Einfluss der solar-, vulkanischen und internen Variabilität auf das Klima

Teilprojekt 1:

Charakterisierung der internen Variabilität der Atmosphäre (CHIARA)
Bergische Universität Wuppertal, Institut für Atmosphären- und Umweltforschung
Prof. Dr. Ralf Koppmann, E-mail: koppmann@uni-wuppertal.de
Peter Knieling, E-mail: knieling@uni-wuppertal.de
Dirk Offermann, E-mail: offerm@uni-wuppertal.de

Teilprojekt 2:

Modellierung und Verständnis von Änderungen der Sonneneinstrahlung - Phase II (MUSIC-II)
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Göttingen
Dr. Natalie Krivova, Email: natalie@mps.mpg.de
Prof. Dr. Sami K. Solanki, Email: solanki@mps.mpg.de
Dr. Theodosios Chatzistergos, Email: chatzistergos@mps.mpg.de
Dr. Kok Leng Yeo, Email: yeo@mps.mpg.de

Teilprojekt 3:

Wie hat die Triade des solaren und vulkanischen Antriebs und der Variabilität der Ozeane das frühe 19. Jahrhundert geprägt und könnte das zukünftige Klima Europas beeinflussen? (TRIAD)

Max Planck Institute for Meteorology (MPI-M), Bundesstr. 53, 20146 Hamburg
Dr. Claudia Timmreck, Email: claudia.timmreck@mpimet.mpg.de
Dr. Hauke Schmidt, Email: hauke.schmidt@mpimet.mpg.de
Dr. Johann Jungclaus, Email: johann.jungclaus@mpimet.mpg.de

ISOVIC ist ein Beitrag zu den wissenschaftlichen Fragen:

• Wie beeinflusst die Variabilität der Sonne, durch Änderungen der Zirkulation, die physikalischen Prozesse und die chemische Zusammensetzung in der mittleren Atmosphäre sowie Änderungen des Klimas der Troposphäre?
  
  
• Wie koppelt der Antrieb aus der Troposphäre, insbesondere anthropogene Einflüsse, über Effekte auf die mittlere Atmosphäre zurück in die Troposphäre und verändert das Klima?

Verbundprojekt ISOVIC (Einfluss der solaren, vulkanischen und internen Variabilität auf das Klima)

Eine Verbesserung der Unsicherheiten bei der Vorhersage des Klimawandels in den nächsten Jahrzehnten ist insbesondere für politischen Maßnahmen zur Anpassung und für die Entwicklung von Minderungsstrategien entscheidend. Neben spezifischen Unsicherheitsfaktoren wie Veränderungen des Strahlungsantriebs durch Wolken und Aerosolpartikel oder Veränderungen dynamischer Prozesse auf verschiedenen Skalen in einer wärmeren Welt ist ein fundierteres Wissen über mögliche intrinsische Variationen und die Auswirkungen von internen und externen Einflüssen von großer Bedeutung.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die interne Variabilität der Atmosphäre bzw. des gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Systems einen signifikanten Einfluss auf den langfristigen Temperaturverlauf in der Atmosphäre zu haben scheint. Temporäre interne Einflüsse wie Vulkanausbrüche und langfristige externe Einflüsse wie Veränderungen der Sonnenaktivität können diese Variabilität überlagern und möglicherweise verstärken. Die übergreifenden wissenschaftlichen Fragen des Verbundprojektes sind:

• Können wir auf der Grundlage der Analysen historischer Datenarchive und Simulationen die Auswirkungen intrinsischer Variabilität sowie interner und externer Einflüsse auf die Klimaschwankungen verstehen?
• Können wir das verbesserte Verständnis nutzen, um Unsicherheiten bei Vorhersagen über die zukünftige Klimaentwicklung zu reduzieren?
• Ist es möglich, natürliche Effekte und anthropogene Einflüsse auf den Klimawandel zu unterscheiden?

Das vorgeschlagene Projekt besteht aus drei Teilen:

• Untersuchung der intrinsischen Variabilität durch die Analyse von Langzeit-Modelldatensätzen und atmosphärischen Messungen (satelliten- und bodengestützte Datensätze) (SP1 CHIARA).
• Untersuchung von Veränderungen der Sonneneinstrahlung, um das Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zu verbessern und die Unsicherheit in der Amplitude der langfristigen Variabilität der Sonneneinstrahlung zu reduzieren (SP2 MUSIC-II).
• Untersuchung der Auswirkungen von Vulkanausbrüchen und Veränderungen der Sonnenaktivität unter vergangenen, gegenwärtigen und zukünftigen Bedingungen auf der Grundlage von Klimaantriebsdaten aus dem frühen 19. Jahrhundert, der am besten dokumentierten Periode, in der vermutlich natürliche Einflüsse (Klimaantriebe) die Klimaschwankungen dominiert haben (SP3 TRIAD).

Innerhalb von ISOVIC sind die drei Unterprojekte eng miteinander verbunden. So wird CHIARA die TRIAD-Modellläufe nutzen, um nach langperiodischen Schwingungen unter verschiedenen Modell- (Antriebs-) Bedingungen zu suchen. TRIAD-Modellläufe wiederum können die Informationen über potenzielle selbsterregte Schwingungen nutzen, um mögliche Verstärkungseffekte zu untersuchen. Einige Schwingungsperioden, die in früheren Untersuchungen gefunden wurden und in CHIARA weiter untersucht werden, können durch Sonnenaktivität verursacht werden. Daher werden die von MUSIC-II gelieferten Gesamtstrahlungsdaten und spektral aufgelösten Strahlungsdaten auch auf Langzeitschwankungen analysiert, um zu testen, ob ähnliche Perioden gefunden werden können wie bei den selbsterregten Schwingungen. Da die Eindringtiefe der Sonneneinstrahlung stark wellenlängenabhängig ist, helfen die Ergebnisse der Variabilität der spektral aufgelösten Strahlungsdaten, die Unterschiede in verschiedenen Höhenregionen der Atmosphäre zu verstehen. Gleichzeitig ist die Kenntnis dieser Variabilität ein wichtiger Eingangsparameter für die TRIAD-Modellläufe. Mögliche langfristige Änderungen der Strahlungsdaten, die sich aus einem besser bestimmten säkularen Trend (MUSIC-II) ableiten lassen, werden die Simulationsergebnisse möglicherweise verändern und verbessern.

Als Gesamtergebnis von ISOVIC werden wir unser Verständnis dafür verbessern, wie sich natürliche Einflüsse (Vulkane, Sonnenaktivitätsschwankungen) auf das Klima der Erde auswirken. Insbesondere wird ISOVIC mit einer Reihe von Erdsystem-Modellsimulationen die Wahrscheinlichkeit multidekadischer Kälteperioden in Europa, wie sie in der Vergangenheit (z.B. Anfang des 19. Jahrhunderts) stattgefunden haben, unter heutigen und zukünftigen Bedingungen mit erheblichem menschlichen Einfluss untersuchen. Wichtige Aspekte dabei sind die robuste Schätzung der Änderungen der Bestrahlungsstärke seit dem Maunder-Minimum inkl. einer neuen Zeitreihe der totalen solaren Einstrahlung, mit deutlich reduzierten Unsicherheiten im säkularen Bereich sowie das verbesserte Prozessverständnis darüber, inwieweit selbst angeregte Schwingungen den Temperaturverlauf beeinflussen und durch externe Anriebe gedämpft oder verstärkt werden können. Die ISOVIC-Ergebnisse werden dazu beitragen, Unsicherheiten bei zukünftigen Klimavorhersagen zu verringern, die zu präziseren Empfehlungen für politische Maßnahmen in Bezug auf Anpassungs- und Minderungsstrategien führen würden.