The Hockeystick – A Milestone in Climate Science

In 1999 climate scientist Michael E. Mann hand his colleagues published a reconstruction of average temperatures last millenium-round on northern hemisphere  come to be known as “hockeystick”-curve (M.E.Mann,R.S.Bradley, M.K.Hughes: “Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium: Inferences, Uncertainties, and Limitations”, Geophysical Research Letters, 1999). This scientific paper was really a pioneering feat! It was the first reliable reconstruction of temperatures in global scale over such a long time.

Prof. Michael E. Mann holding a tree grate with tree rings Source: Homepage Michael E. Mann

In 1999 climate scientist Michael E. Mann hand his colleagues published a reconstruction of average temperatures last millenium-round on northern hemisphere  come to be known as “hockeystick”-curve (M.E.Mann,R.S.Bradley, M.K.Hughes: “Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium: Inferences, Uncertainties, and Limitations”, Geophysical Research Letters, 1999). This scientific paper was really a pioneering feat! It was the first reliable reconstruction of temperatures in global scale over such a long time.

The team of scientists used proxy data from tree rings, corals and ice cores on the one hand and instrumental temperature data on the other hand such as it was. The “hockeystick” demonstrated at first how extraordinary (human-made) global warming during 20th century really was! For that reason all climate skeptics dislike this curve up to the present day.

The Hockeystick-Curve. The graph resembles a hockeystick in shape: with a long part of curve declining slightly as the shaft and with a short part of curve upturning suddenly as the blade.   Source: Mann, Bradley und Hughes 1999

Assembling and evaluation of all data for “hockeystick” happened in a very sophisticated way. The proxy-data, mainly tree rings extending to 1980 were validated by instrumental data back to 1854, occasional to 18th century yet. Long proxy record and shorter instrumental record overlapped a good way. Using only instrumental data from time intervall 1902 to 1980 for calibration of proxy data, Mann and his collegues were able to use leftover intervall from 1854 to 1901 (and the rare earlier instrumental data from 18th century) to verify this calibration. Calibration and validation of proxy data  worked accurately, meaning that „hockeystick“ is correct in this regard.

CO2 is a greenhouse gas but it also acts as a fertilizer, especially for trees in high elevations. More CO2 let tree ring width and tree ring density (of summerly late wood) mimic an additional rise in temperature that does not really exist. Thus the tree ring data were readjusted.

Above: Records of two tree ring data series (ITRDB Millenial, North American Treeline), which diverged from 19th century on due to influence of CO2. ITRDB Millenial includes trees in high elevations much sensitive to dunging effect of CO2. Below: Variations in atmospheric CO2 and residual between the two data series, used for readjustment. Source: Mann, Bradley und Hughes, 1999

Two examples how carefully Mann and his team had gone about it! All that and then some you can read in original paper, downloadable on Mann´s homepage (see sources below). It´s worth it! Michael E. Mann was also a lead author of 3rd. IPCC-Report about global warming in 2001.

In the course of General Assembly of European Geosciences Union (EGU) in April 2012 Michael E. Mann received the Oeschger-Medal for his research! Hans Oeschger (1927) was a Swiss scientist, famous because of his ice core research. Together with Willi Dansgaard he discovered a series of abrupt climate changes (Dansgaard-Oeschger Events) during the last glacial period by analysis of Greenland ice cores. Also he measured first the glacial-interglacial change of atmospheric CO2 encased in ice core´s tiny air bubbles.

But also some climate sceptics tried again and again to discredit Mann scientifically and personally. Fortunately they failed yet.  I hope it stays that way!

Jens Christian Heuer

Sources: European Geosciences Union (EGU) , Homepage Michael E. Mann

Klimawandel und Hitzewellen

Der international angesehene US – Klimaforscher James E. Hansen und zwei Kollegen konnten in einer neuen Studie für die letzten 30 Jahre eine statistisch hochsignifikante Zunahme von extremen Hitzewellen im Sommer nachweisen.  Die Wissenschaftler befassten sich nur mit den Temperaturen auf der Nordhalbkugel der Erde, weil für diese die besten Meßreihen vorliegen. Als Referenzperiode dienten die Zeiträume 1951-1980 und 1931-1980.

Ein Zusammenhang mit der Globalen Erwärmung liegt nahe, denn parallel mit der ansteigenden globalen Durchschnittstemperatur im Vergleich zur Referenzperiode 1951-1980 …

Globale Temperaturanomalie relativ zur über die Jahre 1951-1980 gemittelten globalen Durchschnittstemperatur. Der Temperaturtrend weist eindeutig nach oben. Vorübergehende Phasen einer Abkühlung gehen wahrscheinlich auf Veränderungen der Strahlungsintensität der Sonne und interne Oszillationen des Klimasystems (beispielsweise bei der Stärke der Meeresströmungen) zurück. Quelle: Hansen et al. 2012

… verschob sich bezogen auf genau denselben Zeitraum auch die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Sommertemperaturen zu deutlich höheren Temperaturen:

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Sommertemperaturen in den letzten 30 Jahren im Vergleich zur Referenzperiode 1951-1980. Quelle: Hansen et al. 2012

Darüber hinaus wurde die Kurve der Wahrscheinlichkeitsvertreilung mit der Zeit breiter. Die Temperaturschwankungen nahmen also zu, das Wetter wurde insgesamt extremer.

In der Referenzperiode 1951-1980 kamen Temperaturen, die mehr als drei Standartabweichungen über dem Durchschnittswert der dazugehörigen Kurver der Wahrscheinlichkeitsverteilung lagen praktisch überhaupt nicht vor. Im letzten untersuchten Jahrzehnt 2001-2011 lag die Häufigkeit solcher Ereignisse dagegen schon bei 8% (braunes Flächenstück unter den jeweiligen Kurven)!! 

Die Standardabweichung ist ein Maß für die Streuung um den Mittelwert bei einer Wahrscheinlichkeitsverteilung. Sie entspricht der Wurzel aus der Varianz, dem eigentlichen Streuungsmaß, für das die gemessenen positiven und negativen Abweichungen vom Mittelwert zunächst quadriert werden – so bekommt man die Minuszeichen weg –  und anschließend die Summe durch die Gesamtanzahl der Werte geteilt wird.

Auch eine deutlich längere Referenzperiode von 1931-1980 ändert nichts an dem eindeutigen Befund zu den Sommertemperaturen:

Wahrscheinlichkeitsverteilung der Sommertemperaturen in den letzten 30 Jahren im Vergleich zur Referenzperiode 1931-1980. Quelle: Hansen et al. 2012

In den 1930er Jahren gab es spektakuläre Hitzewellen. Indem man sie in die Referenzperiode miteinbezog wurde die Studie zu den Sommertemperaturen noch aussagekräftiger.

Die Kartendarstellung macht die spektakulären Veränderungen noch einmal deutlich:

Standartabweichungen der Landtemperaturen für die Zeiträume 1931-1936 und 2006-2011 im Vergleich zur Referenzperiode 1931-1980. Oben sind jeweils die Prozentzahlen für die Standardabweichungen eingetragen. Quelle: Hansen et al. 2012

Die Flächen mit Temperaturen von zwei oder drei Standardabweichungen über dem Durchschnitt haben allein schon in den letzten 5 Jahren des Untersuchungszeitraumes (2006-2011) sehr deutlich zugenommen. Im Jahre 2011 waren auf 10% der Landfläche die Temperaturanomalien mehr als drei Standardabweichungen über dem Durchschnitt, bei 21% waren es zwischen zwei und drei Standardabweichungen.

Und eben nicht zu vergessen: In der Referenzperiode von 1931-1980 (und auch in der von 1951-1980) kamen mehr als drei Standardabweichungen nahezu überhaupt nicht vor und auch die zwischen zwei und drei  waren selten:

Standartabweichungen der Landtemperaturen für die Referenzperioden 1931-1980 und 1951-1980. Quelle: Hansen et al. 2012

Wirklich eindrucksvoll, finde ich!

James E. Hansen wurde weltbekannt als einer der ersten Wissenschaftler überhaupt, der vor den Folgen eines menschengemachten Klimawandels warnte. Hansen arbeitet bei der US-Weltraumbehörde NASA am Goddard Institute for Space Studies (GISS).

Jens Christian Heuer

Quelle: Increasing Climate Extremes and the New Climate Dice, James Hansen, Makiko Sato, and Reto Ruedy,2012 (im Volltext auf Hansens Homepage an der Columbia University, New York, www.columbia.edu/).

Klimawandel durch Ruß und Ozon in der Troposphäre

Rußemissionen und troposphärisches Ozon spielen bei dem Anstieg der Temperaturen auf der Nordhalbkugel eine wesentlich größere Rolle als bisher gedacht. Beide Stoffe zusammen übertreffen dabei sogar die Wirkung des Treibhausgases CO2!

Zu diesem Ergebnis kommen Prof. Robert J. Allen und Kollegen (University of California, Riverside, USA) in ihrem neuen Paper “Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone”(Nature, 17. Mai 2012):

Our analysis strongly suggests that recent Northern Hemisphere tropical expansion is driven mainly by black carbon and tropospheric ozone, with greenhouse gases playing a smaller part.

Die Wissenschaftler beschäftigten sich mit der schon seit mehreren Jahrzehnten stattfindenden Expansion der Tropen. Um durchschnittlich 0,36° Breitengrade pro Jahrzehnt dehnt sich die tropische Klimazone nach Norden aus. Die sich daraus ergebende “Verbreiterung” der Hadley-Zirkulation verschiebt ihrerseits die trockenen Gebiete des Subtropengürtels in Richtung Nordpol. Und auch die Zugbahnen der dynamischen Tiefdruckwirbel, welche in den mittleren Breiten das Wetter bestimmen, verlagern sich polwärts.

Robert J. Allen Quelle: UCR Today

Diese beobachtbaren Änderungen konnten mit einem Klimamodell, das Rußemissionen und troposphärisches Ozon berücksichtigt, erfolgreich nachvollzogen werden. Bisherige Klimamodelle hatten das so nicht geschafft.

Rußaerosole und troposphärisches Ozon absorbieren die Strahlung der Sonne und erwärmen dann die Atmosphäre. Beide Stoffe werden verstärkt mit zunehmender Industrialisierung vor allem in den niedrigeren und mittleren Breiten freigesetzt; Schwerpunkt Südostasien. Nur über großen Teilen Europas haben die Rußemissionen infolge von Umweltschutzmaßnahmen abgenommen. Das troposphärische Ozon hat aber auch dort wie fast überall (bis auf die Südpolregion) stark zugenommen. Es entsteht durch sekundäre photochemische Prozesse unter Beteiligung von Stickoxiden und flüchtigen organischen Substanzen, welche nicht nur industriell (Formaldehyd, ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe), sondern auch durch die Natur (Terpene aus Pflanzen, insbesondere aus Bäumen, sie sind für den “Waldgeruch” verantwortlich) erzeugt werden. Allein in Gegenwart von Stickoxiden halten sich photochemischer Ozonaufbau und Ozonabbau die Waage. Kommen aber die flüchtigen organischen Substanzen hinzu, so verschieben diese nachdem sie oxidativ umgebaut wurden, das Gleichgewicht in Richtung Ozonaufbau.

Trends bei den Rußemissionen und dem troposphärischem Ozon (1970-2009) Quelle: Allen et al. 2012

Noch einmal zurück zu dem Vergleich von Modellen und Wirklichkeit:

Nur unter Einbeziehung der Rußemissionen und des Ozons funktionierten die Modelle. Genauer gesagt, sie näherten sich der Wirklichkeit an. Bei den Modellen ohne Ruß und Ozon schrumpften die Tropen (bis auf die Wintermonate) sogar anstatt zu expandieren!

Aber es bleibt bis heute immer noch eine beachtliche Lücke, auch bei den “guten” Modellen! Daher muß es noch weitere Faktoren geben, welche für die Expansion der Tropen sorgen!

Expansion der Tropen: Ein Beispiel für den Vergleich von Modellen mit der Realität Quelle: Allen et al. 2012

Vielleicht spielt ja die fortgesetzte Abholzung des tropischen Regenwaldes dabei mit?

Die Hadley-Zirkulation in den Tropen wird ganz wesentlich durch latente Wärme aus der Verdunstung von Wasser angetrieben. In den Gebieten des feuchtwarmen tropischen Regenwaldes verdunsten große Mengen an Wasser über die Blätter der Bäume. Es bilden sich Quellwolken, bei der Kondensation der kleinen Wassertröpfchen wird die latente Wärme frei, verstärkt die Konvektion und fördert damit wiederum die Wolkenbildung. Ein sich selbst verstärkender Prozess, der zur Bildung der mächtigen Wolkentürme der Innertropischen Konvergenzzone führt, die ja Bestandteil der Hadley-Zirkulation ist. Die Wolken über dem Regenwald wirken abkühlend, denn sie reflektieren einen erheblichen Teil des Sonnenlichts. Damit schützen sie gleichzeitig den Regenwald vor der Austrocknung durch Überhitzung.

Jens Christian Heuer

Quelle: Robert J.Allen, Stephen C. Sherwood, Joel R. Norris, Charles S. Zender “Recent Northern Hemisphere tropical expansion primarily driven by black carbon and tropospheric ozone”, Nature 485 (17 May 2012). Vielen Dank an Herr Prof. Robert J.Allen für die Zusendung des Papers!

Wärmere Arktis, mehr Extremwetter

Im Rahmen der globalen Erwärmung steigen die Temperaturen in der Arktis überproportional. Das liegt vor allem an dem Rückgang des arktischen Meereises, das mehr und mehr von der dunklen Wasseroberfläche freigibt, welche das Sonnenlicht nicht reflektiert wie das helle Eis, sondern hervorragend absorbiert. Das führt zu einer erheblichen zusätzlichen Erwärmung. Es handelt sich um einen umgekehrt ablaufenden Eis-Albedo Effekt.
 
Eine in den Geophysical Research Letters im April 2012 veröffentlichte Studie der beiden Wissenschaftler Jennifer A. Francis und Stephen J. Vavrus, “Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes”,  fand nun einen Zusammenhang zwischen dieser arktischen Erwärmung und der Zunahme von Extremwetterereignissen. Die überproportionale Erwärmung der hohen arktischen Breiten im Vergleich zu den mittleren Breiten bedeutet eine Abnahme des Temperaturgefälles an der Polarfront, der Grenze zwischen warmen und kalten Luftmassen. Da dieses Temperaturgefälle mit einem Druckgefälle einhergeht das den Jetstream antreibt, wird der Jetstream schwächer und seine Strömung langsamer.
 
Saisonale Abweichungen der 1000-500 hPa Schichtdicke (m) nördlich 40°N zwischen der Periode 2000–2010 und der Periode 1970–1999: (a) Herbst (OND), (b) Winter (JFM), (c) Frühling (AMJ) und (d) Sommer (JAS). Die weissen Sternchen zeigen die Bereiche, wo die Wahrscheinlichkeit, daß es sich um Zufallsergebnisse handelt kleiner ist als 5% (p < 0.05). Das Ergebnis ist hier also satistisch eindeutig signifikant .  Schichtdicke 1000-500 hPa meint die Höhendifferenz zwischen den Flächen wo der Luftdruck 1000 hPa und wo der Luftdruck nur noch 500 hPa beträgt. Je wärmer die Luft ist, umso mehr dehnt sie sich in die Höhe aus und um so größer ist diese Schichtdicke und umgekehrt. Quelle: Francis and Vavrus, 2012
 
Der Jetstream verhält sich so ähnlich wie ein Fluss. Die Strömung ist mal schneller, mal langsamer, mehr oder weniger turbulent und immer wieder bilden sich Wirbel, welche mit der Strömung davongetragen werden. Bei den Wirbeln des Jetstreams handelt es sich um die das Wetter bestimmenden dynamischen Hochs und Tiefs.
Da die Strömung des Jetstreams infolge des verringerten Temperaturgefälles abnimmt bewegen sich auch die Hochs und Tiefs langsamer und damit hält auch extremes Wetter wie Hitzewellen und Trockenheit (Hochs) oder Unwetter (Tiefs) länger an. Noch etwas kommt aber hinzu. Der Jetstream wird nicht nur langsamer, er wird auch “welliger”, er mäandert stärker, die Amplitude der Rossby-Wellen nimmt zu. Über die tiefen Wellentäler – die Meteorolgen nennen sie “Tröge” – gelangt polare Kaltluft bis weit in den Süden. Die tieferen Wellentäler erklären zum Beispiel die gehäuften kalten Episoden der letzten Winter auf der Nordhalbkugel. Über die  Wellenberge – die “Rücken” – gelangt im Gegenzug allerdings auch Warmluft bis weit in den Norden. Deshalb war es in den letzten kalten Wintern in Grönland so überraschend milde, oft sogar deutlich wärmer als bei uns in Europa.
 
Jens Christian Heuer
 
 
 

Unabhängige Studie bestätigt Globale Erwärmung

Das Berkeley Earth Team, eine Gruppe Wissenschaftler, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Ergebnisse der offiziellen Klimaforschung unabhängig zu überprüfen, kam in einer neuen Studie zum Ergebnis, daß es tatsächlich einen weltweiten Trend zu immer höheren Temperaturen gibt.

Die Studie befasste sich nur mit den Temperaturen an Land und berücksichtigte nicht die Wassertemperaturen der Ozeane. Wegen der hohen  Wärmekapazität des Wassers erwärmen sich die Ozeane deutlich langsamer als die Landflächen.

1/3 der überprüften Meßstationen zeigten zwar in den letzten 70 Jahren sinkende Temperaturen, jedoch bei 2/ 3 zeigten sich ansteigende Werte. Insgesamt kommt dabei eine ähnliche globale Erwärmung heraus, wie in den Berichten des IPCC (Weltlimarat) angegeben.

Die Kurven der Globalen Durchschnittstemperatur des Berkely Earth Teams und der für das IPCC arbeitenden Institute im Vergleich. Nur Meßstationen an Land fanden Eingang in die Vergleichsstudie. Quelle: Berkely Earth Surface Temperature

Der von Klimaskeptikern immer wieder ins Feld geführte Wärmeinseleffekt, der angeblich eine globale Erwärmung nur vortäuschen soll, ist in Wirklichkeit für den globalen Trend unbedeutend, denn städtische Ansiedlungen machen nur 1% der gesamten Landoberfläche aus.

Fazit der Studie: Der Klimawandel hin zu immer höheren Temperaturen ist eine Realität!

Jens Christian Heuer

Link: http://berkeleyearth.org/