Met Office Hadley Centre: Klimatischer Kühleffekt von Vulkan-Eruptionen wohl geringer als gedacht

Die historische Temperaturentwicklung der letzten Jahrhunderte und Jahrtausende besteht aus Erwärmungs- und Abkühlungsphasen. Im Zuge der CO2-zentrierten Sichtweise, wird jegliche Erwärmung heute reflexhaft als Folge des CO2-Anstiegs in der Atmosphäre gedeutet. Probleme gibt es dann aber bei den Abkühlungsphasen wie sie z.B. ab 1940 erfolgte. Da man die abwechselnd kühlend und wärmende Wirkung der 60-Jahres-Ozeanzyklen bis vor ein paar Jahren nicht kannte, suchte man nach “Ersatzkühlmitteln”. Zunächst dachte man, die kühle Phase 1940-1977 könnte durch den gestiegenen Schwefeldioxidausstoß aus der Kohleverbrennung verursacht worden sein. Diese Theorie zerschlug sich jedoch, da die Emissions- und Temperaturmuster zeitlich einfach nicht zueinander passten. Schließlich erklärte das Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie 2015, dass man die Kühlwirkung der Aerosole generell wohl deutlich überschätzt habe.

Im März 2016 entzauberten die Hamburger in Zusammenarbeit mit britischen Kollegen dann auch die Vulkane. In einem Paper im Fachblatt Climate Dynamics konnten Gregory und Kollegen zeigen, dass die klimatische Kühlwirkung von Vulkan-Eruptionen offenbar nur ein fünftel von dem beträgt, was aus Betrachtungen zur Klimasensitivität, speziell dem ‘transient climate response parameter’ gefolgert werden würde. Entsprechend wächst nun der Druck, die Klimasensitivität zu erniedrigen, um die beobachteten und theoretischen Wert in Einklang zu bringen.

Small global-mean cooling due to volcanic radiative forcing
In both the observational record and atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM) simulations of the last ∼150 years, short-lived negative radiative forcing due to volcanic aerosol, following explosive eruptions, causes sudden global-mean cooling of up to ∼0.3 K. This is about five times smaller than expected from the transient climate response parameter (TCRP, K of global-mean surface air temperature change per W m−2 of radiative forcing increase) evaluated under atmospheric CO2 concentration increasing at 1 % yr−1. Using the step model (Good et al. in Geophys Res Lett 38:L01703, 2011. doi:10.1029/2010GL045208), we confirm the previous finding (Held et al. in J Clim 23:2418–2427, 2010. doi:10.1175/2009JCLI3466.1) that the main reason for the discrepancy is the damping of the response to short-lived forcing by the thermal inertia of the upper ocean. Although the step model includes this effect, it still overestimates the volcanic cooling simulated by AOGCMs by about 60 %. We show that this remaining discrepancy can be explained by the magnitude of the volcanic forcing, which may be smaller in AOGCMs (by 30 % for the HadCM3 AOGCM) than in off-line calculations that do not account for rapid cloud adjustment, and the climate sensitivity parameter, which may be smaller than for increasing CO2 (40 % smaller than for 4 × CO2 in HadCM3).

Bereits im Januar 2016 publizierte ein Team um Claudia Timmreck in den Geophysical Research Letters eine Arbeit zur Klimamodellierung von Vulkanausbrüchen. Sie fanden dabei, dass große Vulkanausbrüche das Klima für bis zu 5 Jahre maßgeblich beeinflussen.

The impact of stratospheric volcanic aerosol on decadal-scale climate predictions
To understand the impact of volcanic aerosol on multiyear seasonal and decadal climate predictions, we performed Coupled Model Intercomparison Project Phase 5-type hindcasts without volcanic aerosol using the German Mittelfristige Klimaprognosen prediction system and compared them to the corresponding simulations including aerosols. Our results show that volcanic aerosol significantly affects the prediction skill for global mean surface air temperature in the first five years after strong volcanic eruptions. Also, on the regional scale a volcanic imprint on decadal-scale variability is detectable. Neglecting volcanic aerosol leads to a reduced prediction skill over the tropical and subtropical Atlantic, Indic, and west Pacific but to an improvement over the tropical east Pacific, where the model has in general no skill. Multiseasonal differences in the skill for seasonal mean temperatures are evident over Continental Europe with significant skill loss due to neglection of volcanic aerosol in boreal winter over central Europe, Scandinavia and over southeastern Europe, and the East Mediterranean in boreal summer.

Ebenfalls initeressant in diesem Zusammenhang ist die Arbeit einer Forschergruppe um Stefanie Kremser, die im Juni 2016 in den Reviews of Geophysics erschien. Das Paper fasst den aktuellen Wissensstand zu den Stratosphären-Aerosolen zusammen. Bemerkenswert ist die Aussage, dass man auch mit modernsten Messmethoden kleinere bis mittlere Schwankungen mit Änderungsbeträgen bis 20% nicht verlässlich quantifizieren kann. Insgesamt scheinen die vulkanischen Aerosole die nichtvulkanischen Beiträge bei weitem zu überstrahlen, so dass letztere noch immer schwer zu studieren sind. Insbsondere ist noch ziemlich unklar, inwieweit anthropogenes Schwefeldioxid in the Stratosphäre gelangt. Hier die Kurzfassung der Arbeit:

Stratospheric aerosol—Observations, processes, and impact on climate
Interest in stratospheric aerosol and its role in climate have increased over the last decade due to the observed increase in stratospheric aerosol since 2000 and the potential for changes in the sulfur cycle induced by climate change. This review provides an overview about the advances in stratospheric aerosol research since the last comprehensive assessment of stratospheric aerosol was published in 2006. A crucial development since 2006 is the substantial improvement in the agreement between in situ and space-based inferences of stratospheric aerosol properties during volcanically quiescent periods. Furthermore, new measurement systems and techniques, both in situ and space based, have been developed for measuring physical aerosol properties with greater accuracy and for characterizing aerosol composition. However, these changes induce challenges to constructing a long-term stratospheric aerosol climatology. Currently, changes in stratospheric aerosol levels less than 20% cannot be confidently quantified. The volcanic signals tend to mask any nonvolcanically driven change, making them difficult to understand. While the role of carbonyl sulfide as a substantial and relatively constant source of stratospheric sulfur has been confirmed by new observations and model simulations, large uncertainties remain with respect to the contribution from anthropogenic sulfur dioxide emissions. New evidence has been provided that stratospheric aerosol can also contain small amounts of nonsulfate matter such as black carbon and organics. Chemistry-climate models have substantially increased in quantity and sophistication. In many models the implementation of stratospheric aerosol processes is coupled to radiation and/or stratospheric chemistry modules to account for relevant feedback processes.