Thomas Bruckner* und Kirsten Zickfeld**

Kippt der “Golfstrom” um? Stabilitätskriterien für die

Nordatlantikströmung

Arbeitskreis Energie der DPG • Bad Honnef • 27. April 2006

*Institut für Energietechnik,Technische Universität Berlin

**School of Earth and Ocean Sciences, University of Victoria, Canada

Gliederung

Einleitung

► Stabilität des Nordatlantikstromes

► Integrierte inverse Analyse des globalen Klimawandels

Integrierte inverse Analyse der Stabilität des Nordatlantikstromes:das Integrated-Assessment-Modell dimrise

► Überblick

► Dynamisches Modell des Nordatlantikstromes

► Vereinfachtes Klimamodell

► Aggregiertes Weltwirtschaftsmodell

Modellanwendung und exemplarische Ergebnisse

► Kosteneffektivitätsanalyse

► Leitplankenansatz

Stabilität des Nordatlantikstromes

Globale thermohaline Zirkulation - THC (thermohaline circulation)

Quelle: Rahmstorf, Nature, 2002

Golfstrom

Nordatlantikstrom

Der Nordatlantikstrom:die „Warmwasserheizung“ Europas

Abweichung der Durchschnittstemperatur vom breitenkreisabhängigen Mittelwert [°C]

Quelle: Rahmstorf, PIK

Der Einfluss der globalen Erwärmung auf die Stärke des Nordatlantikstromes

Quelle: D. Kasang, MPI, Hamburg

Zusammenbruch des Nordatlantikstromes

Quelle: Rahmstorf, 1996

Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes

(NADW = North Atlantic Deep Water Formation)

Box 1

Volumen V

T1, S1

Box 2

V

T2, S2

Äquatorregion Polarregion

T1 T2W W

Süßwassertransport

q

q

Nordatlantik

Stommel Modell (1961)

Zusammenbruch des Nordatlantikstromes

Quelle: Rahmstorf, PIK

Einfluss der globalen Erwärmungauf die Stärke des Nordatlantikstromes

Unsicherheitsursachen

Definition von h:

F(t) = h.TNH(t)

F(t) = zusätzlicher Süßwassereintrag in den Nordatlantik

TNH(t) = Veränderung der Atmosphärentemperatur der Nordhemisphäre

anfängliche THC-Stärke

minit

Klimasensitivität T2xCO2

Hydrologische Sensitivität

h

Simulierte Stärke der Atlantischen Zirkulation(relativ zum Mittelwert der Jahre 1961–1990) für das IS92a Business-as-usual Emissionsszenario

1 Sv = 1 Sverdrup = 106m3/s

Quelle: IPCC, TAR, 2001

Einfluss der globalen Erwärmung auf die Stärke des Nordatlantikstromes

Quelle: Rahmstorf, Nature, 1999

Klimamodelle:

PIK: CLIMBER2 (Potsdam)GFDL: R15 (Princeton)CSIRO: GM version (Melbourne) CCC: GCM2/MOM1.1 (Victoria)Hadley: HADCM2 (Bracknell) MPI: ECHAM4/OPYC (Hamburg)

CO2-Konzentration

Globale Mitteltemperatur

Kontrolllauf

0

0.2

ppm

°C

Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999

Langfristige Entwicklung

Sv

°C

Stärke des Nordatlantik-stromes

Nordatlantiktemperatur

0

0.1

0.15

0.2

C

0

0.2

Quelle: Rahmstorf and Ganopolski, Climatic Change, 1999

Langfristige Entwicklung

(als Funktion der hydrologischen Sensitivität)

Integrierte inverse Analyse

des globalen Klimawandels

Leitplankenansatz (Tolerable Windows Approach)

► Informierte, explizit normative Vorgabe von Leitplanken zum

Ausschluss von

►intolerablen Klimafolgen sowie von

►sozio-ökonomisch nicht-akzeptablen

Emissionsminderungsmaßnahmen

► Wissenschaftliche Analyse der Wechselwirkungen

zwischen den problemrelevanten Subsystemen

(globale Volkswirtschaft, Klima, Ökosysteme)

► Ermittlung der Gesamtheit aller unter Beachtung der normativ

gesetzten Grenzen zulässigen Klimaschutzstrategien durch den

Einsatz eines dafür geeigneten Integrated-Assessment-Modells

Quelle: Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU, 1995)

Konzeptionelle Betrachtung

► Normative Leitplankensetzung:

To

lera

nzg

rad0

1

Klimawandel

To

lera

nzg

rad 0

1

Emissionsreduktion

Klimafolgen (KF):

Sozioökonomische Folgen von Klimaschutz-maßnahmen (SF)

► Wissenschaftliche Analyse:

Klim

aw

an

de

lEmissionsreduktion

► Ermittlung der Gesamtheit aller zulässigen Klimaschutzstrategien:

To

lera

nzg

rad 0

1

Emissionsreduktion

To

lera

nzg

rad 0

1

EmissionsreduktionT

ole

ran

zgra

d 0

1

Emissionsreduktion

Quelle: Bruckner et al., Environmental Modeling and Assessment (1999)

Integrated-Assessment Modelle

Wirtschaftsmodell

Klimamodell

Spurengasmodelle

Energiesystemmodell &Agrarmodell

Demographie Technischer Fortschritt

Klima-folgen-modell 1

Klima-folgen-modell 2

Klimaschäden

Sta

atlic

he

Rah

men

bedi

ngun

gen

Lei

tpla

nken

(G

renz

wer

te)

Klima-folgen-modell 3

Integrierte inverse Analyse der

Stabilität des Nordatlantikstromes

Das Integrated-Assessment-Modell dimrise

dimrise – dynamic integrated model of regular impacts and singular events

Komponenten

► Dynamisches Modell des Nordatlantikstromes

► Vereinfachtes Klimamodell

► Aggregiertes Weltwirtschaftsmodell

Dynamisches Modell der THC

T·1mV1------ T4 T1–

1 T1 T1– +=

T·2mV2------ T3 T2– 2 T2

T2– +=

T·3mV3------ T1 T3–

3 T3 T3– +=

T·4mV4------ T2 T4– =

S·1mV1------ S4 S1–

S0 F1

V1----------------+=

S·2mV2------ S3 S2– S0 F2

V2----------------–=

S·3mV3------ S1 S3–

S0 F1 F2–

V3--------------------------------–=

S·4mV4------ S2 S4– =

mk 2 1–

0

----------------------------- k S2 S1– T2 T1– –= =

► Dynamisches Boxmodell (Erweiterung des klassischen, statischen Stommel-Modells)

►Kalibriert an Ergebnissen des CLIMBER 2 Klimamodells (Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung)

Quelle: Zickfeld und Bruckner, Integrated Assessment, 2003; Zickfeld, Slawig, und Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)

Gleich-gewichts-lösung (rot)

CLIMBER 2(durchgezogen)

Box-Modell(gestrichelt)

Süßwassereintrag [Sv]

Zir

kula

tions

stä

rke

[Sv]

Einfluss der hydrologischen Sensitivität h

Quelle: Zickfeld, Slawig, and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)

Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der hydrologischen Sensitivität h (gemessen in Sv °C-1)

Einfluss der Temperaturänderungsrate

Quelle: Zickfeld, Slawig and Rahmstorf, Ocean Dynamics 54, 8-26 (2004)

Verhalten des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der Temperaturänderungsrate (gemessen in °C/Dekade)(Hydrologische Sensitivität h = 0.046 Sv °C-1)

Stabilitätsdiagramm des Nordatlantikstromes für verschiedene Werte der hydrologischen Sensitivität

('SS' markiert die Stabilitätskurve von Stocker and Schmittner, Nature, 1997)

Recheneffizientes Klimamodell

Quelle: Bruckner et al., Climatic Change (2003)

► CO2-Kreislauf: Nichtlineare Erweiterung der differentiellen Darstellung der Impulsantwort des 3-dim. HAMOCC Modells(MPI für Meteorologie, Hamburg)

► Klimasystem: Differentielle Darstellung der Impulsantwort des gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modells (GCM) ECHAM 3 (MPI für Meteorologie, Hamburg)

► Weitere Treibhausgase: CH4, N2O, FCKW + Ersatzstoffe, SF6 und Aerosole

► ICLIPS Klimamodell (ICM)

► Komponente des ICLIPS-Modells (Integrated Assessment of Climate Protection Strategies)

DICE – Dynamic Integrated model of Climate and the Economy

► Intertemporales Modell des optimalen Wachstums (Ramsey-Modell) mit endogenen Investitionsentscheidungen und Abbildung der Kapitalakkumulation

► Abbildung der Wertschöpfung durch eine Cobb-Douglas-Produktionsfunktion mit exogenem technologischen Wandel

► Darstellung der sozioökonomischen Emissionsminderungskosten durch Quantifizierung der globalen Wohlfahrtsverluste

► Konzeptionelles Modell (Proof-of-Concept, zu ersetzen durch ein multiregionales Weltwirtschaftsmodell mit endogenem technologischen Wandel)

Aggregiertes Modell des Weltwirtschaftssystems

Quelle: Nordhaus, Science, (1992), Nordhaus und Boyer (2000)

Quantifizierung von Vermeidungskosten

Globale Wohlfahrt: Abdiskontierter globaler Nutzenstrom

CO2-Emissionen:

Prozentualer Wertschöpfungsverlust durch aktive Emissionsreduktion:

Steuergrößen: Emissionsreduktionsniveau (t); Pro-Kopf-Konsum c(t)

))(),(),(()()](1[)( tLtKtAQtttE

ti

tLtcUW t ))(),(()1(

1

2)(/ 1btbQQ

aktive Emissionsreduktion abhängig von der Wertschöpfung

Normative Leitplankensetzung (Constraints)

Klimaleitplanke: Verhinderung eines THC Zusammenbruchs

►Zirkulationsstärke

Sozioökonomische Leitplanken:

►Maximaler prozentualer Wohlfahrtsverlust relativ zur Referenzentwicklung (RC)

►Maximale Anstiegsrate des Emissionsreduktionsniveaus

max)(0 t

maxRC

RC lW

WW

Sv 10)( min mtm

Modellanwendungsmöglichkeiten

Oberste Zielsetzung: Erhaltung der THC

Kosten-Effektivitäts-Analyse

)( s.t. Min minRC

RC mtmW

WW

Leitplankenansatz

)(0

)(

max

maxRC

RC

min

t

lW

WW

mtm

Kosteneffiziente Emissionspfade

Emissionskorridore

Perzeption des globalen Klimawandels

Wissenschaftliche Sichtweise: Normative Sichtweise:

Klimawandel

Klim

afo

lge

n

Nic

ht

sig

nifi

kan

te I

mp

akt

s

Sig

nifi

kan

te,

ab

er

nic

ht

sin

gu

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Im

pa

kts

Ka

tast

rop

ha

le I

mp

akt

s

”Critical Level“ ”Critical Threshold“

Klimawandel

To

lera

nzn

ive

au

To

lera

nzb

ere

ich

Into

lera

nzb

ere

ich

“Critical Level” Leitplanke < ”Critical Threshold“

0

1

Un

en

tsch

eid

ba

rke

it

Exemplarische Modellanwendung

Modellkalibrierung Standard “Worst Case“

Klimasensitivität T2xCO2 2.5 °C 4.5 °C

Hydrologische Sensitivität h 0.03 Sv°C-1 0.05 Sv°C-1

Normative Leitplanken Standardsetzungen

Zirkulationsstärke mmin 10 Sv

Wohlfahrtsverlust Imax 2.0 %

Maximale Anstiegsrate des Emissionsreduktionsniveaus

μmax 1.33 %-Punkte/a.

Emissionskorridor unter Standardbedingungen

Jahr

Glo

bal

e C

O2-E

mis

sio

ne

n [

GtC

/a]

Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

Variation der Klimasensitivität

Jahr

Glo

bal

e C

O2-E

mis

sio

ne

n [

GtC

/a]

Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

Emissionskorridore (“Worst Case“)

Jahr

Glo

bal

e C

O2-E

mis

sio

ne

n [

GtC

/a]

Quelle: Bruckner und Zickfeld (2006)

Zusammenfassung

dimrise

► ein vollständig gekoppeltes Integrated-Assessment-Modell zur Analyse potentieller Instabilitäten der THC

► ermöglicht die Bestimmung kosteneffizienter Emissionspfade sowie die Berechnung von Emissionskorridoren (Proof of Concept)

Standardbedingungen (“Best guess”)

► Kosteneffizienter Pfad entspricht dem ”Business-as-usual”-Szenario

► „weite“ Emissionskorridore

► große Unsicherheit

“Worst-case” Bedingungen

► das ”Business-as-usual”-Szenario verlässt den Emissionskorridor innerhalb der nächsten zwei Dekaden

Ausgewählte Literatur

Petschel-Held, G, H-J Schellnhuber, T Bruckner, F.L Tóth, K Hasselmann: The Tolerable Windows Approach: Theoretical and Methodological Foundations, Climatic Change 41, 303-331 (1999).

Bruckner, T, G Petschel-Held, F.L Tóth, H-M Füssel, C Helm, M Leimbach, H J Schellnhuber: Climate Change Decision-Support and the Tolerable Windows Approach. Environmental Modeling and Assessment 4, 217-234 (1999).

Tóth, F.L, T Bruckner, H-M Füssel, M Leimbach, G Petschel-Held, H-J Schellnhuber: Exploring Options for Global Climate Policy: A New Analytical Framework, Environment 44/5, 22-34 (2002).

Tóth, F.L., T Bruckner, H-M Füssel, M Leimbach, G Petschel-Held: Integrated Assessment of Long-Term Climate Policies: Part 1 - Model Presentation, Climatic Change 56, 37-56 (2003).

Bruckner, T, G Petschel-Held, M Leimbach, F.L Tóth: Methodological Aspects of the Tolerable Windows Approach, Climatic Change 56, 73-89 (2003).

Bruckner, T, G Hooss, H-M Füssel, K Hasselmann: Climate System Modeling in the Framework of the Tolerable Windows Approach: The ICLIPS Climate Model, Climatic Change 56, 119-137 (2003).

Zickfeld, K, T Bruckner: Reducing the Risk of Abrupt Climate Change: Emissions Corridors Preserving the Atlantic Thermohaline Circulation, Integrated Assessment 4, 106-115 (2003).

Kriegler E, T Bruckner: Sensitivity Analysis of Emissions Corridors for the 21st Century, Climatic Change66, 345-387 (2004).

Zickfeld, K, T Slawig, S. Rahmstorf: A Low-order Model for the Response of the Atlantic Thermohaline Circulation to Climate Change. Ocean Dynamics 54(1), 8–26 (2004).

Bruckner, T, K Zickfeld: Low Risk Emissions Corridors for Safeguarding the Atlantic Thermohaline Circulation, Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change (2006, accepted).

Kontakt:

Dr. Thomas Bruckner

Institut für Energietechnik

Technische Universität Berlin

Marchstrasse 18

D-10587 Berlin

Tel.: ++49/30/31424763

Email: bruckner@iet.tu-berlin.de

WWW: http://www.iet.tu-berlin.de/~bruckner