Im Dresdner UniversitätsJournal vom 13. November 2012 (Nr. 18) erschien auf der Titelseite ein überraschender Artikel aus dem wir hier einen Auszug bringen:

Klimawandel lässt Menschen in Peru frieren

Humboldt-Stipendiatin Andrea Vásquez befasst sich an der TUD mit Klimaproblemen ihrer Heimat

Seit Oktober 2012 arbeitet Andrea Váquez als Humboldt-Stipendiatin an der TU Dresden. Am Institut für Bauklimatik der Fakultät Architektur befasst sich die 36-jährige peruanische Mechatronik-Ingenieurin zunächst ein Jahr lang damit, wie Passivhaus-Technologiekonzepte in ländlichen Häusern der kalten Hochlandregionen Perus adaptiert werden können. Die Förderung im Programm »Internationale Klimaschutzstipendien für Entwicklungs- und Schwellenländer« hilft ihr dabei.

Viele Regionen der Erde erwärmen sich durch den Klimawandel. In den Hochregionen Perus ist es anders. »In den Anden treten immer häufiger kalte Winde und Frost auf. In bewohnten Höhenlagen unterhalb 3500 m kommt es immer öfter zu Nachttemperaturen bis minus 20 Grad Celsius und die kalte Jahreszeit verlängert sich«, berichtet sie. »Für die dortigen zwei bis drei Millionen Menschen, die Landwirtschaft und die Umwelt hat das dramatische Folgen. Die traditionellen Häuser genügen nicht mehr den thermischen Mindestanforderungen. Oft kühlt sich die Raumluft bis unter 2 Grad Celsius ab. Die Bevölkerung verbraucht dadurch mehr natürliche Brennstoffe, Abholzen gefährdet den Baumbestand, viele vor allem junge Menschen wandern in die großen Städte aus. Das traditionelle Vieh, Alpaka und Lama, leidet zunehmend unter Fehlgeburten.«

Weiterlesen im Dresdner UniversitätsJournal (pdf). Ob diese Kälte auf der Südhalbkugel auch irgendwie mit dem schwindenden arktischen Eis zu tun hat? Potsdam, bitte melden Sie sich.

Mit Dank an D. Ufer.

Foto: Martin St-Amant (S23678) / Lizenz: This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

Im Oktober 2011 erschien im International Journal of Modern Physics eine Arbeit einer deutschen Forschergruppe um Horst-Joachim Lüdecke mit dem Titel “How natural is the recent centenial warming? An analysis of 2249 surface temperature records”. Darin behandeln die Autoren die Frage, wie hoch der natürliche Anteil gegenüber dem menschengemachten an der Klimaerwärmung der letzten 100 Jahren gewesen sein könnte. Im folgenden Beitrag, der im März 2013 auch auf der EIKE-Webseite erschienen ist, gibt Lüdecke einen Überblick über die Arbeit und macht zusätzliche Ergänzungen zum Thema. Eine kleine Warnung an alle Nichtmathematiker unter unseren Lesern: Hier geht es zahlentechnisch ganz schön zur Sache. Rückmeldungen zu diesem Beitrag bitte wie immer via unser Kontaktformular. Wir leiten die Kommentare dann an den Autor weiter.

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Von Horst-Joachim Lüdecke

Zusammenfassung: Konstantes Klima ist unmöglich. Wetter und Klima ändern sich zu jeder Zeit und überall. In Temperaturreihen, die sich über mehrere Jahrzehnte erstrecken, zeigen sich Klimaschwankungen. Die in diese Reihen eingebrachten Trendlinien deuten vordergründig auf äußere Ursachen hin, die freilich fast immer unbekannt sind. Die bis heute einzigen, zweifelsfrei gesicherten Ursachen sind extrem starke Vulkanausbrüche, deren globale Folgen mehrjährige Abkühlungstrends sind. Selbst vielen Fachleuten ist es immer noch unbekannt, dass sich Trends in Temperaturzeitreihen aber auch ganz ohne äußere Ursachen bilden können. Der Augenschein ist kein verlässlicher Zeuge, denn sogar sehr deutliche Trends sind keineswegs eine Gewähr für externe Ursachen. Die von selbst auftretenden Trends werden durch das „Gedächtnis“ (Persistenz) der Temperaturreihe erzeugt. Seit dem Jahre 2009 steht mit der modernen Persistenzanalyse ein Verfahren zur Verfügung, mit dem erstmalig verlässlich entschieden werden kann, ob ein Trend in einer Temperaturzeitreihe eine äußere Ursache hat oder ob man umgekehrt dies nicht annehmen muss. Neben weiteren Anwendungen wurde mit dieser neuen Methode die globale Temperaturentwicklung des 20. Jahrhunderts an Hand von ca. 2500 Langzeit-Temperaturreihen analysiert. Hierbei zeigte sich, dass für die Erwärmung des 20. Jahrhunderts ein externer Einfluss zwar nicht ausgeschlossen werden kann, er allerdings dramatisch schwächer ist als die vom IPCC eingeschätzte Wirkung des anthropogenen CO₂. Woher der nicht auszuschließende äußere Einfluss stammt, kann nicht mit der Methode entschieden werden. Es kommen auch andere Ursachen als das Treibhausgas CO₂ in Frage, zum Beispiel ein ungewöhnliches Verhalten der Sonne.

1. Was ist Persistenz in Temperaturzeitreihen?

Zeitreihen sind wichtige Werkzeuge, um Informationen über komplexe Prozesse zu gewinnen. Herzspezialisten nehmen Zeitreihen des Herzschlags oder des Blutdrucks auf, um Aufschlüsse über den gesundheitlichen Zustand eines Patienten zu erhalten. Finanz- und Versicherungsmathematiker analysieren Zeitreihen, um die finanziellen oder versicherungstechnischen Risken von Unternehmen zu bewerten. Klimatologen verwenden Temperaturzeitreihen (Tages-, Monats- oder Jahresmittelwerte), um langfristige Klimatrends aufzufinden. Im Folgenden geht es hier um Temperaturzeitreihen.

Der englische Wasserbau-Ingenieur Harold Edwin Hurst untersuchte in den 1950-er Jahren  die Tief- und Höchststände des Nils und entdeckte dabei als erster, dass hydrologische Zeitreihen ein Gedächtnis besitzen. Die aktuell gemessenen Werte hängen von den vergangenen, zum Teil weit zurückliegenden Werten ab. Später wurde erkannt, dass auch viele weitere Zeitreihen der Natur wie z.B. Baumringe ein Gedächtnis aufweisen. Man nennt dieses Phänomen Persistenz oder Autokorrelation. Die Schwankungen der Zeitreihe um ihren Mittelwert erfolgen in persistenten Zeitreihen nicht mehr unabhängig, sondern sie werden von der Vergangenheit der Zeitreihe beeinflusst.

Betrachtet man Temperaturzeitreihen, so erscheint dieses Verhalten zunächst nicht einmal so ungewöhnlich. Eine Temperaturzeitreihe weist zumindest ein “Gedächtnis” über die momentan herrschende Jahreszeit auf. Es kommt nie vor, dass auf einen warmen Sommertag plötzlich ein kalter Wintertag folgt, bzw. umgekehrt. Da jahreszeitlich bedingte Schwankungen im Allgemeinen weniger interessieren, werden die saisonalen Einflüsse vor der Persistenzanalyse aus einer Temperaturzeitreihe entfernt. Aber auch danach beobachtet man noch, dass ein Tagestemperaturmittelwert zumindest vom Vortag abhängt. So wird ein über dem längerfristigen Mittel liegender Temperaturwert am nächsten Tag mit über 50% Wahrscheinlichkeit ebenfalls über diesem Mittel liegen, Entsprechendes trifft für einen unter dem Mittel liegenden Temperaturwert zu. Eine Erklärung für dieses Phänomen liefern anhaltende Wetterlagen. Persistenz über mehrere Wochen kann man mit meteorologischen Blocksituationen, wie etwa einem lang anhaltendes Azorenhoch erklären. Für noch längere Zeiträume ist freilich über die Ursachen von Persistenz wenig bekannt. Es werden dekadale Oszillationen wie z.B. der El Nino, Einflüsse aus den sich ändernden Planetenkonstellationen und weiteres mehr diskutiert. Erstaunlicherweise findet man in Temperaturzeitreihen Persistenz bis über mehrere Jahrzehnte. Die Ursachen solch langreichweitiger Persistenz sind bis heute völlig unbekannt. (weiterlesen …)

Die Justus-Liebig-Universität Giessen gab am 21. April 2013 eine Pressemitteilung zu einem neuen Fachartikel im Magazin Nature Geoscience heraus, in dem die natürliche Klimavariabilität der letzten zwei Jahrtausende auf globalem Maßstab dokumentiert wird. Mit dabei sind auch die Kleine Eiszeit, eine lange Wärmeperiode zur Römerzeit sowie Sonnenaktivitätsschwankungen. Im Folgenden die Pressemitteilung im Original (Fettsetzung ergänzt):

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Die erste 2000 Jahre umfassende Temperaturrekonstruktion für einzelne Kontinente – Gießener Wissenschaftler Mitautoren einer Veröffentlichung in „Nature Geoscience“

Der Klimawandel in der Vergangenheit unterschied sich deutlich von Region zu Region. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Studie mit Beteiligung Gießener Wissenschaftler, die durch das internationale PAGES-Projekt (Past Global Changes) koordiniert wurde. In dieser Studie wurden erstmalig die regionalen, kontinentalen Temperaturen der letzten ein- bis zweitausend Jahre umfassend rekonstruiert. Ein zentrales Ergebnis ist, dass der global  vorherrschende Abkühlungstrend  – hervorgerufen durch reduzierte Sonneneinstrahlung im Sommer und Vulkanismus – seit Ende des 19. Jahrhunderts durch Erwärmung abgelöst wurde. Etwa achtzig Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt arbeiteten gemeinsam an der Studie „Kontinentale Temperaturvariabilität über die letzten beiden Jahrtausende“, die nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Geoscience“ veröffentlicht wurde. Diese Arbeit stellt eine der umfassendsten und umfangreichsten zu diesem Thema dar. Das internationale Autorenteam – darunter Prof. Jürg Luterbacher, PhD und Dr. Johannes Werner vom Institut für Geographie – wertete Klimaarchivdaten von allen Kontinenten aus, um die Temperaturschwankungen der vergangenen beiden Jahrtausende zu erfassen.
Die Initiative geht zurück auf die 1991 ins Leben gerufene Organisation PAGES (Past Global Changes) des Internationalen Geosphären-Biosphären-Programms (IGBP). Das Ziel von PAGES ist es, unser Verständnis des Klimasystems zu verbessern, indem Klima und Umwelt der Vergangenheit rekonstruiert und analysiert werden. Die Hauptgeldgeber für das Programm sind der Schweizerische Nationalfonds (SNF) sowie die National Science Foundation (NSF) der Vereinigten Staaten. (weiterlesen …)

Ein wichtiges Anliegen unseres Klimablogs ist es, eine Plattform für wissenschaftliche Diskussionen bereitzustellen. Wir freuen uns daher, dass wir heute einen Beitrag von Ulrich Berger präsentieren können, der die Temperaturentwicklung der letzten 130 Jahre auf Muster ausgewertet hat, die bei der Prognose bis 2100 helfen könnten. Für alle Nichtmathematiker ein kleiner Warnhinweis: In der Diskussion tauchen Formeln auf! Wer es eilig hat, kann sich das Resultat in Abbildung 6 anschauen. Fazit: Die Erwärmung wird wohl deutlich geringer ausfallen, als vom IPCC befürchtet.

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Von Dr. Ulrich Berger

Da es zu der Problematik, wie hoch der menschliche Anteil an der unbestreitbar gegebenen Klimaerwärmung der letzten 150 Jahre war (und künftig sein wird), immer noch große Differenzen gibt, habe ich (ursprünglich für mich selbst) eine gründlichere Datenanalyse versucht. Ich habe dazu ausschließlich die in Bild 1 gezeigten Messwerte der globalen Temperatur- und CO2-Entwicklung  verwendet. Die in dieser Grafik eingetragene CO₂-Kurve ist ein parabolischer Fit an die bisher gemessenen Werte (dunkelblau) und eine mit diesem Fit gerechnete Zukunftsprognose in grau (diese ist natürlich nur EIN mögliches CO₂-Szenario). Die gestrichelte Gerade soll einen mittleren Verlauf dessen andeuten, was das IPCC (wesentlich auf Basis der Entwicklung von 1970-2000) meines Wissens per Klimamodellierung vorhersagt.

Bild 1: Temperatur- und CO₂-Messwerte als Basis der vorliegenden Analyse

Meine Überlegungen gingen von dem Anschein aus, dass die Temperaturentwicklung seit 1880 einem linearen Grundtrend von ca. 0,004 °C/a mit einer überlagerten etwa 60jährigen Periodizität folgte. Auf dieser als „natürlich“ anzusehenden Charakteristik setzt dann ggf. noch eine mit der Konzentration des anthropogenen CO₂ (aCO₂) wachsende additive Komponente auf. Gründe für diese Annahmen waren folgende:

1. Unabhängig vom aCO₂ gab es in regelmäßigem  Wechsel stagnierende/abkühlende Phasen (ca. 1880-1910, 1940-1970) und Phasen starker Erwärmung (ca. 1910-1940, 1970-2000). Beide Phasen-Typen waren jeweils etwa 30 Jahre lang und wiesen ähnliche Temperaturgradienten auf.
2. Von 2000 bis 2030 wäre danach wieder eine stagnierende/abkühlende Phase zu erwarten – bisher wird diese Erwartung erfüllt.
3. Parallel hierzu hat die sog. “Pazifische Dekaden-Oszillation” (PDO) ebenfalls eine 60jährige Periodizität, deren warme und kalte Abschnitte sich jeweils mit den Erwärmungsphasen bzw. stagnierenden/abkühlenden Phasen der Globaltemperaturen (s. Bild 1) weitgehend decken.

Um hier nun nicht bei Vermutungen und Behauptungen stehen zu bleiben, habe ich einmal versucht, auf rechnerischem Wege die nichtanthropogenen Vorgänge von den Effekten zu isolieren, die auf das Wirken des Menschen (des aCO₂ hauptsächlich) zurückgehen. Wie Bild 1 zeigt, begann das aCO₂ etwa 1940-1960, einen merklichen Anteil an der Gesamt-CO₂-Konzentration (gCO₂) auszumachen. Daher habe ich zunächst versucht, den T-Verlauf von 1880 bis 1960 mit einer Kombination aus Linear- und Cosinusfunktion (cos-lin-Modell) zu beschreiben. Das wäre dann annähernd als der *natürliche* Verlauf im genannten Zeitraum anzusehen. Dieser Grundtrend sollte sich auch später fortsetzen, da es nicht plausibel ist, sein plötzliches Abbrechen anzunehmen. Ein eventueller aCO₂-Effekt würde dann additiv auf dem Grundtrend aufsetzen. Bild 2 zeigt das Ergebnis einer Optimierungsrechnung (Fittung) für den beschriebenen Grundtrend ohne aCO₂, sowie des linearen Modellanteils alleine (lin-Modell). (weiterlesen …)

Im Jahr 2009 veröffentlichte der Erfinder der berühmt-berüchtigen Hockey Stick Kurve, Michael Mann, zusammen mit einigen Kollegen einen Artikel im Fachmagazin Science, in dem sie versuchten, die globale Bedeutung der Mittelalterlichen Wärmeperiode zu widerlegen. Die Idee dabei war, dass die Wärme an einigen Orten der Erde einfach durch Kälte ausgeglichen wird. Hierzu wurden nun dringend Gebiete gesucht, an denen es vor 1000 Jahren kälter als normal war. Das Problem bestand dabei vor allem im atlantischen Raum, wo die Datenlage ausgezeichnet war. Die Temperaturen lagen hier mindestens auf dem Niveau von heute. Also schaute sich Michael Mann in anderen Regionen um, von wo es weniger Informationen gab. Dabei gefiel den Forschern das zentrale Eurasien besonders gut. Die dürftigen Temperaturdaten ließen viel Raum für Interpretationen. Auf diese Weise kartierten die Autoren ein riesiges Kaltgebiet für das zentrale Eurasien während der Mittelalterlichen Wärmeperiode, das die atlantische Wärme angeblich ausgeglichen haben soll.

Abbildung 1: Temperaturanomalien während der Mittelalterlichen Wärmeperiode vor 1000 Jahren laut Mann et al. (2009). Im zentralen Eurasien interpretieren die Autoren eine ausgeprägte Kältezone (blau).

Ein chinesisches Forscherteam um He YuXin von der University of Hong Kong nahm jetzt das von Mann und Kollegen mangels detaillierter Daten freizügig postulierte zentraleurasische Kältegebiet näher unter die Lupe. Hierzu rekonstruierte die Gruppe mithilfe von Sedimentkernen aus zwei Seen anhand der sogenannten Alkenon-Methode die Temperaturgeschichte für das nördliche Tibetplateau, das sich laut Michael Mann vor 1000 Jahren durch bedeutende Kälte ausgezeichnet haben soll.

Die Überraschung war groß, als die neuen, harten Daten jetzt das genaue Gegenteil von dem herausbrachten, was Mann postulierte. Der untersuchte Teil des theoretischen Kältegebiets auf dem nördlichen Tibetplateau war während der Mittelalterlichen Wärmeperiode nämlich nicht etwa kälter, sondern sogar etwas wärmer als heute. Dies wirft kein gutes Licht auf die zentraleurasische Kältetheorie von Michael Mann. Die chinesische Gruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse im März 2013 im Chinese Science Bulletin. In ihrem Artikel beschreiben YuXin und Kollegen noch eine weitere interessante Entdeckung. In der Kurzfassung der Arbeit lesen wir:

Weiterhin korrelieren unsere Temperaturrekonstruktionen im Rahmen der zeitlichen Auflösung der Alterdatierung gut mit den Schwankungen der solaren Aktivität. Dies deutet auf einen Zusammenhang zwischen der Sonnenaktivität als Klimafaktor sowie der natürlichen Klimavariabilität hin, zumindest für das nördliche Tibetplateau.

Die überraschend gute Synchronität im Untersuchungsgebiet zwischen Sonne und Klima ist in der folgenden Abbildung aus der Arbeit gut erkennbar:

Abbildung 2: Gute Übereinstimmung zwischen Temperaturentwicklung auf dem nördlichen Tibetplateau (untere Kurven) und Sonnenaktivität für die vergangenen 2500 Jahre. Aus YuXin et al. 2013.

Siehe auch englischsprachiger Beitrag auf notrickszone.com.

Ein internationales Forscherteam um Ulf Büntgen erstellte kürzlich mithilfe von Baumringen eine Temperaturrekonstruktion für Osteuropa für die vergangenen eintausend Jahre. Die Studie erschien im Januar 2013 im Fachmagazin PNAS. Büntgen und sein Team fanden eine Reihe von Kälteepisoden, die interessanterweise mit solaren Inaktivitätsphasen zusammenfallen (Abbildung 1). Die Autoren schreiben hierzu in ihrer Arbeit:

“Der visuelle Vergleich der Temperaturrekonstruktion und der Sonnenaktivität deutet auf eine Verknüpfung beider Prozesse im Bereich von mehreren Dekaden bis Jahrhunderten hin.”

Abbildung 1: Sonnenaktivität (rote Kurve oben) mit Angabe der solaren Minimaphasen (Wolf, Spörer, Maunder, Dalton). Darunter ist die Temperaturrekonstruktion Osteuropas auf Basis von Baumringen dargestellt (braune Kurve). Quelle: PNAS.

Hier die dazugehörige Pressemitteilung der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL vom 14.1.2013:

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Osteuropa: Jahrringe als Zeugen von Klima- und Kulturgeschichte
In den vergangenen Tausend Jahren gingen Kälteperioden in Osteuropa mit schwierigen Zeiten für die Menschen einher. Heute ist es in dieser Region warm wie noch nie. Das sind zwei Ergebnisse aus der dendrochronologischen Untersuchung eines internationalen Forscherteams unter der Leitung von Ulf Büntgen von der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL und von der Universität Bern. Die Wissenschaftler haben zum ersten Mal die Frühlingstemperaturen in Osteuropa seit dem Mittelalter lückenlos berechnet. Ihre Studie wurde am 14. Januar 2013 in der renommierten Fachzeitschrift “Proceedings of the National Academy of Sciences, USA” veröffentlicht. (weiterlesen …)

Ein Forscherteam der chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking erstellte kürzlich eine neue Temperaturkurve, welche die Temperaturentwicklung Chinas für die vergangenen 2000 Jahre beschreibt (Abbildung 1). Die Wissenschaftler um Q. Ge vom Institut für Geographische Wissenschaften vereinten fünf regionale Datensätze des Landes mithilfe statistischer Verfahren. Die entsprechende Arbeit erschien im Januar 2013 in der Fachzeitschrift Climate of the Past Discussions. In der Kurzfassung ihres Aufsatzes schreiben die Klimafachleute:

In unserer Studie fanden wir drei Wärmeperioden, die sich um 270-390 n. Chr., 1080-1210 n. Chr. und ab 1920 ereigneten. Die Temperaturen während der Phasen 260-400 n. Chr., 560-730 n. Chr. und 970-1250 n. Chr. waren auf dem Niveau der heutigen Wärmeperiode. Die Temperaturschwankungen liefen seit 1100 n. Chr. typischerweise synchron zu denen in der nördlichen Hemisphäre ab, einer Zeit die durch die Mittelalterliche Wärmeperiode, Kleine Eiszeit und Moderne Wärmeperiode gekennzeichnet war.

Schmunzelnd erinnern wir uns an Forscher wie Stefan Rahmstorf vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und Gerald Haug von der ETH Zürich, die die Mittelalterliche Wärmeperiode der ahnungslosen Öffentlichkeit noch vor einigen Jahren als lokales atlantisches Phänomen verkaufen wollten.

Schauen wir uns die neue chinesische Temperaturkurve etwas genauer an. Fällt Ihnen auch etwas auf? Die Temperaturen um 300, 600 und 1200 n. Chr. lagen deutlich über dem heutigen Temperaturniveau. Diese nicht ganz uninteressante Beobachtung haben die höflichen Chinesen in ihrem Abstract vorsichtshalber ausgelassen. Vielleicht taten sie dies aus taktischen Gründen, denn die Arbeit befindet sich noch in der Begutachtung, und wer möchte sich in diesem Stadium unnötige Feinde machen.

Abbildung 1: Temperaturentwicklung Chinas während der letzten 2000 Jahre. Abbildung aus: Ge et al. (2013).