Multidekaden-Oszillation und solarer Zyklus

Im IPCC-Report „Climate Change 2013 – The Physical Science Basis“ werden auf den Seiten 393 und 876 zwei unterschiedliche Verläufe der anthropogenen Erwärmung seit 1860/70 angegeben, die in Abb. 1 blau bzw. orange dargestellt sind. Der orange dargestellte Verlauf der anthropogenen Erwärmung liegt ab 1990 exakt auf der IPCC-Hypothese T_A(m) = m/1600 (°C) (schwarz – vgl. Link), und diese ist wiederum bis 1970 fast identisch mit dem logarithmischen Ansatz T_A(C) = 2,5 * ln(C/C₀) (°C) (grün).

An beiden IPCC-Kurven ist neben ihrer erheblichen Unterschiedlichkeit auffällig, daß sie nicht ebenso glatt ansteigen wie die CO₂-Konzentration C bzw. die kumulierte CO₂-Emission m. Das IPCC-Bild aus Box 10.1 enthält auch die als Linearkombination aus „natürlich“ (blau – im wesentlichen Vulkanismus von Krakatau 1883 bis Pinatubo 1991 – vgl. Überlegungen zur natürlichen Variabilität) und „anthropogen“ (orange) gebildete Temperatur-Anomalie, die bis auf ein paar dem Vulkanismus zugeschriebene Einbrüche von 0,1°C bis fast 1,0°C weitgehend monoton ansteigt.

Bestehen natürliche Temperatureinflüsse nur aus Vulkanismus?

Die Abb. 1 enthält verschiedene Hypothesen über den zeitlichen Verlauf anthropogener Erwärmung T_A . Die Gesamterwärmung (GMST) ist die Summe von T_A und der natürlichen Erwärmung T_N . Also kann man die natürliche Erwärmung als Differenz von GMST und T_A berechnen. Die Differenz aus GMST und der aus FAQ 5.1 (IPCC-Report S. 393) stammenden Kurve T_A = „Anthropogenic Component“ (siehe Abb. 1) wurde in Abb. 2 zusammen mit den AMO-Index-Meßwerten dargestellt:

Als Ergebnis sieht man eine Multidekaden-Schwingung im negativen Bereich, weil die hohen Werte der blauen Kurve in Abb. 1 praktisch alle Erwärmung als „anthropogen“ einstufen. Die Schwingung ist synchron zur AMO mit kleiner werdenden Amplituden. Der AMO-Index selbst zeigt dieses Verhalten nicht; insofern besteht der Verdacht, daß ein Zusammenhang mit zu hohen anthropogenen Werten auch nach 1985 besteht.

Die blaue Kurve mit erstaunlich hohen Werten anthropogener Erwärmung gehört zur Diskussion der Frage „Is the Sun a Major Driver of Recent Changes in Climate?“. In der IPCC-Antwort wird der Sonne – speziell dem deVries/Suess-Zyklus (siehe Abb. 5) – nur ein sehr geringer erwärmender Anteil zugeschrieben, und als weiterer „natürlicher Faktor“ ausschließlich der abkühlende Vulkanismus genannt. Die blaue Differenzkurve „GMST – Anthropogenic“ schwingt jedoch offensichtlich synchron zur AMO und nicht zu Vulkanausbrüchen (z.B. 1883 Krakatau, 1902 Santa Maria, 1963 Agung, 1982 El Chichón, 1991 Pinatubo). Trotzdem wird die AMO vom IPCC in diesem Zusammenhang nicht erwähnt.

Das in Abb. 2 gefundene Ergebnis paßt andererseits zu der entsprechenden Angabe in den AMO-FAQ der NOAA. Ihr ist zu entnehmen, daß die atlantische Multidekaden-Oszillation (AMO) abwechselnd den globalen Temperaturanstieg aufgrund der anthropogenen globalen Erwärmung vermindert und erhöht.

Untersuchung der unter „Temperatur-Kalibrierung“ diskutierten Ansätze zur Beschreibung der anthropogenen Erwärmung durch Differenzbildung mit den GMST-Meßwerten

Die auf nicht nachvollziehbare Weise entstandenen IPCC-Kandidaten aus Abb. 1 zur Beschreibung der anthropogenen Erwärmung werden nicht weiter untersucht. Zu prüfende Funktionskandidaten sind ein linearer und zwei logarithmische Ansätze:

( m ) T_A(m) = m/1600 (°C)

(3.1) T_A(C) = 3,1 * ln(C/C₀) (°C)

(2.5) T_A(C) = 2,5 * ln(C/C₀) (°C)

m = kumulierte Emissionen (Gt); C = atmosphärische CO₂-Konzentration (ppm) entsprechend dem Bern Carbon Cycle Modell; die vorindustrielle CO₂-Konzentration C₀ wird als 295 ppm angesetzt (siehe Link).

Abb. 3 zeigt die 3 Funktionskandidaten (3.1 – rot), (m – blau) und (2.5 – grün) für die Beschreibung der CO₂-bedingten Temperaturerhöhung (siehe Link), die um die geglättete Temp.-Anomalie-Kurve (dunkelrot) schwingen und sie mehrfach schneiden.

Unten im Bild wurde beispielhaft die hellblaue Differenzkurve zwischen geglätteter Temperatur-Anomalie und der grünen Kurve 2,5 * ln(C/C₀)  eingezeichnet, die synchron zur AMO (orange) verläuft.

Das Subtrahieren der 3 Ansätze für die CO₂-bedingte Erwärmung von den Temperatur-Meßwerten führt in allen drei Fällen zu einer zur AMO synchronen Multidekaden-Oszillation, wie Abb. 4 zeigt. Das Bilden von gleitenden Mitteln der Differenzkurven mit der AMO-Periode von 68 Jahren eliminiert den AMO-Einfluß vollständig (vgl. AMO → Abb. 3), so daß man sehen kann, was nach Subtraktion von anthropogener Erwärmung und der Eliminierung der AMO bleibt – eine Null-Linie, oder womöglich ein weiterer natürlicher Einfluß?

Wenn das rot eingezeichnete AMO-Periodenmittel über die Differenzkurve über den gesamten Wertebereich eine Null-Linie ergäbe, so hieße das, daß die Überlagerung des Ansatzes mit der AMO die gemessene Erwärmung korrekt beschreibt. Das ist bei keinem der drei untersuchten Ansätze der Fall. Die von der Null-Linie verschiedenen Kurven zeigen einen bisher unberücksichtigten und von der AMO-Schwingung überlagerten natürlichen Einfluß an.

Ansatz (2.5): T_A(C) = 2,5 * ln(C/C₀) (°C)

Besonders deutlich ist das beim Ansatz (2.5), wo dieser weitere Einfluß als der solare deVries/Suess-Zyklus mit einer Periode von 208 Jahren (und einer Amplitude von 0,07°C) interpretiert werden kann – vgl. Aussagen im IPCC-Report 2013 (Seite 392) zu solaren Einflüssen mit Bild „Solar Component“ auf Seite 393 – siehe Abb. 5.

„Ein langfristiger zunehmender Trend der Sonnenaktivität zu Beginn des 20. Jahrhunderts könnte die in diesem Zeitraum registrierte Erwärmung zusammen mit der internen Variabilität, dem Anstieg der Treibhausgase und einer Unterbrechung des Vulkanismus verstärkt haben. Er kann jedoch nicht den beobachteten Anstieg seit den späten 1970er Jahren erklären, und es gab sogar einen leicht rückläufigen Trend der TSI von 1986 bis 2008.“

Die in Abb. 4 / (2.5) rot eingezeichnete Kurve – das AMO-Periodenmittel der Temperatur-Differenz – hat ein Minimum bei ca. 1880 und ein Maximum bei ca. 1985, was gut zur Periode des deVries/Suess-Zyklus paßt (208 Jahre). Die durch Differenzbildung entstandene Multidekaden-Schwingung hat gleichmäßige Amplituden (siehe gelbe Kurve in Abb. 6) entsprechend der gleichmäßig schwingenden AMO (siehe Abb. 3 im Text zur AMO), die den globalen mittleren Oberflächen-Temperaturen überlagert ist.

Ansatz (3.1): T_A(C) = 3,1 * ln(C/C₀) (°C)

Der Ansatz (3.1) ging von der IPCC-Behauptung aus, daß 2017 eine Temperatur-Anomalie von 1°C rel. zum 1850-1900-Mittel nach der kumulierten Emission von 1600 Gt CO₂ festgestellt wurde, und daß diese komplett anthropogen verursacht wurde. Mit der 2017 gemessenen CO₂-Konzentration von 407 ppm führt die Formel T_A(417) = 3,1 * ln(407/295) ebenfalls zum Wert 1°C. Allerdings wird bei diesem Ansatz nicht berücksichtigt, daß die überlagerte AMO 2017 ein relatives Maximum hatte. Dementsprechend hat die blaue Differenzkurve in Abb. 6 1978 ein fast ebenso tiefes Minimum wie 1910. Sie endet nach dem ab den 1980er Jahren erfolgten AMO-Anstieg beim Wert 0 und täuscht eine abgeschwächte AMO zwischen 1950 und 2000 vor. In Wahrheit schwingt die AMO laut NOAA-Meßwerten stabil mit gleichbleibender Amplitude (siehe Link), was einen Widerspruch zur laut IPCC nach 1950 angeblich abgeschwächten AMO darstellt – vgl. Seite 869 des IPCC-Reports 2013:

Der solare Antrieb ist der einzige bekannte natürliche Antrieb, der das Klima in diesem Zeitraum erwärmt, aber er hat viel weniger zugenommen als der Treibhausgas-Antrieb. … Die atlantische multidekadische Oszillation (AMO) könnte einen irritierenden (confounding) Einfluß haben, aber Studien, die eine signifikante Rolle für die AMO finden, zeigen, dass diese sich wenig auf die Temperaturtrends von 1951-2010 auswirkt.“

Der IPCC verfolgt offensichtlich das Ziel, für den GMST-Zuwachs seit Anfang der 1980er Jahre komplett „den Menschen“ verantwortlich zu machen (siehe erster Absatz in „IPCC-Aussagen zu Atmosphären-Temperaturen“).

Unter der Voraussetzung der laut NOAA-Meßwerten nicht abgeschwächten AMO muß T_A(417) mindestens um die AMO-Amplitude (ca. 0,1°C) kleiner sein als 1°C. Die Steigung 3,1°C ist also zu hoch; wenn man sie auf 2,5°C herabsetzt, erhält man den oben diskutierten Fall (2.5), der eine gleichmäßige 68-Jahre-Schwingung aufweist, die offenbar einem (auch vom IPCC postulierten) solaren Einfluß überlagert ist – einer 208-Jahre-Schwingung mit der Amplitude um 0,07°C.

Ansatz (m): T_A(m) = m/1600 (°C)

Bis ca. 1950 läuft das AMO-Periodenmittel der Differenzkurve mit dem IPCC-Ansatz T_A=m/1600 exakt auf der Kurve des deVries/Suess-Zyklus. Das ist damit zu erklären, daß für (C – C₀)/C₀  )< 0,12 (entsprechend: C < 330 ppm) die Ansätze T_A=m/1600 und und T_A=2,5*ln(1+(C–C₀)/C₀  ) praktisch identisch sind (siehe Abb. 3 und Abb. 6; Formeln dazu: siehe Link).

Der Ansatz (m) ist wie der Ansatz (3.1) so konstruiert, daß er 2017 – nach der kumulierten Emission von 1600 Gt CO₂ – zu einer Temperatur-Anomalie von 1°C führt, ohne dabei zu berücksichtigen, daß die überlagerte AMO zu diesem Zeitpunkt zusätzlich 0,1°C Temperaturerhöhung beiträgt. Die Steigung s ist für den Ansatz T_A= s*m/1600 also ähnlich wie beim Ansatz (3.1) zu hoch und muß ähnlich stark herabgesetzt werden – in diesem Fall von 1° auf 0,82° (siehe unten) -, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß die Differenzkurve ein Abbild der gleichmäßig schwingenden AMO darstellen sollte.

Linear oder Logarithmisch?

Im IPCC-Report 2013 widerspricht der IPCC sich selbst, wenn er einerseits einen mit den kumulierten Emissionen m linearen Temperaturanstieg T_A postuliert (T_A=m/1600 ist gleichbedeutend mit T_A=(C-C₀)/112) – siehe Link/Formel (4) – und andererseits für die TCR einen Wertebereich zwischen 1°C und 2,5°C abgibt, was äquivalent mit einem logarithmischen Ansatz ist: T_A=TCR/ln2*ln(C/C₀) – siehe Klimasensitivität.

Um dem Problem „linear oder logarithmisch“ anhand der vorliegenden Meßdaten nachgehen zu können, wurden Lösungen für den linearen und den logarithmischen Ansatz gesucht, die bei gleich großen natürlichen Einflüssen AMO und deVries/Suess-Zyklus die HADCRUT4-Temperaturmeßwerte mit gleichem (und minimalen) mittleren Fehler abbilden. Für die Temperatur-Anomalie T gilt

T(C) = VSZ + AMO + 2,44*ln(C/C₀) + 0,023 ± 0,099 °C

T(m) = VSZ + AMO + 0,82*m/1600 + 0,034 ± 0,099 °C

mit

VSZ = -0,08 * cos(2π/208*(t-1880)) °C

AMO = 0,1* sin(2π/68*(t-1927)) °C

Der mittlere Fehler von linearem und logarithmischem Ansatz liegt mit 0,099°C in der Größenordnung der natürlichen Variabilität 0,096°C der Hadcrut4-Temperaturdaten. Abb. 7 zeigt, daß beide Ansätze dementsprechend dem gleitenden Mittel des bisherigen GMST-Temperaturverlaufs mit nur geringen Abweichungen folgen.

Abb. 8 zeigt, daß in beiden Fällen das AMO-Periodenmittel der Differenz von Temperatur und Ansatz entlang des Periodenmittels des deVries/Suess-Zyklus mit der Amplitude 0,08°C verläuft.

Die Abbildungen 7 und 8 sind offensichtlich nicht geeignet, eine Entscheidung zugunsten eines der beiden Ansätze herbeizuführen. Wenn man die Vorhersagequalitäten der beiden Ansätze an den bestehenden Daten überprüft – siehe „Linear oder logarithmisch“ – zeigt sich, daß der lineare Ansatz zukünftige Temperaturen umso mehr überschätzt, je weiter diese in der Zukunft liegen.