Stochastic information in the assessment of climate change

Stochastische Information in der Bewertung des Klimawandels

  • 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 toStochastic 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.show moreshow less
  • Stochastische Information, zu verstehen als "Information, die durch die Anwendung stochastischer Methoden gewonnen wird", wird als Hilfsmittel in der Bewertung von Klimaänderungen vorgeschlagen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, zu zeigen, dass stochastische Information die Berücksichtigung und Reduktion von Unsicherheit in der Bewertung des Klimawandels verbessern kann. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird ein Indikator entwickelt, der die Bestimmung des Abstandes zu einem kritischen Grenzwert ermöglicht. Im zweiten Teil wird der "tolerable windows approach" (TWA) zu einem probabilistischen TWA erweitert. Im dritten Teil wird eine integrierte Abschätzung der Veränderung von Überflutungswahrscheinlichkeiten im Rahmen des TWA durchgeführt. Die thermohaline Zirkulation (THC) ist ein Zirkulationssystem im Nordatlantik, in dem die Zirkulation unter Einfluss des Klimawandels in einer Sattel-Knoten Bifurkation abreißen kann. Durch Unsicherheit in Ozeanmodellen ist esStochastische Information, zu verstehen als "Information, die durch die Anwendung stochastischer Methoden gewonnen wird", wird als Hilfsmittel in der Bewertung von Klimaänderungen vorgeschlagen. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, zu zeigen, dass stochastische Information die Berücksichtigung und Reduktion von Unsicherheit in der Bewertung des Klimawandels verbessern kann. Die Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil wird ein Indikator entwickelt, der die Bestimmung des Abstandes zu einem kritischen Grenzwert ermöglicht. Im zweiten Teil wird der "tolerable windows approach" (TWA) zu einem probabilistischen TWA erweitert. Im dritten Teil wird eine integrierte Abschätzung der Veränderung von Überflutungswahrscheinlichkeiten im Rahmen des TWA durchgeführt. Die thermohaline Zirkulation (THC) ist ein Zirkulationssystem im Nordatlantik, in dem die Zirkulation unter Einfluss des Klimawandels in einer Sattel-Knoten Bifurkation abreißen kann. Durch Unsicherheit in Ozeanmodellen ist es gegenwärtig kaum möglich, den Abstand des Systems zum Bifurkationspunkt zu bestimmen. Wir schlagen einen neuen Indikator vor, der es ermöglicht, die Nähe des Systems zum Bifurkationspunkt zu bestimmen. Dabei wird die THC als stochastisches System angenommen, und die Informationen, die in den Fluktuationen der Zirkulation um den mittleren Zustand enthalten sind, ausgenutzt. Wenn das System auf den Bifurkationspunkt zubewegt wird, wird das Leistungsspektrum "roter", d.h. die tiefen Frequenzen enthalten mehr Energie. Da diese spektralen Veränderungen eine allgemeine Eigenschaft der Sattel-Knoten Bifurkation sind, ist die Methode nicht auf die THC beschränkt, sondern weitere Anwendungen könnten möglich sein, beispielsweise zur Erkennung von Übergängen in Ökosystemen. Im zweiten Teil wird eine probabilistische Erweiterung des "tolerable windows approach" (TWA) entwickelt. Das Ziel des TWA ist die Bestimmung der Menge der Emissionsreduktionsstrategien, die mit sogenannten Leitplanken kompatibel sind. Diese Leitplanken sind Begrenzungen der Auswirkungen des Klimawandels, oder des Klimawandels selber. Der TWA bestimmt daher den Spielraum, den die Menschheit hat, wenn bestimmte Auswirkungen des Klimawandels vermieden werden sollen. Durch den Einfluss von Unsicherheit ist es aber nicht möglich, die betrachteten Auswirkungen des Klimawandels mit Sicherheit auszuschließen, sondern es existiert eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass die Leitplanke verletzt wird. Der TWA wird daher zu einem probabilistischen TWA weiterentwickelt, der es ermöglicht, "probabilistische Unsicherheit", also Unsicherheit, die durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgedrückt werden kann, oder die durch den Einfluß von natürlicher Variabilität entsteht, zu berücksichtigen. Als erste Anwendung werden Temperaturleitplanken betrachtet, und die Abhängigkeit der Emissionsreduktionsstrategien von Wahrscheinlichkeitsverteilungen über die Klimasensitivität wird bestimmt. Die Analyse ergibt, dass die Einhaltung einer Temperaturleitplanke von 2°C sehr schwierig wird, wenn man hohe Wahrscheinlichkeiten des Einhaltens der Leitplanke fordert. Im dritten Teil wird eine integrierte Abschätzung der Änderungen von Überflutungswahrscheinlichkeiten unter Einfluss des Klimawandels durchgeführt. Ein einfaches hydrologisches Modell wird vorgestellt, sowie ein Skalierungsansatz, der es ermöglicht, die raum-zeitliche natürliche Variabilität von Temperatur und Niederschlag zu rekonstruieren. Diese werden zur Bestimmung einer probabilistischen Klimawirkungsfunktion genutzt, einer Funktion, die es erlaubt, die Veränderungen der Wahrscheinlichkeit bestimmter Überflutungsereignisse unter Einfluss von Klimaänderungen abzuschätzen. Diese Untersuchung der Veränderung von Überflutungswahrscheinlichkeiten wird in 83 großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt. Nicht alle Klassen von Überflutungen können dabei berücksichtigt werden: Ereignisse, die entweder sehr schnell vonstatten gehen, oder die nur ein kleines Gebiet betreffen, können nicht berücksichtigt werden, aber großflächige Überflutungen, die durch starke, langanhaltende Regenfälle hervorgerufen werden, können berücksichtigt werden. Zuguterletzt werden die bestimmten Klimawirkungsfunktion dazu genutzt, Emissionskorridore zu bestimmen, bei denen die Leitplanken Begrenzungen des Bevölkerungsanteils, der von einer bestimmten Veränderung der Wahrscheinlichkeit eines 50-Jahres-Flutereignisses betroffen ist, sind. Letztere Untersuchung hat zwei Hauptergebnisse. Die Unsicherheit von regionalen Klimaänderungen ist immer noch sehr hoch, und außerdem können in einigen Flusssystemen schon kleine Klimaänderungen zu großen Änderungen der Überflutungswahrscheinlichkeit führen.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Thomas Christopher Kleinen
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-5382
Supervisor(s):Hans Joachim Schellnhuber
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Completion year:2005
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2005/06/07
Release date:2005/07/18
Tag:Integrierte Bewertung; Klimawandel
Climate Change; Flooding probability; Integrated Assessment; stochastic differential equation
GND Keyword:Anthropogene Klimaänderung; Stochastische Differentialgleichung; Überflutung; Thermohaline Zi
RVK - Regensburg classification:UD 6100 , UG 3900 , RB 10399 , RB 10438
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik