@phdthesis{Kleinen2005,
  author    = {Kleinen, Thomas Christopher},
  title     = {Stochastic information in the assessment of climate change},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-5382},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2005},
  abstract  = {Stochastic information, to be understood as \"information gained by the application of stochastic methods\", is proposed as a tool in the assessment of changes in climate. This thesis aims at demonstrating that stochastic information can improve the consideration and reduction of uncertainty in the assessment of changes in climate. The thesis consists of three parts. In part one, an indicator is developed that allows the determination of the proximity to a critical threshold. In part two, the tolerable windows approach (TWA) is extended to a probabilistic TWA. In part three, an integrated assessment of changes in flooding probability due to climate change is conducted within the TWA. The thermohaline circulation (THC) is a circulation system in the North Atlantic, where the circulation may break down in a saddle-node bifurcation under the influence of climate change. Due to uncertainty in ocean models, it is currently very difficult to determine the distance of the THC to the bifurcation point. We propose a new indicator to determine the system's proximity to the bifurcation point by considering the THC as a stochastic system and using the information contained in the fluctuations of the circulation around the mean state. As the system is moved closer to the bifurcation point, the power spectrum of the overturning becomes \"redder\", i.e. more energy is contained in the low frequencies. Since the spectral changes are a generic property of the saddle-node bifurcation, the method is not limited to the THC, but it could also be applicable to other systems, e.g. transitions in ecosystems. In part two, a probabilistic extension to the tolerable windows approach (TWA) is developed. In the TWA, the aim is to determine the complete set of emission strategies that are compatible with so-called guardrails. Guardrails are limits to impacts of climate change or to climate change itself. Therefore, the TWA determines the \"maneuvering space\" humanity has, if certain impacts of climate change are to be avoided. Due to uncertainty it is not possible to definitely exclude the impacts of climate change considered, but there will always be a certain probability of violating a guardrail. Therefore the TWA is extended to a probabilistic TWA that is able to consider \"probabilistic uncertainty\", i.e. uncertainty that can be expressed as a probability distribution or uncertainty that arises through natural variability. As a first application, temperature guardrails are imposed, and the dependence of emission reduction strategies on probability distributions for climate sensitivities is investigated. The analysis suggests that it will be difficult to observe a temperature guardrail of 2\°C with high probabilities of actually meeting the target. In part three, an integrated assessment of changes in flooding probability due to climate change is conducted. A simple hydrological model is presented, as well as a downscaling scheme that allows the reconstruction of the spatio-temporal natural variability of temperature and precipitation. These are used to determine a probabilistic climate impact response function (CIRF), a function that allows the assessment of changes in probability of certain flood events under conditions of a changed climate. The assessment of changes in flooding probability is conducted in 83 major river basins. Not all floods can be considered: Events that either happen very fast, or affect only a very small area can not be considered, but large-scale flooding due to strong longer-lasting precipitation events can be considered. Finally, the probabilistic CIRFs obtained are used to determine emission corridors, where the guardrail is a limit to the fraction of world population that is affected by a predefined shift in probability of the 50-year flood event. This latter analysis has two main results. The uncertainty about regional changes in climate is still very high, and even small amounts of further climate change may lead to large changes in flooding probability in some river systems.},
  subject      = {Anthropogene Klima{\"a}nderung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Fuessel2003,
  author    = {F{\"u}ssel, Hans-Martin},
  title     = {Impacts analysis for inverse integrated assessments of climate change},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001089},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2003},
  abstract  = {Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Anwendung des Klimawirkungsmoduls des ICLIPS-Modells, eines integrierten Modells des Klimawandels ('Integrated Assessment'-Modell). Vorangestellt ist eine Diskussion des gesellschaftspolitischen Kontexts, in dem modellbasiertes 'Integrated Assessment' stattfindet, aus der wichtige Anforderungen an die Spezifikation des Klimawirkungsmoduls abgeleitet werden. Das 'Integrated Assessment' des Klimawandels umfasst eine weiten Bereich von Aktivit{\"a}ten zur wissenschaftsbasierten Unterst{\"u}tzung klimapolitischer Entscheidungen. Hierbei wird eine Vielzahl von Ans{\"a}tzen verfolgt, um politikrelevante Informationen {\"u}ber die erwarteten Auswirkungen des Klimawandels zu ber{\"u}cksichtigen. Wichtige Herausforderungen in diesem Bereich sind die große Bandbreite der relevanten r{\"a}umlichen und zeitlichen Skalen, die multifaktorielle Verursachung vieler 'Klimafolgen', erhebliche wissenschaftliche Unsicherheiten sowie die Mehrdeutigkeit unvermeidlicher Werturteile. Die Entwicklung eines hierarchischen Konzeptmodells erlaubt die Strukturierung der verschiedenen Ans{\"a}tze sowie die Darstellung eines mehrstufigen Entwicklungsprozesses, der sich in der Praxis und der zu Grunde liegenden Theorie von Studien zur Vulnerabilit{\"a}t hinsichtlich des Klimawandels wiederspiegelt. 'Integrated Assessment'-Modelle des Klimawandels sind wissenschaftliche Werkzeuge, welche eine vereinfachte Beschreibung des gekoppelten Mensch-Klima-Systems enthalten. Die wichtigsten entscheidungstheoretischen Ans{\"a}tze im Bereich des modellbasierten 'Integrated Assessment' werden im Hinblick auf ihre F{\"a}higkeit zur ad{\"a}quaten Darstellung klimapolitischer Entscheidungsprobleme bewertet. Dabei stellt der 'Leitplankenansatz' eine 'inverse' Herangehensweise zur Unterst{\"u}tzung klimapolitischer Entscheidungen dar, bei der versucht wird, die Gesamtheit der klimapolitischen Strategien zu bestimmen, die mit einer Reihe von zuvor normativ bestimmten Mindestkriterien (den sogenannten 'Leitplanken') vertr{\"a}glich sind. Dieser Ansatz verbindet bis zu einem gewissen Grad die wissenschaftliche Strenge und Objektivit{\"a}t simulationsbasierter Ans{\"a}tze mit der F{\"a}higkeit von Optimierungsans{\"a}tzen, die Gesamtheit aller Entscheidungsoptionen zu ber{\"u}cksichtigen. Das ICLIPS-Modell ist das erste 'Integrated Assessment'-Modell des Klimawandels, welches den Leitplankenansatz implementiert. Die Darstellung von Klimafolgen ist eine wichtige Herausforderung f{\"u}r 'Integrated Assessment'-Modelle des Klimawandels. Eine Betrachtung bestehender 'Integrated Assessment'-Modelle offenbart große Unterschiede in der Ber{\"u}cksichtigung verschiedener vom Klimawandel betroffenen Sektoren, in der Wahl des bzw. der Indikatoren zur Darstellung von Klimafolgen, in der Ber{\"u}cksichtigung nicht-klimatischer Entwicklungen einschließlich gezielter Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel, in der Behandlung von Unsicherheiten und in der Ber{\"u}cksichtigung von 'singul{\"a}ren' Ereignissen. 'Integrated Assessment'-Modelle, die auf einem Inversansatz beruhen, stellen besondere Anforderungen an die Darstellung von Klimafolgen. Einerseits muss der Detaillierungsgrad hinreichend sein, um Leitplanken f{\"u}r Klimafolgen sinnvoll definieren zu k{\"o}nnen; andererseits muss die Darstellung effizient genug sein, um die Gesamtheit der m{\"o}glichen klimapolitischen Strategien erkunden zu k{\"o}nnen. Großr{\"a}umige Singularit{\"a}ten k{\"o}nnen h{\"a}ufig durch vereinfachte dynamische Modelle abgebildet werden. Diese Methode ist jedoch weniger geeignet f{\"u}r regul{\"a}re Klimafolgen, bei denen die Bestimmung relevanter Ergebnisse in der Regel die Ber{\"u}cksichtigung der Heterogenit{\"a}t von klimatischen, naturr{\"a}umlichen und sozialen Faktoren auf der lokalen oder regionalen Ebene erfordert. Klimawirkungsfunktionen stellen sich als die geeignetste Darstellung regul{\"a}rer Klimafolgen im ICLIPS-Modell heraus. Eine Klimawirkungsfunktion beschreibt in aggregierter Form die Reaktion eines klimasensitiven Systems, wie sie von einem geographisch expliziten Klimawirkungsmodell f{\"u}r eine repr{\"a}sentative Teilmenge m{\"o}glicher zuk{\"u}nftiger Entwicklungen simuliert wurde. Die in dieser Arbeit vorgestellten Klimawirkungsfunktionen nutzen die globale Mitteltemperatur sowie die atmosph{\"a}rische CO2-Konzentration als Pr{\"a}diktoren f{\"u}r global und regional aggregierte Auswirkungen des Klimawandels auf nat{\"u}rliche {\"O}kosysteme, die landwirtschaftliche Produktion und die Wasserverf{\"u}gbarkeit. Die Anwendung einer 'Musterskalierungstechnik' erm{\"o}glicht hierbei die Ber{\"u}cksichtigung der regionalen und saisonalen Muster des Klima{\"a}nderungssignals aus allgemeinen Zirkulationsmodellen, ohne die Effizienz der dynamischen Modellkomponenten zu beeintr{\"a}chtigen. Bem{\"u}hungen zur quantitativen Absch{\"a}tzung zuk{\"u}nftiger Klimafolgen sehen sich bei der Wahl geeigneter Indikatoren in der Regel einem Zielkonflikt zwischen der Relevanz eines Indikators f{\"u}r Entscheidungstr{\"a}ger und der Zuverl{\"a}ssigkeit, mit der dieser bestimmt werden kann, gegen{\"u}ber. Eine Reihe von nichtmonet{\"a}ren Indikatoren zur aggregierten Darstellung von Klimafolgen in Klimawirkungsfunktionen wird pr{\"a}sentiert, welche eine Balance zwischen diesen beiden Zielen anstreben und gleichzeitig die Beschr{\"a}nkungen ber{\"u}cksichtigen, die sich aus anderen Komponenten des ICLIPS-Modells ergeben. Klimawirkungsfunktionen werden durch verschiedene Typen von Diagrammen visualisiert, welche jeweils unterschiedliche Perspektiven auf die Ergebnismenge der Klimawirkungssimulationen erlauben. Die schiere Anzahl von Klimawirkungsfunktionen verhindert ihre umfassende Darstellung in dieser Arbeit. Ausgew{\"a}hlte Ergebnisse zu Ver{\"a}nderungen in der r{\"a}umlichen Ausdehnung von Biomen, im landwirtschaftlichen Potential verschiedener L{\"a}nder und in der Wasserverf{\"u}gbarkeit in mehreren großen Einzugsgebieten werden diskutiert. Die Gesamtheit der Klimawirkungsfunktionen wird zug{\"a}nglich gemacht durch das 'ICLIPS Impacts Tool', eine graphische Benutzeroberfl{\"a}che, die einen bequemen Zugriff auf {\"u}ber 100.000 Klimawirkungsdiagramme erm{\"o}glicht. Die technischen Aspekte der Software sowie die zugeh{\"o}rige Datenbasis wird beschrieben. Die wichtigste Anwendung von Klimawirkungsfunktionen ist im 'Inversmodus', wo sie genutzt werden, um Leitplanken zur Begrenzung von Klimafolgen in gleichzeitige Randbedingungen f{\"u}r Variablen aus dem optimierenden ICLIPS-Klima-Weltwirtschafts-Modell zu {\"u}bersetzen. Diese {\"U}bersetzung wird erm{\"o}glicht durch Algorithmen zur Bestimmung von Mengen erreichbarer Klimazust{\"a}nde ('reachable climate domains') sowie zur parametrisierten Approximation zul{\"a}ssiger Klimafenster ('admissible climate windows'), die aus Klimawirkungsfunktionen abgeleitet werden. Der umfassende Bestand an Klimawirkungsfunktionen zusammen mit diesen Algorithmen erm{\"o}glicht es dem integrierten ICLIPS-Modell, in flexibler Weise diejenigen klimapolitischen Strategien zu bestimmen, welche bestimmte in biophysikalischen Einheiten ausgedr{\"u}ckte Begrenzungen von Klimafolgen explizit ber{\"u}cksichtigen. Diese M{\"o}glichkeit bietet kein anderes intertemporal optimierendes 'Integrated Assessment'-Modell. Eine Leitplankenanalyse mit dem integrierten ICLIPS-Modell unter Anwendung ausgew{\"a}hlter Klimawirkungsfunktionen f{\"u}r Ver{\"a}nderungen nat{\"u}rlicher {\"O}kosysteme wird beschrieben. In dieser Analyse werden so genannte 'notwendige Emissionskorridore' berechnet, die vorgegebene Beschr{\"a}nkungen hinsichtlich der maximal zul{\"a}ssigen globalen Vegetationsver{\"a}nderungen und der regionalen Klimaschutzkosten ber{\"u}cksichtigen. Dies geschieht sowohl f{\"u}r eine 'Standardkombination' der drei gew{\"a}hlten Kriterien als auch f{\"u}r deren systematische Variation. Eine abschließende Diskussion aktueller Entwicklungen in der 'Integrated Assessment'-Modellierung stellt diese Arbeit mit anderen einschl{\"a}gigen Bem{\"u}hungen in Beziehung.},
  language  = {en}
}