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Alt 17.11.2010, 02:00   #1   Druckbare Version zeigen
Godwael Männlich
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Blick in eine trockene Zukunft - Klima und Umwelt

Ich neige ja dazu, Klima- und Ressourcenthemen eher pessimistisch zu sehen. Allerdings hat kürzlich ein Herr Aiguo Dai vom National Center for Atmospheric Research einen kleinen Review über Dürre und Klimawandel (pdf) publiziert, der mich wie einen sonnigen Optimisten dastehen lässt. Ich bin wirklich ein bisschen erstaunt, dass das keinen zu interessiern scheint.

Dass der Klimawandel mehr Trockenheit bringt ist keine wirklich neue Erkenntnis, aber wie bald und wie schlimm, das war bisher immer die Frage. Einige Effekte sehen wir jetzt schon, in Australien, im Mittelmeerraum, am Amazonas, aber was laut Dai schon in den nächsten zwei, drei Jahrzehnten auf uns zukommt, ist alarmierend. Denn wenn die präsentierten Modelle ungefähr richtig liegen... Aber seht selbst.


Szenario nach Dai für die Dekade ab 2090. Negative Werte stehen für Trockenheit relativ zum jeweiligen regionalen Normal des 20. Jahrhunderts (die Legendenbeschriftung ist in dem Punkt leider irreführend).Bild: UCAR



Dürren sind im Grunde kaum etwas anderes als Wetterkapriolen wie golfballgroße Hagelkörner oder die Herbststürme, die unter mehr oder minder klangvollen Namen[1] regelmäßig Schneisen der Verwüstung durch Mitteleuropa schlagen. Trotzdem ist die Dürre anders. Sie kommt auf leisen Sohlen und bedroht das eigentliche Fundament der Zivilisation, die Landwirtschaft. Gegen magere Böden kann man Düngen, gegen Heuschrecken helfen Pestizide, Hochleistungssorten halfen den Ertrag vervielfachen, doch gegen Dürre wird kein Labor und kein Ingenieur je ein Mittel entwickeln. Der Ertrag nahezu aller Feldfrüchte hängt direkt vom Wasserangebot ab. Das ist das eigentliche Schreckensszenario des Klimawandels: Der Meeresspiegel mag uns Sorgen machen, die Dürre aber müssen wir vor allem anderen fürchten.

Wasserhaushalt im Klimawandel
Zwei gegenläufige Effekte überlagern sich und bestimmen, wie eine wärmere Welt die Wasserkreisläufe verändert: Einerseits verdunstet mehr Wasser, wenn es wärmer ist, und mehr Wasser in der Atmosphäre bedeutet auch – nach dem bewährten Prinzip "runter komm’se immer" – mehr Regen. Andererseits wärmt sich die Landoberfläche stärker auf als das Meer, und so verdunstet das meiste Wasser dort. Zugleich bedeutet mehr Regen nicht gleich mehr Wasser im Boden – starker Niederschlag überfordert die Kapazität des Landes, so dass mehr Wasser sofort wieder abfließt und insgesamt ein kleinerer Anteil für Pflanzen zur Verfügung steht.

Der globale Trend zu schlechter verfügbarem Wasser fällt in einigen Regionen mit tatsächlich nachlassenden Regenfällen zusammen. Vor allem in großen Teilen Afrikas, Süd- und Ostasien, Zentralamerika, Südeuropa und Ostaustralien fällt seit Jahrzehnten weniger Regen. In vielen Teilen der Welt werden Dürren deswegen in Zukunft häufiger und schwerer. Auf regionaler Ebene gibt es bereits entsprechende Vorhersagen, die sich sogar teilweise ziemlich gruselig lesen. Aiguo Dai hat allerdings eine globale Simulation eines wichtigen Dürreindices bis ins Jahr 2100 vorgelegt, die er an den Daten der letzten 50 Jahren verifiziert hat. Die Kurzbotschaft hat Jürgen Schönstein neulich schon verbloggt: Es wird trockener, und zwar deutlich. Wenn seine Modelle ansatzweise stimmen, wird die Welt schon in wenigen Jahrzehnten eine ganz andere sein.

Wasserhaushalt in der Bilanz: Der Palmer Drought Severity Index
Da Dürre nicht gleich Dürre ist und regional sehr unterschiedliche Gründe und Auswirkungen haben kann, gibt es verschiedene Rechenmethoden, um Dürre quantitativ zu beschreiben. Dai stützt sich hier überwiegend auf verschiedene Verfahren zur Berechnung des Palmer Drought Severity Index (PDSI), der im Grunde bilanziert, in welchem Maße die für Pflanzen so wichtige Bodenfeuchte zu- oder abnimmt.

Regen zum Beispiel addiert man zur Bodenfeuchte, bis das Erdreich gesättigt ist, der Rest läuft ohne Wirkung ab. Außerdem verliert der Boden ständig Wasser durch Verdunstung. Moderne Verfahren berechnen diese Verdunstung aus einfach verfügbaren Parametern wie Temperatur oder Wind und kalkulieren den Wasserverlust für flache und tiefere Bodenschichten. Außerdem durchläuft der Boden einen Jährlichen Zyklus, in dem sich die einzelnen Posten des Wasserbudgets ändern. Zum Schluss normalisiert man das Ergebnis auf die lokalen Bedingungen, so dass unabhängig von den Unterschieden im Wasserkreislauf eine schwere Dürre, die in Lüneburg die Ernte vernichtet, etwa den gleichen PDSI-Wert hat wie eine, die das in Louisiana tut. Das Ganze ist ein grober, aber sehr hilfreicher Indikator für Veränderungen im lokalen Wasserhaushalt[2].

Während einer der folgenreichsten Dürren des 20. Jahrhunderts, dem Dust Bowl in den USA der 30er Jahre, lag der PDSI über weiten Teilen von Nordamerika bei -6. Praktischerweise kann man den PDSI sowohl räumlich und zeitlich aufgelöst betrachten als auch global, so dass wir mit dem Ding ein Klimamodell basteln können, das uns Trockenheit in ihren verschiedenen Spielarten schön farbcodiert auf einem Globus anzeigt. Und es gibt – weil’s so wichtig für Landwirte ist - ziemlich zuverlässige Zeitreihen aller relevanten Parameter.

Die Gegenwart in Daten und Modell
Dass es weltweit seit 1950 weniger geregnet hat, wissen wir deswegen aus verschiedenen unabhängigen Quellen ziemlich genau. Sowohl die gemessenen Niederschläge als auch die Abflüsse über Oberflächengewässer zeigen gleichlaufende Trends. Die Verdunstung ist schwerer zu bestimmen und deswegen unsicherer. Sie hängt von Sonneneinstrahlung, Wind, Wolken und Temperatur ab, ist aber mittelfristig anscheinend weniger veränderlich als die Niederschläge – entsprechend zeigen Satellitenbeobachtungen der Kontinente Trends im Pflanzenwachstum, die mit Niederschlägen und Abfluss zusammenhängen.

Die Datensätze zeigen einen bereits seit einem halben Jahrhundert anhaltenden Trockentrend mit starken jährlichen und langperiodischen Schwankungen. Eine davon ist anscheinend für die erste Hälfte des Anstiegs verantwortlich: Erst seit etwa 1985 bestimmt der Temperatureffekt den Trend - die Differenz zwischen Soll-PDSI, gerechnet bei gleichbleibender globaler Durchschnittstemperatur, und dem Ist-Zustand mit realen Daten beträgt inzwischen einen PDSI-Punkt, was auf eine regionale Situation angewendet dem Unterschied zwischen dem Normalzustand und einer Trockenphase entspräche. Das ist natürlich ein globaler Durchschnittswert – einzelne Regionen haben normale oder höhere Wassermengen, andere sind in den letzten 50 Jahren deutlich trockener geworden.


Regionale Trends des PDSI zwischen 1950 und 2008 nach Dai. Quelle: Dai 2010.

Diese Bestandsaufnahme des Ist-Zustandes nutzt Dai jetzt, um mit Hilfe gängiger globaler Klimamodelle die PDSI-Trends der Zukunft zu berechnen. Um zu sehen, ob die Modelle in dieser Konfiguration überhaupt realistische Zahlen erzeugen, rechnet man zuerst die historischen PDSI-Trends der letzten 50 Jahre am Modell durch und vergleicht sie mit den historischen Daten. Bildet das Modell die Realität korrekt ab? Ja und nein.


Szenario nach Dai für die Dekade ab 2000. Negative Werte stehen für Trockenheit relativ zum jeweiligen regionalen Normal des 20. Jahrhunderts. Gelbe und hellgrüne Bereiche stehen für einen unveränderten Wasserhaushalt.Bild: UCAR

Einerseits kann man in diesem direkten Vergleich von Modell und Wirklichkeit ganz gut erkennen, dass das Modell einige regionale Trends ziemlich versemmelt. Die USA und Nordafrika sind wesentlich besser weggekommen als der Computer sagt, während die Lage in Kanada, Nordchina und Zentralafrika nach dem Modell feuchter sein müssten. Das kann man in der unteren Abbildung leicht erkennen.

Allerdings vergleichen die Karten unterschiedliche Zahlen – den Trend über 50 Jahre mit der Simulation über zehn Jahre gemittelter PDSI-Werte. Letztere waren 1950 natürlich nicht überall nahe null, insofern erübrigt sich ein allzu detaillierter Vergleich. Was man in den Karten allerdings sehen kann ist, dass die Simulation den tatsächlich gemessenen globalen Trend zu einer trockeneren Welt größenordnungsmäßig ganz gut wiedergibt.

Tatsächlich enthalten diese Differenzen weitere wichtige Informationen. Die gemessenen PDSI-Zeitreihen der letzten 50 Jahre kann man mit einer Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis, PCA) genannten Analysemethode mathematisch in überlagerte Muster aufspalten. Wenn man das macht, erhält man als wichtigsten Beitrag einerseits ein Wasserhaushalts-Signal, das einen kontinuierlichen Trend zu trockeneren Bedingungen anzeigt.

Die zweite Hauptkomponente, die Dai aus den Daten extrahiert, ist ebenfalls sehr spannend. Sie erklärt nämlich nicht nur einige der Differenzen zwischen Modell und Realität, sondern ähnelt stark den Wettermustern, die mit dem mehrjährigen Klimazyklus der El-Nino-Southern Oscillation zusammenhängen. Es ist eine sehr schöne Bestätigung des PDSI als relevantem Klimaparameter, dass man aus dieser Zeitreihe als wichtigsten und zweitwichtigsten Einfluss einerseits den vom Modell vorhergesagten Effekt des Klimawandels und andererseits den wohlbekannten El-Nino-Zyklus identifizieren kann.

Die Zukunft im Modell
Die eigentliche Klimasimulation für das nächste Jahrhundert basiert auf dem IPCC-Emissionsszenario A1B, das im Wesentlichen davon ausgeht, dass sich nicht allzuviel an unserer Lust an fossilen Brennstoffen ändert. Wir können wohl nur hoffen, dass der Mann aus irgendwelchen Gründen völlig auf dem falschen Dampfer ist. Wenn das hier auch nur halbwegs in der richtigen Größenordnung ist, dann drohen weiten Teilen der Welt Hunger und Chaos bisher ungesehenen Ausmaßes. Dais Modelle sagen PDSI-Werte von -15 schon für die Dekade 2030 bis 2039 voraus – in Europa wohlgemerkt. Bis zum Ende des Jahrhunderts erreichen große Bereiche der Kontinente Werte um -20 und schlechter. Wir können ohne ins Detail zu gehen vermuten, dass diese Regionen in Dais Szenario für die Nahrungsmittelproduktion verloren sind.


Szenario nach Dai für die Dekade ab 2030. Negative Werte stehen für Trockenheit relativ zum jeweiligen regionalen Normal des 20. Jahrhunderts. Bild: UCAR


Wohlgemerkt, schon ein Wert von -6 hat den kompletten mittleren Westen der USA für Jahre in eine Staubwüste verwandelt. Es fällt schwer, ein derart drastisches Szenario für bare Münze zu nehmen. Stuart Staniford vom Blog Early Warning hat das Paper in den ersten vier Beiträgen dieser Serie aus verschiedenen Blickwinkeln unter die Lupe genommen, so dass ich mir das sparen kann. Ich habe jedenfalls bisher kein Anzeichen dafür gesehen, dass die präsentierten Daten grob unseriös oder übertrieben wären.

Es ist angesichts dieser Prognosen wahrscheinlich gar nicht mehr angebracht, von Dürre zu sprechen. In vielen Regionen gehen die PDSI-Werte des Modells weit über die für regionalen Betrachtungen sinnvolle Spanne hinaus – Dai interpretiert das dahingehend, dass der PDSI und vergleichbare Indizes in einer zukünftigen wärmeren Welt nicht mehr funktionieren. Tatsächlich zeigen die Daten meines Erachtens, dass in einigen Regionen der Vergleich mit dem Klima des 20. Jahrhunderts schon in absehbarer Zeit keinen Sinn mehr ergibt. Es wäre wirklich das Ende der Welt wie wir sie kennen.
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[1] Wenn ich dazu was zu sagen hätte, hießen die Stürme der nächsten Saison Karl, Theodor, Maria, Nikolaus, Johann, Jacob, Philipp, Franz, Joseph und Sylvester.

[2] Mit der kleinen Feinheit, dass er mit Schnee und Eis nicht gut umgehen kann.



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Quelle: Fischblog - Wissenschaft für alle

Geändert von Godwael (17.11.2010 um 09:51 Uhr)
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