Kubatzki, Claudia

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Wechselwirkungen zwischenKlima und Landoberflächeim Holozän- Modellstudien -von Claudia KubatzkiPotsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK)Telegrafenberg14412 PotsdamDissertation zur Erlangung des Grades „Doktor der Naturwissenschaften”am Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität BerlinAbgabe: 4. September 2000Disputation: 14. November 2000Erstgutachter: Prof. Dr. M. ClaussenZweitgutachter: Prof. Dr. M. GebDie vorliegende Dissertation wurde unter Betreuung von Prof. Dr. Martin Claussen amPotsdam-Institut für Klimafolgenforschung angefertigt.Sie ist nach den Regeln der neuen deutschen Rechtschreibung verfasst.Teile der Arbeit wurden durch das EU-Projekt Nr. ENV4-CT97-0696 gefördert.ZusammenfassungIn der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von Simulationen eines globalen Klimasystem-Modells mittlerer Komplexität für das Holozän präsentiert und die Belastbarkeit der Ergebnisse im Hin-blick auf veränderte Versuchsdurchführungen und Parameterisierungen der Landoberfläche untersucht.Die Beschaffenheit des Modells CLIMBER erlaubte es erstmalig, Simulationen unterschiedlicherModellkonfigurationen (Komponenten: Atmosphäre, Ozean, Vegetation; letztere beide entweder veränder-lich oder auf einen vorgegebenen Zustand festgesetzt) durchzuführen und so auf konsistente Art den Ein-fluss der verschiedenen Klima-Untersysteme wie auch Synergieeffekte abzuschätzen. Die jeweiligenEffekte werden anhand von Verstärkungsfaktoren verdeutlicht. Auch die hier präsentierten transientenSimulationen waren mit bisherigen Modellen so nicht möglich.Gleichgewichts-Simulationen für 6000 Jahre vor heute zeigen - ähnlich wie andere Modelle - einwärmeres und feuchteres Klima in der (sommerlichen) Nordhemisphäre, eine nordwärtige Ausdehnungborealer Wälder und eine weit verbreitete Vegetation im Gebiet der Sahara. Die Synergie, die sich durchwechselseitige Verstärkung von Vegetations-Schnee-Albedo-Effekt und Meereis-Albedo-Effekt vor allemin hohen nördlichen Breiten ergibt, bewirkt dort nahezu ganzjährig höhere Temperaturen, was das ver-meintliche Biomparadoxon in den geologischen Daten auflöst. Sie führt außerdem durch Reduzierung desnordwärtigen Wärmetransportes im Atlantik zu einer Erwärmung der antarktischen Region. Die Subtropensind von Synergieeffekten nur wenig beeinflusst.Transiente Simulationen über die letzten 9000 Jahre zeigen einen allmählichen Rückgang der höhe-ren Sommertemperaturen in der Nordhemisphäre wie auch einen entsprechend langsamen Rückzug derborealen Wälder. Einzig in Nordafrika kommt es durch die starke positive Wechselwirkung zwischen Nie-derschlägen und Vegetation zu einem abrupten Rückzug der Vegetation um 5500 Jahre vor heute.Veränderungen der Bodenenergie- und -feuchtebilanzen zwischen zwei Simulationen werden außerauf atmosphärische Größen auch auf einzelne Parameter zurückgeführt. Diese bestimmen vor allem Diffe-renzen zwischen den unterschiedlichen Oberflächentypen mit ihren gegebenenfalls veränderlichen Flä-chenanteilen. Daher wird hier neben Empfindlichkeitsstudien zu veränderten Versuchsdurchführungenzusätzlich der Einfluss dieser Oberflächenparameter im Modell untersucht:a) Auf unterschiedlich gewählte Anfangs- oder Randbedingungen reagiert vor allem das Meereis. DieVegetation zeigt erst gegenüber unrealistischen Anfangsbedingungen eine gewisse Sensibilität. In derSahara können so Unterschiede des Vegetationsanteils von bis zu 20% auftreten.b) Die Reaktion der Vegetation auf Veränderungen des Ozeans hängt für verschiedene Regionen Nordafri-kas auf unterschiedliche Weise von den Einstrahlungsbedingungen ab.c) Die transienten Simulationen sind stabil gegenüber Änderungen der Anfangsbedingungen.d) Der Zeitpunkt von Vegetationsumbrüchen kann sich etwa durch Änderung der Randbedingungen in derGrößenordnung von hundert Jahren verschieben.e) Es wird ein Hysterese-Effekt in der Größenordnung von wenigen hundert Jahren beobachtet.f) Die Vegetationsausbreitung in borealen Breiten und in den Subtropen ist jeweils vom Ozean sowohl inhohen als auch in niederen Breiten abhängig.g) In borealen Breiten zeigt sich eine gewisse Sensibilität des Modells vor allem gegenüber - im Rahmender gegebenen Unsicherheiten - unterschiedlich gewählten Werten der Rauigkeitslänge und der Parame-terisierung des Schneeanteils, weniger gegenüber dem Blattflächenindex. Differenzen des Vegetations-anteils betragen so weniger als 10%.h) In Nordafrika können die unterschiedlich gewählten Werte der Rauigkeitslänge hier Differenzen von biszu 35% hervorrufen. Die Albedowerte in der Sahara beeinflussen deutlich auch das Klima im Sahel, dasKlima in der Sahara wird stark von der Albedo in den zentralasiatischen Wüsten beeinflusst.Mit Veränderungen der Oberflächenparameter ist es möglich, Abweichungen der Modellresultate von denBeobachtungsdaten zu verringern. Erst derartige - in den üblichen Darstellungen häufig vernachlässigte -Empfindlichkeitsstudien haben gezeigt, dass sich zwar quantitative Differenzen etwa in der Vegetationsbe-deckung von einigen zehn Prozent ergeben können, die Modellresultate im Hinblick auf die Landoberflä-che jedoch qualitativ belastbar sind.InhaltEinleitung 1I   Grundlagen 71 Die Landoberfläche 71.1 Wechselwirkungen zwischen Klima, Böden und Vegetation ..................................71.2 Bisherige Studien .....................................................................................................91.3 Boreale Breiten und Nordafrika .............................................................................112 Paläoklima 152.1 Geologische Methoden ..........................................................................................152.2 Das Quartär ............................................................................................................152.3 Vegetation im Holozän ..........................................................................................253 Das Modell 273.1 Vor- und Nachteile bisheriger Klimamodelle ........................................................273.2 CLIMBER-2.1 .......................................................................................................283.3 Simulation des heutigen Klimas ............................................................................38II   Simulationen des Holozäns 414 Aufbau der Untersuchungen 414.1 Gleichgewichts-Simulationen ................................................................................414.2 Transiente Simulationen ........................................................................................424.3 Verstärkungsfaktoren .............................................................................................445 Ergebnisse der Gleichgewichts-Simulationen 495.1 Folgen der veränderten Erdbahnparameter ............................................................495.2 Folgen des veränderlichen Ozeans ........................................................................525.3 Folgen der veränderlichen Vegetation ...................................................................575.3.1 Boreale Breiten .............................................................................................575.3.2 Nordafrika .....................................................................................................595.3.3 Diskussion .....................................................................................................615.4 ‘Wechselwirkungen’ zwischen Vegetation und Ozean: Synergie .........................625.4.1 Synergie und Biomparadoxon .......................................................................625.4.2 Boreale Breiten .............................................................................................635.4.3 Nordafrika .....................................................................................................635.4.4 Antarktis ........................................................................................................655.5 Vergleich mit geologischen Befunden ...................................................................666 Ergebnisse der transienten Simulationen 696.1 Folgen sich verändernder Erdbahnparameter ........................................................696.2 Folgen des veränderlichen Ozeans ........................................................................706.3 Folgen der veränderlichen Vegetation ...................................................................716.3.1 Boreale Breiten .............................................................................................726.3.2 Nordafrika .....................................................................................................746.4 ‘Wechselwirkungen’ zwischen Vegetation und Ozean: Synergie .........................786.4.1 Boreale Breiten .............................................................................................786.4.2 Nordafrika .....................................................................................................806.5 Vergleich mit geologischen Befunden ...................................................................806.6 Zusammenfassung: Simulationen des Holozäns ...................................................827 Empfindlichkeitsstudien: Versuchsdurchführung 857.1 Motivation ..............................................................................................................857.2 Unterschiedliche Anfangsbedingungen .................................................................857.2.1 Gleichgewichts-Simulationen .......................................................................857.2.2 Transiente Simulationen ...............................................................................877.3 ‘Inverse’ Simulationen ...........................................................................................887.3.1 Gleichgewichts-Simulationen .......................................................................887.3.2 Transiente Simulationen ...............................................................................917.4 Festsetzen auf holozäne Bedingungen ...................................................................927.4.1 Gleichgewichts-Simulationen .......................................................................927.4.2 Transiente Simulationen ...............................................................................937.5 Stabilität der simulierten Vegetationsunterschiede ...............................................977.5.1 Gleichgewichts-Simulationen .......................................................................977.5.2 Transiente Simulationen .............................................................................1027.6 Zusammenfassung ...............................................................................................103III   Darstellung der Landoberfläche 1078 Prozesse in den Simulationen des Holozäns 1078.1 Motivation ............................................................................................................1078.2 Veränderungen innerhalb der Oberflächentypen .................................................1128.2.1 Boreale Breiten ...........................................................................................1128.2.2 Nordafrika ...................................................................................................1178.3 Unterschiede zwischen den Oberflächentypen ....................................................1218.3.1 Boreale Breiten ...........................................................................................1218.3.2 Nordafrika ...................................................................................................1248.4 Zusammenfassung ...............................................................................................1269 Empfindlichkeitsstudien: Parameterisierungen 1299.1 Motivation ............................................................................................................1299.2 Unterschiede zwischen den Oberflächentypen ....................................................1309.2.1 Beschreibung der Empfindlichkeitsstudien ................................................1309.2.2 Unterschiede zwischen Gras und Wüste .....................................................1359.2.3 Unterschiede zwischen Gras und Bäumen ..................................................1409.3 Veränderungen innerhalb der Oberflächentypen .................................................1459.3.1 Beschreibung der Empfindlichkeitsstudien ................................................1459.3.2 Stärkere Sensibilität ....................................................................................1499.3.3 Geringere Sensibilität ..................................................................................1549.4 Zusammenfassung ...............................................................................................15410 Überblick und Ausblick 157Literatur 163DanksagungAn dieser Stelle möchte ich mich bei Martin Claussen für sein Vertrauen und bei AndreyGanopolski für viele Unterhaltungen über Gott und die Welt, wie auch bei VladimirPetoukhov und Victor Brovkin und überhaupt beim gesamten CLIMBER-Team für dienette Atmosphäre und für dreieinhalb spannende und in tausendundeiner Hinsicht lehr-reiche Jahre bedanken.Mein besonderer Dank gilt zudem meinen Kollegen Ursula Werner, Uwe Böhm undDietmar Gibietz, die mir jederzeit offen mit Rat und Tat zur Seite standen.Dankeschön auch an Wolfgang Lucht für das freiwillige Korrigieren dieses Millennium-Werkes.Von unschätzbarem Wert war und ist zu jeder Zeit die Unterstützung durch meine Eltern,meine Familie und durch Freunde und Bekannte.LebenslaufClaudia Kubatzkigeboren am 15. Juli 1970 in Bad HarzburgEltern: Gunder Kubatzki und Brigitte Kubatzki, geborene WyrzgolSchule:September 1973 - Juni 1977 Kindergarten Bad HarzburgAugust 1977 - Juli 1981 Gerhart-Hauptmann-Grundschule Bad HarzburgAugust 1981 - Juli 1983 Orientierungsstufe Bad HarzburgAugust 1983 - Mai 1990 Niedersächsisches Internatsgymnasium Bad HarzburgAbitur mit Note 1,5Universität:Oktober 1990 - Oktober 1996 Studium der Meteorologie, Universität HamburgVordiplom mit Note gutDiplom mit Note sehr gutDiplomarbeit zum Thema: ‘Numerische Experimente zu den globalen bio-geophysi-kalischen Wechselwirkungen während des Letzten Glazialen Maximums’ bei MartinClaussen (damals Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg)Praxis:August 1993 Praktikum Agrarmeteorologische Beratungs- und ForschungsstelleQuickborn des Deutschen WetterdienstesDezember 1994 - September 1995 Studentische Hilfskraft (Claussen, damals Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg)Ende 1996 Werkvertrag ‘Erstellung Modell-Datenbank Holozän’ (Claussen, PIK)Berufliche Tätigkeiten:seit Februar 1997 Doktorandin am PIKHiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderenals die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet zu haben.Potsdam, den 01.09.00Claudia Kubatzki

Wechselwirkungen zwischen Klima und Landoberfläche im Holozän - Modellstudien -

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