierung Verteilung von Kohlendioxid in der ne. und Inbetriebnahme des Radiometers Tropopausenregion. WENDISCH, Manfred: Absorption of SSARA. HENSELER, Silke: Charakterisierung Solar Radiation in the Cloudless and THOMSEN,Gerald: Numerische Erwei- des Einlaßsystems des Aerodyne Cloudy Atmosphere. terung eines in Sigma-Koordinaten Aerosolmassenspektrometers AMS. formulierten Tropischen Zyklonen Promotionen KÜRTEN, Andreas: Aufbau und Charak- Modells auf ein versetztes Gitter. FRANKE, Kathleen: Optische und physi- terisierung eines Expansions-Kern- kalische Eigenschaften süd- und süd- zählers für ultrafeine Aerosolpartikel. ostasiatischer Aerosolpartikel: Be- KUHN, Anna Christina: Charakterisie- Technische Universität München obachtungen mit einem Sechswellen- rung eines Sprühstoßtröpfchengene- längenlidar auf den Malediven wäh- rators für pharmazeutische Anwen- Habilitation in 2002 rend INDOEX. dungen. MENZEL,Annette: Phänologie als Werk- JAENISCH, Volker: Der Einfluss turbu- LOPEZ HERREROS, Juan Francisco: zeug der Global Change Forschung. lenter Mischungsprozesse auf die Bil- Diagnosis of small-scale structures in dungsraten atmosphärischer Aerosol- the topopause region using Juckes's Habilitation in 2003 partikel. model and the CASL algorithm. RAPPENGLÜCK, Bernhard: Non me- LEINERT, Stephan: Hygroscopicity of MAUS, Sebastian: Implementierung, Vali- thane hydrocarbons and PAN in the Micrometer-Sized Aerosol Particles - dierung und Verifizierung der Wolke- troposphere. Selected results from a New Measurement Technique. neisphase im Globalmodell GME des measurements in urban, rural and re- SCHLÜTER, Stefan: GPS-basierte Be- DWD. mote settings. stimmung dreidimensionaler Elektro- STICKLER, Alexander: Ozon in der ma- nendichteverteilungen in der Iono- rinen Grenzschicht: Langzeitmessun- Dissertation sphäre. gen auf dem Schiff und Korrelation ECKARDT, Sabine: A Climatology of mit der Luftmassenherkunft mit Hilfe Atmospheric Long-Range Transport. Diplom-Hauptprüfungen von Trajektorienberechnungen. BANSE, Dorothea: A Theoretical Study WEIMER, Silke: Untersuchungen zum Diplom-Hauptprüfung of Particle / Droplet Activation and Nachweis von Ruß-und Dieselabgas- PAUL, Markus: Aufbau und Inbetrieb- Growth in the Leipzig Aerosol Cloud partikeln mit dem Aerosolmassen- nahme einer Versuchseinrichtung zur Interaction Simulator (LACIS). spektrometer AMS. Überprüfung von Diffusionssensoren. HEIDE, Barbara: Verifikation von Be- wölkungsvorhersagen des Lokal-Mo- dells des Deutschen Wetterdienstes Meteorologisches Institut der Universität Universität Oldenburg unter Zuhilfenahme von Meteosat-7 München Satellitenbildern. Promotion in 2002 LEHMANN, Katrin: Die Charakterisie- Habilitation LANGE, Bernhard: Modelling the Mari- rung der hygroskopischen Eigen- JONES, Sarah Catherine: The dynamics ne Boundary Layer for Offshore schaften von Aerosolpartikeln an ei- of tropical cyclones in vertical shear Wind Power Utilisation. nem kontinentalen Standort. and of their extratropical transition. 260 Habilitationen, Promotionen und Diplom-Hauptprüfungen im Jahr 2003 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Promotionen in 2003 JÖRG, Philipp: Meteorologische Rah- Diplom-Hauptprüfungen FOCKEN, Ulrich: Leistungsvorhersage menbedingungen für Starknieder- PORTMANN, Roman: Hillslope Hydro- räumlich verteilter Windkraftanlagen schläge in den Stubaier Alpen von logy of the Maybeso Watershed in unter besonderer Berücksichtigung 1979 - 2000. Southeast Alaska. der thermischen Schichtung der At- MALLAUN, Christian: Stabilität und LEHNER, Irène: EBEX 2000 - Energy mosphäre. transientes Wachstum im barotropen Balance of an irrigated Cotton Field. LANGE, Matthias: Analysis of the Un- Modell. certainty of Wind Power Prediction. OITZL, Stefan: Rekonstruktion der Mas- ETH Zürich LORENZ, Elke: Methoden zur Beschrei- senbilanz des Hintereisferners mit bung der Wolkenentwicklung in Satel- Hilfe der NCEP/NCAR-Reanalysis- Promotionen litenbildern und ihre Anwendung zur Daten über den Zeitraum von 1953 - BUSS, Sandro: Dynamical aspects of po- Solarstrahlungsvorhersage. 2000. lar stratospheric cloud formation, de- REISE, Christian: Entwicklung von Ver- PEER, Cathleen: An Evaluation of Weat- nitrification and ozone loss. fahren zur Prognose des Ertrags groß- her Parameters Causing Aircraft De- CAMPANA, Mike: Variability of Trace flächiger Energieversorgungssysteme parture and Arrival Delays at Vienna Gases at the Alpine site Arosa in rela- auf der Basis von Satelliteninforma- International Airport. tion to Meteorological Processes. tionen. RIEDL, Claudia: Retrieval of limnologi- cal parameters from spectral optical KNOPF, Daniel: Thermodynamic Proper- ties and Nucleation Processes of Up- Diplom-Hauptprüfungen measurements. per Tropospheric and Lower Stratos- GIRODO, Marco: Untersuchung von 3D- WEISSMANN, Martin: Temporal Evolu- tion and Structure of Foehn in the pheric Aerosol Particles. Wolkeneffekten auf die satelliten-ge- Wipp Valley on 2 and 3 October 1999. stützte Berechnung der solaren Ein- ZENKL, Christian: Kälterückfälle im Mo- strahlung. Examina früherer Jahre sind in folgen- nat Juni. MESSERSCHMIDT, Janina: Grenzen den Heften veröffentlicht: der Gültigkeit des logarithmischen Windprofils und die Erweiterung in Universität Wien Heft Prüfungsjahrgang die untere Ekmanschicht. meteo 0 1968 RIEDEL, Volker:Adaptation and Valida- Institut für Meteorologie und Geophysik 1/2 71 1969 tion of the Phoenics CFD Software Promotion 1/2 71 1970 for Wind Resource Assessment in BECK, Alexander: Datenassimilation 2 72 1971 und Dynamik von Fehlerkovarianzen Complex Terrain. 1 73 1972 in atmosphärischen Modellen. 2 74 1973 Universität Graz Diplom-Hauptprüfungen 2 75 1974 ANTRETTER, Norbert: Modifizierte 1 76 1975 Promotion Auswerteverfahren für aerogamma- 1 77 1976 CASADIO, Stefano: Water Vapour Mea- spektrometrische Messungen zur Ver- 2/3 78 1977 surements from Space: the Empirical besserung der Nachweisgrenze. Retrieval of Air Mass Factor Techni- BICA, Benedikt: Berechnung eines Git- 1 79 1978 que and ist Application to Global Ozo- termodells mit dem „Optimum Inter- 1/2 80 1979 ne Monitoring Experiment (GOME). polation“ - Verfahren zur objektiven 2/3 81 1980 räumlichen Analyse von meteorologi- 3/4 82 1981 schen Stationsdaten im Alpenraum. 1/2 83 1982 Universität Innsbruck CHIMANI, Barbara: Föhnstudien im 2/3 84 1983 Rheintal anhand des Bodenmessnet- Dissertationen zes. 2/3 85 1984 FISCHER, Andrea: Icedynamics of Vat- HEPPBERGER, Paul: Quantitative Aus- 2/3 86 1985 1.Teil najökull, Iceland, investigated by me- wertung magnetischer Messungen 4 86 1985 2.Teil ans of ERS SAR Interferometry. mithilfe neuraler Netze. 3/4 87 1986 GOHM, Alexander: Contributions to the KUMMERER, Eva: Analyse der stati- 4 88 1987 Dynamics of South Foehn: A Gap schen Stabilität im Bereich des Alpen- 3/4 89 1988 Flow Study during the Mesoscale Al- raumes. pine Programme. MERTL, Stefan: Eventdetektion auf der 3/4 90 1989 Basis des Meßsystems „Reftek Texan 3/4 91 1990 1.Teil Diplom-Hauptprüfungen 125“ 1 92 1990 2.Teil GRABNER, Sabine: Messung der Aero- STOTTER, Christian: Numerical Mode- 2/3/4 92 1991 ling of Seismic Noise in Canonical sol-Extinktion mit einem Präzisions 4 93 1992 Filter Radiometer PFR in Innsbruck Structures 1/3 24 1993 und Analyse der Daten. TSCHANETT, Simon: Objektive hoch- 4 24 1994 GRIESSER, Esther: Quantitative Simu- aufgelöste Querschnittsanalyse. WIELKE, Lucia: Schneetage im Alpen- 1/2 26 1995 lation des NOx-Konzentrationsverlau- fes während der Belastungsperiode raum. 3/4 26 1996 im Nov./Dez. 1999. 1/2 27 1997 ISOLA, Georg: Untersuchung von Zirku- Universität Basel 3/4 27 1998 lationsänderungen im Europäisch- 1/2 28 1999 Nordatlantischen Raum mit besonde- Promotion 3/4 28 2000 rer Betrachtung der Auswirkungen VAN GORSEL, Eva: Die Resultate aus 1/4 29 2001 auf die Gletscher in den Ötztaler Al- dem mesoscale Alpine Programme 1/2 30 2002 pen. (MAP) - Riviera Projekt. promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 261

Anschriften der Autoren dieses Heftes

PROF. DR. HARTMUT GRAßL DR. KURT GEORG HOOSS Universität Hamburg Institut für Chemie und Biologie des Meeres Meteorologisches Institut Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg Bundesstraße 55 Postfach 25 03 20146 Hamburg 26111 Oldenburg i. O. E-Mail: [email protected] E-Mail: [email protected]

DIPL.-MET. HELLA BARTELS DIPL.-ING. BERND KATZENBERGER Deutscher Wetterdienst Landesanstalt für Umweltschutz Hydrometeorologie Baden-Württemberg Postfach 10 04 65 Postfach 21 07 52 63004 Offenbach/Main 76157 Karlsruhe E-Mail: [email protected] E-Mail: [email protected]

PROF. DR. LENNART BENGTSSON DIPL.-MET. PETER KRAHE Max-Planck-Institut für Meteorologie Bundesanstalt für Gewässerkunde Bundesstraße 53 Postfach 20 02 53 20146 Hamburg 56002 Koblenz E-Mail: [email protected] E-Mail: [email protected]

PROF. DR. MARTIN HEIMANN PROF. DR. ROBERT SAUSEN Max-Planck-Institut für Biogeochemie Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Abteilung Biogeochemische Systeme Institut für Physik der Atmosphäre Postfach 10 01 64 Postfach 11 16 07701 Jena 82230 Weßling E-Mail: [email protected] E-Mail: [email protected]

PROF. DR. KARL HOFIUS DIPL.-ING. HANS WEBER Kastanienstraße 23 Bayer. Landesamt für Wasserwirtschaft 56154 Boppard Postfach 19 02 41 E-Mail: [email protected] 80602 München E-Mail: [email protected] 262 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Das Heft 3/4, Jahrgang 28, „Numerische Klimamodelle – Was können sie, wo müssen sie verbessert werden? Teil I: Das Klimasystem der Erde“ enthielt folgende Beiträge:

1 H. GRAßL: Das Klimasystem 2 S. BAKAN, E. RASCHKE: Der natürliche Treibhauseffekt 3 E. RASCHKE, M. QUANTE: Wolken und Klima 4 A. HENSE: Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen 5 K. HERTERICH: Variabilität der Erdbahnparameter und Klimaänderungen 6 U. CUBASCH: Variabilität der Sonne und Klimaschwankungen 7 H. GRAF: Klimaänderungen durch Vulkane

Das Heft 1 - 4, Jahrgang 29, „Numerische Klimamodelle – Was können sie, wo müssen sie verbessert werden? Teil II: Modellierung natürlicher Klimaschwankungen“ enthielt folgende Beiträge:

8 H. GRAßL: Natürliche Klimaschwankungen – Eine Einführung 9 W. L. GATES: Ein kurzer Überblick über die Geschichte der Klimamodellierung 10 E. ROECKNER: Allgemeine Zirkulationsmodelle, Atmosphäre 11 R. GERDES, C. W. BÖNING, J. WILLEBRAND: Allgemeine Zirkulationsmodelle, Ozean 12 J. EGGER: Einfache Klimamodelle 13 K. FRAEDRICH, E. KIRK, U. LUKSCH, F. LUNKEIT: Ein Zirkulationsmodell für Forschung und Lehre 14 W.WERGEN: Assimilierung von Messdaten, Atmosphäre 15 J. SCHRÖTER: Assimilierung von Messdaten, Ozean 16 R. SCHNUR, G. HEGERL: Geben die gekoppelten Ozean-Atmosphärenmodelle die natürliche Klimavariabilität wieder? 17 M. LATIF: Simulation und Vorhersage von ENSO-Extremen 18 M. CLAUSSEN: Die Rolle der Vegetation im Klimasystem 19 P. LEMKE, M. HILMER: Meereismodelle 20 R. GREVE: Inlandeismodelle

Das Heft 3, Jahrgang 30, „Numerische Klimamodelle – Was können sie, wo müssen sie verbessert werden? Teil III: Modellierung der Klimaänderungen durch den Menschen, 1. Teilheft“ enthielt folgende Beiträge:

21 H. GRAßL: Einführung 22 E. ROECKNER: Wirkung der erhöhten Treibhausgaskonzentration 23 G. P. BRASSEUR, H. SCHMIDT: Ozonabnahme in der Stratosphäre 24 J. LELIEVELD: Veränderte troposphärische Chemie 25 J. FEICHTER, U. LOHMANN: Aerosole und Klima 26 S. LIESS, L. DÜMENIL-GATES: Wirkung von Landnutzungsänderungen promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004 263

Bisher erschienene Ausgaben von promet

Die Fortbildungszeitschrift promet erscheint im Selbstverlag des Vol.13, 1983, Nr. 1/2 Statistische Methoden der Klimatologie Deutschen Wetterdienstes. In der Regel sind es 4 Hefte pro Jahr- Nr. 3/4 Neuere Ergebnisse der gang. Preis für den vollständigen Jahrgang: 22,50 €; Einzelheft Satellitenmeteorologie 6,50 €; Doppelheft 13.- €; Dreifachheft 19,50 € zuzüglich MwSt. und Versandkosten. Vol.14, 1984, Nr. 1 Das Europäische Zentrum für Mittelfristige Bestellungen nur beim Verlag. Wettervorhersage (EZMW) Nr. 2/3 Maritime Meteorologie Verlagsanschrift: Deutscher Wetterdienst Nr. 4 Klima und Volkswirtschaft I Kaiserleistraße 29/35 63067 Offenbach a. M. Vol.15, 1985, Nr. 1 Klima und Volkswirtschaft II Tel.: 069 8062-4272 / -4270 / -4271 Nr. 2/3 Strahlungstransporte in der Atmosphäre Fax: 069 8062-4123 Nr. 4 Klimarelevante Spurenstoffe I * vergriffene Hefte. Ausleihe in der Bibliothek des Deutschen Vol.16, 1986, Nr. 1 Klimarelevante Spurenstoffe II Wetterdienstes und in anderen Bibliotheken möglich. Nr. 2/3 Hydrometeorologie Nr. 4 Ozon I Vol. 1, 1971, Nr. 1/2 Mikro- und Makroturbulenz Vol.17, 1987, Nr. 1/2 Ozon II und III Vol. 2, 1972, Nr. 1 Numerische Vorhersage* Nr. 3/4 Mesoskaliges Klima Nr. 2 Satellitenmeteorologie I Vol.18, 1988, Nr. 1-3 Das Max-Planck-Institut für Meteorologie Nr. 3 Satellitenmeteorologie II Nr. 4 Meteorologie und Klimatologie der Nr. 4 Wolkenphysik Antarktis I Vol. 3, 1973, Nr. 1 Das barotrope Modell Vol.19, 1989, Nr. 1/2 Meteorologie und Klimatologie der Nr. 2 Geschichte der meteorologischen Antarktis II und III Strahlungsforschung Nr. 3/4 Reaktive Spurenstoffe in der Atmosphäre Nr. 3 Meßtechnik und Automation Nr. 4 Technoklimatologie Vol.20, 1990, Nr. 1/2 Spezielle geophysikalische Verfahren Nr. 3/4 Fernerkundung in der Meteorologie I Vol. 4, 1974, Nr. 1 Die Grenzschicht der Atmosphäre* Nr. 2 Medizinmeteorologie* Vol.21, 1991, Nr. 1/2 Fernerkundung in der Meteorologie II Nr. 3 Instrumente und Methoden Nr. 3/4 ALPEX - Das Alpine Experiment I Nr. 4 Vorhersageprüfung* Vol.22, 1992, Nr. 1 ALPEX - Das Alpine Experiment II Vol. 5, 1975, Nr. 1 Agrarmeteorologie heute Nr. 2-4 Meteorologie der Mittleren Atmosphäre Nr. 2 Die chemische Zusammensetzung der Vol.23, 1993, Nr. 1/2 Wolkenphysik und Wolkendynamik I unteren Atmosphäre I, Gase* Nr. 3 Wolkenphysik und Wolkendynamik II Nr. 3 Die chemische Zusammensetzung der Nr. 4 Allgemeine Themen unteren Atmosphäre II, Aerosole Nr. 4 GATE I Vol.24, 1995, Nr. 1/3 Wettervorhersagedienst I Nr. 4 Wettervorhersagedienst II Vol. 6, 1976, Nr. 1 GATE II Nr. 2 Die Allgemeine Zirkulation der Vol.25, 1996, Nr. 1/2 Wettervorhersagedienst III Atmosphäre Nr. 3 Beiträge zur Grundfragen d. Meteorologie Nr. 3 Das barokline Modell Nr. 4 Das Meteorologische Observatorium Nr. 4 Die Energetik der Allgemeinen Hohenpeißenberg I Zirkulation der Atmosphäre Vol.26, 1997, Nr. 1/2 Das Meteorologische Observatorium Vol. 7, 1977, Nr. 1 Radioaktivität der Atmosphäre Hohenpeißenberg II Nr. 2 Luftelektrizität I Nr. 3/4 Photosmog I Nr. 3 Luftelektrizität II Nr. 4 Klimaschwankungen Vol. 27, 2001, Nr. 1/2 Photosmog II Nr. 3/4 Die neue Modellkette des DWD I Vol. 8, 1978, Nr. 1 Aktuelle Probleme der Flugmeteorologie Vol. 28, 2002, Nr. 1/2 Die neue Modellkette des DWD II Nr. 2/3 Anthropogene Klimamodifikation Nr. 3/4 Numerische Klimamodelle Nr. 4 Sturmfluten und Seegang I Teil I: Das Klimasystem der Erde Vol. 9. 1979, Nr. 1 Sturmfluten und Seegang II Vol. 29, 2003, Nr. 1-4 Numerische Klimamodelle Nr. 2/3 Zirkulationsmodelle Teil II: Modellierung natürlicher Nr. 4 Stadtklima Klimaschwankungen Vol.10, 1980, Nr. 1/2 Klimamodelle Vol. 30, 2003, Nr. 1/2 Umweltmeteorologie Nr. 3 Klima und Planung I Vol. 30, 2004, Nr. 3 Numerische Klimamodelle Nr. 4 Klima und Planung II Teil III: Modellierung der Klimaänderungen Vol.11, 1981, Nr. 1 Meso-scale Modelle durch den Menschen, 1. Teilheft Nr. 2/3 Transport und turbulente Diffusion Vol. 30, 2004, Nr. 4 Numerische Klimamodelle von Luftbeimengungen Teil III: Modellierung der Klimaänderungen Nr. 4 Flugmeteorologische Probleme der durch den Menschen, 2. Teilheft planetarischen Grenzschicht Vol.12, 1982, Nr. 1/2 Synoptische Meteorologie heute Zentraler synoptischer Dienst* Nr. 3/4 Biometeorologie 264 promet, Jahrg. 30, Nr. 4, 2004

Bezugsbedingungen von promet

Herausgeber der Fortbildungszeitschrift promet ist der Deutsche Wetterdienst (DWD) mit Sitz in Offenbach am Main. Demzufolge erhalten die Mitarbeiter (Meteorologen und Wetterberater) des DWD sowie des Geophysikalischen Beratungsdienstes der Bundeswehr (GeophysBDBw) mit Sitz in Traben-Trarbach promet auf dem Dienstweg. Ferner gibt der DWD promet kostenlos ab an die fest ange- stellten Mitarbeiter der meteorologischen Universitätsinstitute in Deutschland. Dabei verbindet der DWD die Hoffnung, dass auch dieser Empfängerkreis sich bereit erklärt, Themen zur Bearbeitung für promet zu übernehmen. Die Verteilung der einzelnen Ausgaben vom promet an die genannten Empfängerkreise erfolgt zentral durch die Bibliothek des DWD. Wenden Sie sich daher bei Nichterhalt von promet bitte direkt dorthin:

DWD/Bibliothek, Kaiserleistraße 29/35, 63067 Offenbach am Main.

Personen sowie Institutionen, die nicht zu dem oben genannten Empfängerkreis gehören, können promet wie folgt erhalten: durch den Kauf eines Einzelheftes durch den Abschluss eines Belieferungsabonnements.

Ihre Bestellung richten Sie bitte an die Bibliothek des DWD, die Sie auch über die weiteren Bezugsbedingungen sowie Preise informiert.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass eine Übereinkunft zwischen dem DWD und der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft e.V. (DMG) Mitgliedern der DMG ermöglicht, promet im Rahmen ihrer Mitgliedschaft kostenfrei zu erwerben. Weitere Einzelheiten können der Internet-Seite: http://www.dmg-ev.de entnommen werden.

Redaktionelle Hinweise für Autoren

1 Allgemeines Vorlagen (Fotos mit Hochglanz, Strich- – Zeitschriftenaufsatz: zeichnungen mit schwarzer Tusche und KURZ, M., 1982: Zum Einfluss diaba- promet dient der Fortbildung von Meteo- klarer Beschriftung). Legenden zu den tischer Prozesse auf die Frontogenese rologen und Wetterberatern. Die Beiträge Abbildungen auf besonderem Blatt bei- in Bodennähe. Meteorol. Rdsch. 35, zum Thema des Heftes sollen den neues- fügen. 21–30. ten Stand des zu behandelnden Spezial- gebietes auf wissenschaftlicher Basis in ei- – Buch: ner verständlichen und anschaulichen 2.4 Formeln, Gleichungen SCHÖNWIESE, C.-D., 1980: Klima- Weise darstellen. Auf das Notwendige beschränken, deut- schwankungen. Berlin: Springer-Ver- lich lesbar mit fortlaufender Nummerie- lag, 181 S. 2 Textunterlagen rung in runden Klammern am rechten Textrand. 2.1 Textdisketten 3 Korrekturen Erstellt im Programm Word als DOC-, Autoren, die das Thema des Heftes be- 2.5 Tabellen RTF-, TXT-Dokument oder in einem handeln, erhalten Fahnenabzüge ihres kompatiblen Programm. Zu jeder auf Nur im notwendigen Umfang, klar und Beitrages zur Korrektur. Die Umbruch- Diskette erstellten Seite wird ein Aus- übersichtlich, ggf. auch als Abbildungen korrekturen werden von der Haupt- druck benötigt. schriftleitung durchgeführt. 2.6 Literaturzitate 2.2 Gliederung 4 Belegexemplare, Fortdrucke Literaturhinweise im Text: ... MÜLLER Nummerierung der Haupt- und Unter- (1980) ... oder ... (MÜLLER 1980) ... Autoren von Fachbeiträgen erhalten je 5 abschnitte nach dem Dezimalsystem Belegexemplare des betreffenden Heftes. (1, 1.1, 1.2 ..., 2, 2.1, 2.2 usw.). Literaturverzeichnis: Zusätzliche Exemplare können gegen Er- – Autoren in alphabetischer Reihenfol- stattung der Fortdruckkosten bei der 2.3 Abbildungen, graphische Darstellungen ge. Herausgeber werden durch den Rücksendung der Korrekturen bestellt Kontrastscharfe und reproduktionsfähige Zusatz: „Hrsg.“ gekennzeichnet. werden.

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