@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}
}