@phdthesis{Zickfeld2003,
  author    = {Zickfeld, Kirsten},
  title     = {Modeling large-scale singular climate events for integrated assessment},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-0001176},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2003},
  abstract  = {Erkenntnisse aus pal{\"a}oklimatologischen Studien, theoretischen Betrachtungen und Modellsimulationen deuten darauf hin, dass anthropogene Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen zu großskaligen, singul{\"a}ren Klimaereignissen f{\"u}hren k{\"o}nnten. Diese bezeichnen stark nichtlineare, abrupte Klima{\"a}nderungen, mit regionalen bis hin zu globalen Auswirkungen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Modellen zweier maßgeblicher Komponenten des Klimasystems, die singul{\"a}res Verhalten aufweisen k{\"o}nnten: die atlantische thermohaline Zirkulation (THC) und der indische Monsun. Diese Modelle sind so konzipiert, dass sie den Anforderungen der "Integrated Assessment"-Modellierung gen{\"u}gen, d.h., sie sind realistisch, recheneffizient, transparent und flexibel. Das THC-Modell ist ein einfaches, interhemisph{\"a}risches Boxmodell, das anhand von Daten kalibriert wird, die mit einem gekoppelten Klimamodell mittlerer Komplexit{\"a}t erzeugt wurden. Das Modell wird durch die globale Mitteltemperatur angetrieben, die mit Hilfe eines linearen Downscaling-Verfahrens in regionale W{\"a}rme- und S{\"u}ßwasserfl{\"u}sse {\"u}bersetzt wird. Die Ergebnisse einer Vielzahl von zeitabh{\"a}ngigen Simulationen zeigen, dass das Modell in der Lage ist, maßgebliche Eigenschaften des Verhaltens komplexer Klimamodelle wiederzugeben, wie die Sensitivit{\"a}t bez{\"u}glich des Ausmaßes, der regionalen Verteilung und der Rate der Klima{\"a}nderung. Der indische Monsun wird anhand eines neuartigen eindimensionalen Boxmodells der tropischen Atmosph{\"a}re beschrieben. Dieses enth{\"a}lt Parmetrisierungen der Oberfl{\"a}chen- und Strahlungsfl{\"u}sse, des hydrologischen Kreislaufs und derHydrologie der Landoberfl{\"a}che. Trotz des hohen Idealisierungsgrades ist das Modell in der Lage, relevante Aspekte der beobachteten Monsundynamik, wie z.B. den Jahresgang des Niederschlags und das Eintritts- sowie R{\"u}ckzugsdatum des Sommermonsuns, zufrieden stellend zu simulieren. Außerdem erfasst das Modell die Sensitivit{\"a}tdes Monsuns bez{\"u}glich {\"A}nderungen der Treibhausgas- und Aerosolkonzentrationen, die aus komplexeren Modellen bekannt sind. Eine vereinfachte Version des Monsunmodells wird f{\"u}r die Untersuchung des qualitativen Systemverhaltens in Abh{\"a}ngigkeit von {\"A}nderungen der Randbedingungen eingesetzt. Das bemerkenswerteste Ergebnis ist das Auftreten einer Sattelknotenbifurkation des Sommermonsuns f{\"u}r kritische Werte der Albedo oder der Sonneneinstrahlung. Dar{\"u}ber hinaus weist das Modell zwei stabile Zust{\"a}nde auf: neben dem niederschlagsreichen Sommermonsun besteht ein Zustand, der sich durch einen schwachen hydrologischen Kreislauf auszeichnet. Das Beachtliche an diesen Ergebnissen ist, dass anthropogene St{\"o}rungen der plantetaren Albedo, wie Schwefelemissionen und/oder Landnutzungs{\"a}nderungen, zu einer Destabilisierung des indischen Monsuns f{\"u}hren k{\"o}nnten. Das THC-Boxmodell findet exemplarische Anwendung in einem "Integrated Assessment" von Klimaschutzstrategien. Basierend auf dem konzeptionellen und methodischen Ger{\"u}st des Leitplankenansatzes werden Emissionskorridore (d.h. zul{\"a}ssige Spannen an CO2-Emissionen) berechnet, die das Risiko eines THC-Zusammenbruchs begrenzen sowie sozio{\"o}konomische Randbedingungen ber{\"u}cksichtigen. Die Ergebnisse zeigen u.a. eine starke Abh{\"a}ngigkeit der Breite der Emissionskorridore von der Klima- und hydrologischen Sensitivit{\"a}t. F{\"u}r kleine Werte einer oder beider Sensitivit{\"a}ten liegt der obere Korridorrand bei weit h{\"o}heren Emissionswerten als jene, die von plausiblen Emissionsszenarien f{\"u}r das 21. Jahrhundert erreicht werden. F{\"u}r große Werte der Sensitivit{\"a}ten hingegen, verlassen schon niedrige Emissionsszenarien den Korridor in den fr{\"u}hen Jahrzehnten des 21. Jahrhunderts. Dies impliziert eine Abkehr von den gegenw{\"a}rtigen Emissionstrends innherhalb der kommenden Jahrzehnte, wenn das Risko eines THC Zusammenbruchs gering gehalten werden soll. Anhand einer Vielzahl von Anwendungen - von Sensitivit{\"a}ts- {\"u}ber Bifurkationsanalysen hin zu integrierter Modellierung - zeigt diese Arbeit den Wert reduzierter Modelle auf. Die Ergebnisse und die daraus zu ziehenden Schlussfolgerungen liefern einen wertvollen Beitrag zu der wissenschaftlichen und politischen Diskussion bez{\"u}glich der Folgen des anthropogenen Klimawandels und der langfristigen Klimaschutzziele.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Knopf2006,
  author    = {Knopf, Brigitte},
  title     = {On intrinsic uncertainties in earth system modelling},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-10949},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2006},
  abstract  = {Uncertainties are pervasive in the Earth System modelling. This is not just due to a lack of knowledge about physical processes but has its seeds in intrinsic, i.e. inevitable and irreducible, uncertainties concerning the process of modelling as well. Therefore, it is indispensable to quantify uncertainty in order to determine, which are robust results under this inherent uncertainty. The central goal of this thesis is to explore how uncertainties map on the properties of interest such as phase space topology and qualitative dynamics of the system. We will address several types of uncertainty and apply methods of dynamical systems theory on a trendsetting field of climate research, i.e. the Indian monsoon. For the systematic analysis concerning the different facets of uncertainty, a box model of the Indian monsoon is investigated, which shows a saddle node bifurcation against those parameters that influence the heat budget of the system and that goes along with a regime shift from a wet to a dry summer monsoon. As some of these parameters are crucially influenced by anthropogenic perturbations, the question is whether the occurrence of this bifurcation is robust against uncertainties in parameters and in the number of considered processes and secondly, whether the bifurcation can be reached under climate change. Results indicate, for example, the robustness of the bifurcation point against all considered parameter uncertainties. The possibility of reaching the critical point under climate change seems rather improbable. A novel method is applied for the analysis of the occurrence and the position of the bifurcation point in the monsoon model against parameter uncertainties. This method combines two standard approaches: a bifurcation analysis with multi-parameter ensemble simulations. As a model-independent and therefore universal procedure, this method allows investigating the uncertainty referring to a bifurcation in a high dimensional parameter space in many other models. With the monsoon model the uncertainty about the external influence of El Ni{\~n}o / Southern Oscillation (ENSO) is determined. There is evidence that ENSO influences the variability of the Indian monsoon, but the underlying physical mechanism is discussed controversially. As a contribution to the debate three different hypotheses are tested of how ENSO and the Indian summer monsoon are linked. In this thesis the coupling through the trade winds is identified as key in linking these two key climate constituents. On the basis of this physical mechanism the observed monsoon rainfall data can be reproduced to a great extent. Moreover, this mechanism can be identified in two general circulation models (GCMs) for the present day situation and for future projections under climate change. Furthermore, uncertainties in the process of coupling models are investigated, where the focus is on a comparison of forced dynamics as opposed to fully coupled dynamics. The former describes a particular type of coupling, where the dynamics from one sub-module is substituted by data. Intrinsic uncertainties and constraints are identified that prevent the consistency of a forced model with its fully coupled counterpart. Qualitative discrepancies between the two modelling approaches are highlighted, which lead to an overestimation of predictability and produce artificial predictability in the forced system. The results suggest that bistability and intermittent predictability, when found in a forced model set-up, should always be cross-validated with alternative coupling designs before being taken for granted. All in this, this thesis contributes to the fundamental issue of dealing with uncertainties the climate modelling community is confronted with. Although some uncertainties allow for including them in the interpretation of the model results, intrinsic uncertainties could be identified, which are inevitable within a certain modelling paradigm and are provoked by the specific modelling approach.},
  subject      = {Unsicherheit},
  language  = {en}
}