<p>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.</p>
<p>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.</p>
<p>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. </p>
<p>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.</p>
<p>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.</p>
<p>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. </p>
<p>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.</p> / <p>Stochastische Information, zu verstehen als "Information, die
durch die Anwendung stochastischer Methoden gewonnen wird", wird
als Hilfsmittel in der Bewertung von Klimaänderungen vorgeschlagen.</p>
<p>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.</p>
<p>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.</p>
<p>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.</p>
<p>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.</p>
<p>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.</p>
<p>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.</p>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:538 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Kleinen, Thomas Christopher |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Physik und Astronomie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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