Volcanos and their impact on climate and atmospheric chemistry
Final Report Abstract
Ziel des Projektes ist es, ein besseres Verständnis des globalen Vulkan-Klimasystems und der natürlichen Klimavariabilität zu erreichen. Mit Hilfe des gekoppelten Atmosphären-Ozeanmodells ECHAM5MPIOM ist für die Pinatuboeruption der kombinierte Effekt von El Niño und Vulkaneruptionen auf die Atmosphären und Ozeanzirkulation sowie den hydrologischen Kreislauf untersucht worden. Modellergebnisse für verschiedene Ozeanzustände können die Hypothese, dass Vulkane die Wahrscheinlichkeit für ein El Niño Ereignis erhöhen, nicht bestätigen. Temperaturanomalien in dem tropischen Pazifik zeigen jedoch für einige Fälle einen El Niño artige Anomalie und für einen Fall sogar eine La Niña artige Anomalie. Die Modellergebnisse ergeben im Hinblick auf den hydrologischen Zyklus signifikante Änderungen in der Verdunstung und im Wasserdampfgehalt besonders über dem maritimen Kontinent jedoch keine klaren Änderungen in der Wolkenbedeckung und im Runoff. Einzelne Ensemblemittelwerte zeigen jedoch erhebliche Anomalien ähnlich den Beobachtungen nach der Pinatubo Eruption. Eine starke Abnahme im Niederschlag findet sich vor allem in den tropischen Breiten. Unsere Simulationen zeigen, dass der Anfangszustand des Ozeans entscheidend für die vulkanisch bedingten Änderungen im hydrologischen Kreislauf ist. Grosse regionale und kontinentale Abweichungen findet man jedoch zwischen den einzelnen Realisierungen. Ensemblerechnungen einer Vielzahl von Kombinationen aller bekannten Faktoren (beobachtete SSTs + Ozonanomalien +QBO) wurden mit dem MAECHAM5 Modell gerechnet, um die Beiträge der einzelnen Faktoren auf die stratosphärischen und troposphärischen Zirkulationsänderungen nach einer Vulkaneruption zu untersuchen und besser zu verstehen. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass der Strahlungsantrieb von dem Modell gut wiedergegeben wird. Stratosphärische Temperaturänderungen stimmen sehr gut mit Beobachtungen überein, wenn alle Faktoren berücksichtigt werden. Während die Verstärkung des polaren Wirbels im zweiten Winter nach der Eruption von dem Modell gut simuliert werden kann, kommt es in dem ersten Winter (91/92) zu Abweichungen zu den Beobachtungen möglicherweise auf Grund des starken El Niño Effektes. Die dynamisch bedingten beobachteten Änderungen in der Nordhemisphärenoberflächentemperatur, der sich in einer Erwärmung über dem eurasischen und den nordamerikanischen Kontinent zeigt, wird von unserem Modell in allen Auflösungen nicht gut getroffen. Dies ist eine generelle Modellschwierigkeit und bei vielen gekoppelten Atmosphären-Ozeanmodellen zu finden. Die atmosphärischen Auswirkungen einer vulkanischen Störung können sich in Abhängigkeit von ihrer geographischen Breite und der Jahreszeit der Eruption wesentlich ändern. Die globale Verteilung der optischen Dicke, zeigt, dass sich die vulkanische Wolke des tropischen Pinatubos in beide Hemisphären ausbreitet und damit das globale Klimasystem beeinflusst. Vulkanisches Aerosol des Vesuvs (40.5ºN) befindet sich dagegen vorwiegend in der Nordhemisphäre, ein geringer Anteil ist jedoch auch in der Südhemisphäre zu finden. Das vulkanische Aerosol der Katmaieruption (58,2ºN) ist dagegen nur in der Nordhemisphäre zu finden. Die Lebensdauer des Vulkanaerosols variiert stark mit der geographischen Breite, die kürzeste Lebensdauer findet man bei dem Katmai mit 1.5 Jahren, und die längste bei dem Pinatubo mit 2.5 Jahren. Die geographische Verteilung des vulkanischen Aerosols und damit auch sein Strahlungsantrieb ändern sich für Vulkane aus den mittleren und hohen Breiten der Nordhemisphäre auch mit der Jahreszeit der Eruption und den für die Jahrezeit typisch vorliegenden Zirkulationssystemen. Die stratosphärische Schwefelmenge nach der großen vulkanischen Eruption 1258 AD war ungefähr 10 mal größer als nach der 1991 Eruption des Pinatubos, die Abkühlung jedoch war nicht wesentlich größer als für Pinatubo (~0.4 K). Mit Hilfe eines komplexen Erd System Modells wurden die Temperaturänderungen auf Grund der 1258 Eruption untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass nicht nur die Schwefelmenge sondern auch die Größe der Aerosolteilchen ihren Klimaeinfluss bestimmt. Die globale Abkühlung hängt stark von der angenommenen Aerosolgrößenverteilung ab. Nur Aerosolteilchen, die wesentlich größer als die nach der Pinatuboeruption beobachteten, ergeben Temperaturänderungen welche mit Rekonstruktionen für die Nordhemisphärensommertemperatur über Land übereinstimmen. Auch Supereruptionen, wie die des Yellowstone, können das Erdsystem nicht über mehrere Jahrhunderte abkühlen oder gar zu einer neuen Eiszeit führen. ESM Simulationen zu Yellowstone Eruption zeigen, dass das die globale Oberflächentemperatur über mehr als 20 Jahre gestört ist. Eine starke Abkühlung findet sich vor allem in der Nordhemisphäre in mittleren und hohen Breiten über Land mit maximalen Werten von mehr als -10K im Jahresmittel. Nach 17 Jahren jedoch ist die 2m Temperatur wieder im Normalbereich. Die Reduzierung der OH Konzentration sorgt zwar für eine verlangsamte Oxidationsrate von SO2 zu Sulfat und damit zu einer länger andauernden atmosphärischen Aufenthaltsdauer der vulkanischen Wolke im Falle von sehr großen Vulkaneruptionen fallen größere Teilchen jedoch auch schneller aus, so dass die Abklingrate auch anwächst. Auch die Anomalien im langwelligen Strahlungsfluss nehmen überproportional mit der Stärke der Eruption am Oberrand der Atmosphäre zu. Der Einfluss von in die Stratosphäre hochreichenden Vulkaneruptionen auf das globale Klimasystem ist somit durch selbstlimitierende Prozesse in der vulkanischen Wolke (insbesondere Sedimentation) zeitlich begrenzt. Die Ergebnisse erfordern damit ein komplettes Umdenken der allgemeinen gültigen Sichtweise bez. des Klimaeffektes großer Vulkaneruption und die damit verbundenen Auswirkungen auf Ökosysteme und Populationen.
Publications
- The initial dispersal and radiative forcing of a Northern Hemisphere mid-latitude super volcano: a model study. Atmos. Chem. Phys., 6, 35-49, 2006
Timmreck, C. und H.-F. Graf
- Aerosol microphysics modules in the framework of the ECHAM5 climate model intercomparison under stratospheric conditions. Geosci. Model Dev., 2, 97-112, 2009
Kokkola, H., R. Hommel, J. Kazil, U. Niemeier, A.-I. Partanen, J. Feichter, und C. Timmreck
- Initial fate of fine ash and sulfur from large volcanic eruptions. Atmos. Chem. Phys. Discuss., 9, 17531-17577, 2009
Niemeier, U., C. Timmreck, H.-F. Graf, S. Kinne, S. Rast und S. Self
- Simulation of the climate impact of Mt. Pinatubo eruption using ECHAM5. Part-I: Sensitivity to the modes of atmospheric circulation and boundary conditions. Atmos. Chem. Phys, 9, 757-769, 2009
Thomas, M. A., C. Timmreck, M. Giorgetta, H. Graf, und G. Stenchikov
- Simulation of the climate impact of Mt. Pinatubo eruption using ECHAM5. Part-II: Sensitivity to the phase of the QBO. Atmos. Chem. Phys., 9, 3001-3009, 2009
Thomas, M. A., M. Giorgetta, C. Timmreck, H. Graf, und G. Stenchikov
