ALBERT

Description: The representation of tropical precipitation is evaluated across three generations of models participating in phases 3, 5, and 6 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Compared to state-of-the-art observations, improvements in tropical precipitation in the CMIP6 models are identified for some metrics, but we find no general improvement in tropical precipitation on different temporal and spatial scales. Our results indicate overall little changes across the CMIP phases for the summer monsoons, the double-ITCZ bias, and the diurnal cycle of tropical precipitation. We find a reduced amount of drizzle events in CMIP6, but tropical precipitation occurs still too frequently. Continuous improvements across the CMIP phases are identified for the number of consecutive dry days, for the representation of modes of variability, namely, the Madden–Julian oscillation and El Niño–Southern Oscillation, and for the trends in dry months in the twentieth century. The observed positive trend in extreme wet months is, however, not captured by any of the CMIP phases, which simulate negative trends for extremely wet months in the twentieth century. The regional biases are larger than a climate change signal one hopes to use the models to identify. Given the pace of climate change as compared to the pace of model improvements to simulate tropical precipitation, we question the past strategy of the development of the present class of global climate models as the mainstay of the scientific response to climate change. We suggest the exploration of alternative approaches such as high-resolution storm-resolving models that can offer better prospects to inform us about how tropical precipitation might change with anthropogenic warming.

Description: Dieses Papier beschreibt Empfehlungen zur Weiterentwicklung des nationalen Brennstoff-Emissionshandelsgesetzes (BEHG) – und wie ein reibungsfreier Übergang zur europäischen Ebene gestaltet werden kann. Bei der Einführung und Ausgestaltung eines EU-Emissionshandelssystem für Gebäude und Straßenverkehr (EU ETS-II) bestehen derzeit noch diverse Unsicherheiten. Unabhängig von den Entscheidungen auf europäischer Ebene identifizieren wir jedoch vier No-Regret Maßnahmen zur Weiterentwicklung des BEHG, die in allen Fällen förderlich sind: Zeitliches Vorziehen und Anhebung des Preiskorridors plus Versteigerung: Die Einführung eines Preiskorridors und die Versteigerung von Zertifikaten sollte auf das Jahr 2023 vorgezogen werden. Zudem sollte der Preiskorridor angehoben und verbreitert werden, um den neuen nationalen Klimazielen Rechnung zu tragen. BEHG Emissionsmengen analog zu Sektorzielen: Die EU-Kommission hat im Fit-for-55 Paket eine Erhöhung des deutschen ESR-Ziels auf 50% vorgeschlagen, was auch ungefähr den nationalen Zielen im Rahmen des Klimaschutzgesetzes (KSG) von 2021 entspricht. Um zu einem früheren Zeitpunkt Verbindlichkeit zu schaffen, sollten daher die BEHG-Emissionsmengen aus den KSG Sektorzielen abgeleitet werden. Direkte Pro-Kopf-Rückerstattung: Für den zu erwartenden Fall deutlich steigender CO2-Preise sollte die Bundesregierung schon vor 2023 die institutionellen Voraussetzungen für die Umsetzung des Klimagelds wie im Koalitionsvertrag beschrieben schaffen. Nationaler CO2-Mindestpreis: Bis spätestens 2025 sollte ein Mindestpreis zur eventuellen Ergänzung eines EU ETS-II vorbereitet und ggf. implementiert werden. Dadurch kann im Fall anfänglich niedriger Preise im EU ETS-II garantiert werden, dass der CO2-Preis in Deutschland weiterhin kontinuierlich ansteigt. Neben diesen Maßnahmen auf nationaler Ebene, sollte sich die Bundesregierung in den Fit-for-55 Verhandlungen einsetzen (1) für die Flexibilität zwischen EU ETS und ESR sowie (2) für ein graduelles Linking zwischen ETS-I und ETS-II. Mit beiden Maßnahmen können die sehr hohen Preisunterscheide reduziert und die Effizienz der Klimapolitik erhöht werden.

Description: Zusammenfassung 1. Einleitung 2. Zwei Unsicherheiten 3. Eckpunkte und No-Regret Optionen 4. Implikationen für die Fit-for-55 Verhandlungen

Description: Weather and climate variations on subseasonal to decadal time scales can have enormous social, economic, and environmental impacts, making skillful predictions on these time scales a valuable tool for decision-makers. As such, there is a growing interest in the scientific, operational, and applications communities in developing forecasts to improve our foreknowledge of extreme events. On subseasonal to seasonal (S2S) time scales, these include high-impact meteorological events such as tropical cyclones, extratropical storms, floods, droughts, and heat and cold waves. On seasonal to decadal (S2D) time scales, while the focus broadly remains similar (e.g., on precipitation, surface and upper-ocean temperatures, and their effects on the probabilities of high-impact meteorological events), understanding the roles of internal variability and externally forced variability such as anthropogenic warming in forecasts also becomes important. The S2S and S2D communities share common scientific and technical challenges. These include forecast initialization and ensemble generation; initialization shock and drift; understanding the onset of model systematic errors; bias correction, calibration, and forecast quality assessment; model resolution; atmosphere-ocean coupling; sources and expectations for predictability; and linking research, operational forecasting, and end-user needs. In September 2018 a coordinated pair of international conferences, framed by the above challenges, was organized jointly by the World Climate Research Programme (WCRP) and the World Weather Research Programme (WWRP). These conferences surveyed the state of S2S and S2D prediction, ongoing research, and future needs, providing an ideal basis for synthesizing current and emerging developments in these areas that promise to enhance future operational services. This article provides such a synthesis.

Description: There is a zonally oriented teleconnection pattern over the high-latitude Eurasian continent, which is maintained through baroclinic energy conversion. In this study, we investigate the unique features of the maintenance mechanism of this teleconnection. It is found that the baroclinic energy conversion is most efficient in both the mid-troposphere and the lower troposphere, and that the baroclinic energy conversion in the lower troposphere is comparable to that in the mid-troposphere. Further results indicate that the basic state plays a crucial role in the baroclinic energy conversion. For both the mid and lower troposphere, the atmospheric stability is low and the Coriolis parameter is large over high-latitude Eurasia, favoring strong baroclinic energy conversion. Particularly, in the lower troposphere, the atmospheric stability exhibits a clear land-sea contrast, favoring baroclinic energy conversion over the continents rather than the oceans. Furthermore, in the lower troposphere, the in-phase configuration of the meridional wind and temperature anomalies, which results from the strong meridional gradient of mean temperature around the north edge of the Eurasian continent, also significantly contributes to baroclinic energy conversion. This study highlights the role of the basic state of temperature rather than zonal wind in maintaining the high-latitude teleconnection through baroclinic energy conversion.

Description: Subtropical dry zones, located in the Hadley cells' subsidence regions, strongly influence regional climate as well as outgoing longwave radiation. Changes in these dry zones could have significant impact on surface climate as well as on the atmospheric energy budget. This study investigates the behavior of upper-tropospheric dry zones in a changing climate, using the variable upper-tropospheric humidity (UTH), calculated from climate model experiment output as well as from radiances measured with satellite-based sensors. The global UTH distribution shows that dry zones form a belt in the subtropical winter hemisphere. In the summer hemisphere they concentrate over the eastern ocean basins, where the descent regions of the subtropical anticyclones are located. Recent studies with model and satellite data have found tendencies of increasing dryness at the poleward edges of the subtropical subsidence zones. However, UTH calculated from climate simulations with 25 models from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) shows these tendencies only for parts of the winter-hemispheric dry belts. In the summer hemisphere, even though differences exist between the simulations, UTH is increasing in most dry zones, particularly in the South and North Pacific Ocean. None of the summer dry zones is expanding in these simulations. Upper-tropospheric dry zones estimated from observational data do not show any robust signs of change since 1979. Apart from a weak drying tendency at the poleward edge of the southern winter-hemispheric dry belt in infrared measurements, nothing indicates that the subtropical dry belts have expanded poleward.

Description: It might be impossible to truly fathom the magnitude of the threat that global-mean sea level rise poses. However, conceptualizing the scale of the solutions required to protect ourselves against global-mean sea level rise, aids in our ability to acknowledge and understand the threat that sea level rise poses. On these grounds, we here discuss a means to protect over 25 million people and important economical regions in northern Europe against sea level rise. We propose the construction of a Northern European Enclosure Dam (NEED) that stretches between France, the United Kingdom and Norway. NEED may seem an overwhelming and unrealistic solution at first. However, our preliminary study suggests that NEED is potentially favorable financially, but also in scale, impacts and challenges compared to that of alternative solutions, such as (managed) migrations and that of country-by-country protection efforts. The mere realization that a solution as considerable as NEED might be a viable and cost-effective protection measure is illustrative of the extraordinary global threat of global-mean sea level rise that we are facing. As such, the concept of constructing NEED showcases the extent of protection efforts that are required if mitigation efforts fail to limit sea level rise.

Description: The comparison of equivalent neutral winds obtained from (a) four WHOI buoys in the subtropics and (b) scatterometer estimates at those locations reveals a root-mean-square (RMS) difference of 0.56-0.76 m/s. To investigate this RMS difference, different buoy wind error sources were examined. These buoys are particularly well suited to examine two important sources of buoy wind errors because: (1) redundant anemometers and a comparison with numerical flow simulations allow us to quantitatively assess flow distortion errors, and (2) one-minute sampling at the buoys allows us to examine the sensitivity of buoy temporal sampling/averaging in the buoy-scatterometer comparisons. The inter-anemometer difference varies as a function of wind direction relative to the buoy wind vane and is consistent with the effects of flow distortion expected based on numerical flow simulations. Comparison between the anemometers and scatterometer winds supports the interpretation that the inter-anemometer disagreement, which can be up to 5% of the wind speed, is due to flow distortion. These insights motivate an empirical correction to the individual anemometer records and subsequent comparison with scatterometer estimates show good agreement.

Description: The North Atlantic (NA) basin-averaged sea surface temperature (NASST) is often used as an index to study climate variability in the NA sector. However, there is still some debate on what drives it. Based on observations and climate models, an analysis of the different influences on the NASST index and its low-pass filtered version, the Atlantic multidecadal oscillation (AMO) index, is provided. In particular, the relationships of the two indices with some of its mechanistic drivers including the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) are investigated. In observations, the NASST index accounts for significant SST variability over the tropical and subpolar NA. The NASST index is shown to lump together SST variability originating from different mechanisms operating on different time scales. The AMO index emphasizes the subpolar SST variability. In the climate models, the SST-anomaly pattern associated with the NASST index is similar. The AMO index, however, only represents pronounced SST variability over the extratropical NA, and this variability is significantly linked to the AMOC. There is a sensitivity of this linkage to the cold NA SST bias observed in many climate models. Models suffering from a large cold bias exhibit a relatively weak linkage between the AMOC and AMO and vice versa. Finally, the basin-averaged SST in its unfiltered form, which has been used to question a strong influence of ocean dynamics on NA SST variability, mixes together multiple types of variability occurring on different time scales and therefore underemphasizes the role of ocean dynamics in the multidecadal variability of NA SSTs.

Description: MILAN was a multidisciplinary, international study examining how the diel variability of sea-surface microlayer biogeochemical properties potentially impacts ocean-atmosphere interaction, in order to improve our understanding of this globally important process. The sea-surface microlayer (SML) at the air-sea interface is 〈 1 mm deep but it is physically, chemically and biologically distinct from the underlying water and the atmosphere above. Wind-driven turbulence and solar radiation are important drivers of SML physical and biogeochemical properties. Given that the SML is involved in all ocean-atmosphere exchanges of mass and energy, its response to solar radiation, especially in relation to how it regulates the air-sea exchange of climate-relevant gases and aerosols, is surprisingly poorly characterised. MILAN (sea-surface MIcroLAyer at Night) was an international, multidisciplinary campaign designed to specifically address this issue. In spring 2017, we deployed diverse sampling platforms (research vessels, radio-controlled catamaran, free-drifting buoy) to study full diel cycles in the coastal North Sea SML and in underlying water, and installed a land-based aerosol sampler. We also carried out concurrent ex situ experiments using several microsensors, a laboratory gas exchange tank, a solar simulator, and a sea spray simulation chamber. In this paper we outline the diversity of approaches employed and some initial results obtained during MILAN. Our observations of diel SML variability, e.g. the influence of changing solar radiation on the quantity and quality of organic material, and diel changes in wind intensity primarily forcing air-sea CO2 exchange, underline the value and the need of multidisciplinary campaigns for integrating SML complexity into the context of air-sea interaction.

Description: Mesoscale eddies can be strengthened by the absorption of submesoscale eddies resulting from mixed-layer baroclinic instabilities. This is shown for mesoscale eddies in the Agulhas Current system by investigating the kinetic energy cascade with a spectral and a coarse-graining approach in two model simulations of the Agulhas region. One simulation resolves mixed-layer baroclinic instabilities and one does not. When mixed-layer baroclinic instabilities are included, the largest submesoscale near-surface fluxes occur in winter-time in regions of strong mesoscale activity for upscale as well as downscale directions. The forward cascade at the smallest resolved scales occurs mainly in frontogenetic regions in the upper 30 m of the water column. In the Agulhas ring path, the forward cascade changes to an inverse cascade at a typical scale of mixed-layer eddies (15 km). At the same scale, the largest sources of the upscale flux occur. After the winter, the maximum of the upscale flux shifts to larger scales. Depending on the region, the kinetic energy reaches the mesoscales in spring or early summer aligned with the maximum of mesoscale kinetic energy. This indicates the importance of submesoscale flows for the mesoscale seasonal cycle. A case study shows that the underlying process is the mesoscale absorption of mixed-layer eddies. When mixed-layer baroclinic instabilities are not included in the simulation, the open-ocean upscale cascade in the Agulhas ring path is almost absent. This contributes to a 20 %-reduction of surface kinetic energy at mesoscales larger than 100 km when submesoscale dynamics are not resolved by the model.

Description: The structure, transport, and seasonal variability of the West Greenland boundary current system near Cape Farewell are investigated using a high-resolution mooring array deployed from 2014 to 2018. The boundary current system is comprised of three components: the West Greenland Coastal Current, which advects cold and fresh Upper Polar Water (UPW); the West Greenland Current, which transports warm and salty Irminger Water (IW) along the upper slope and UPW at the surface; and the Deep Western Boundary Current, which advects dense overflow waters. Labrador Sea Water (LSW) is prevalent at the seaward side of the array within an offshore recirculation gyre and at the base of the West Greenland Current. The 4-yr mean transport of the full boundary current system is 31.1 ± 7.4 Sv (1 Sv ≡ 106 m3 s-1), with no clear seasonal signal. However, the individual water mass components exhibit seasonal cycles in hydrographic properties and transport. LSW penetrates the boundary current locally, through entrainment/mixing from the adjacent re-circulation gyre, and also enters the current upstream in the Irminger Sea. IW is modified through air–sea interaction during winter along the length of its trajectory around the Irminger Sea, which converts some of the water to LSW. This, together with the seasonal increase in LSW entering the current, results in an anticorrelation in transport between these two water masses. The seasonality in UPW transport can be explained by remote wind forcing and subsequent adjustment via coastal trapped waves. Our results provide the first quantitatively robust observational description of the boundary current in the eastern Labrador Sea.

Description: As part of the Earth4All project, collaborators have submitted this paper to delve further into the steps to be taken to widely transform our conventional agricultural system to provide food security and improve ecological resilience in a rapidly changing global climate. This article analyses the potential positive effects on soil ecology and crop yield of a global-scale transition to regenerative agriculture, while also considering social spreading dynamics that determine the adoption of such practices by farmers. The authors argue that the transition to a global regenerative agricultural system cannot be achieved without considering the deeper societal processes driving the effective dissemination and adoption of the change. Furthermore, the surrounding factors and conditions such as farmers’ political and institutional embeddedness, public opinion, the economic situation and the climate conditions they face within their region or community, as potential barriers hindering the transition, have to be taken into account. Therefore, it is not only the farmers’ responsibility to drive the change but also the politicians, institutions, companies and individual actors’ one which, all together, will support such transition processes.

Description: Um die ambitionierten Klimaschutzziele zu erreichen, braucht Deutschland effektive Instrumente und Maßnahmen auf nationaler, bundesstaatlicher und kommunaler Ebene. Der Erfolg dieser Politik wird maßgeblich davon abhängen, ob es gelingt, eine breite gesellschaftliche Akzeptanz und Unterstützung für diese Maßnahmen auf den entsprechenden Ebenen zu erreichen. Die Haltung der Bevölkerung wird jedoch in der Regel auf nationaler Ebene über Umfragen gemessen, die geographische Unterschiede dabei auf den subnationalen Ebenen außer Acht lassen. Im Rahmen dieser Analyse schätzen wir die durchschnittliche Bevölkerungszustimmung zu 26 Klimaschutzmaßnahmen in den Sektoren Wärme, Transport und Energie auf Bundesland-, Landkreis- und kommunaler Ebene zwischen 2017 und 2021 mittels eines mehrstufigen Regressions- und Poststratifizierungsmodells. Die Schätzungen basieren auf zwei bundesweit repräsentativen Panel-Umfragen, dem Sozialen Nachhaltigkeitsbarometer und dem Ariadne Wärme-& Wohnen-Panel. Durch die Analyse werden erhebliche regionale Unterschiede in der Zustimmung von Klimaschutzmaßnahmen in der deutschen Bevölkerung sichtbar. Die Befürwortung einzelner Klimaschutzmaßnahmen variiert teilweise um bis zu 60 Prozentpunkte zwischen den untersuchten geographischen Einheiten. In der Gesamtbetrachtung der räumlichen Disparitäten zeichnen sich bedeutsame Unterschiede zwischen Stadt- und Landbevölkerung sowie West- und Ostdeutschland ab. Im zeitlichen Verlauf haben sich dabei die Einstellungen gegenüber einzelnen Maßnahmen, wie beispielsweise dem Ausbau von Wind- und Solarkraftanlagen, angenähert, während die öffentliche Meinung zu anderen energiepolitischen Instrumenten, wie dem Kohleausstieg, im Laufe der Jahre polarisieren. Mittels einer zusätzlich durchgeführten räumlichen Panelanalyse können wir zudem zeigen, dass sich die Veränderungen von bestimmten Kontextfaktoren auf die Zustimmung von Klimaschutzmaßnahmen auf kommunaler Ebene auswirken. So finden wir einen positiven Zusammenhang zwischen der Befürwortung des Ausbaus von Wind- und Solarkraftanlagen und dem tatsächlichen Zubau an Solar- und Windkapazitäten in diesen Regionen. Ferner wird die Haltung gegenüber klimapolitischen Maßnahmen stark von räumlichen Diffusionseffekten, d.h. der Ausbreitung von Einstellungen im sozialen Umfeld, bestimmt, wie der Einfluss von Meinungsänderungen in einer Region auf deren Nachbarregionen veranschaulicht. Die in diesem Bericht und auf dem interaktiven Online-Dashboard zur Verfügung gestellten Schätzungen der Zustimmung zu Klimaschutzmaßnahmen, stellen eine wichtige Informationsgrundlage für politische Entscheidungsträger:innen dar, um den gesellschaftlichen Herausforderungen bei der Umsetzung von Klimaschutzmaßnahmen effektiv zu begegnen. Alle generierten Daten sind im Online-Dashboard „Lokale Klimaschutzeinstellungen in Deutschland“ unter https://hertie-school-ariadne.shinyapps.io/LocalAttitudesDashboard/ einsehbar.

Description: Die Kommission hat ihr “Fit For 55” Paket vorgelegt, welches das 55%-Reduktionsziel für 2030 wie folgt auf die Sektoren aufteilt: Die Sektoren im bestehenden EU-Emissionshandelssystem (ETS), also hauptsächlich Strom und Industrie, sollen ihre Emissionen um 61% gegenüber 2005 mindern. Alle anderen Sektoren fallen unter die Effort Sharing Regulation (ESR) und sollen ihre Emissionen um 40% gegenüber 2005 mindern. In diesem Papier analysieren wir die notwendigen CO2-Preise zur Zielerreichung unter der Annahme, dass eine Bepreisung von CO2 das einzige Instrument der Emissionsminderung ist. Werden weitere Politikinstrumente eingesetzt, zum Beispiel Technologiestandards, dann können zwar die CO2-Preise abgesenkt und die Verteilung der Vermeidungskosten auf Haushalte und Unternehmen verändert werden; jedoch kann das Niveau der gesamtwirtschaftlichen Vermeidungskosten nur dann vermindert werden, wenn die zusätzlichen Politikinstrumente bestehende Marktversagen verringern und dabei nicht mehr neue Ineffizienzen schaffen. Die notwendigen CO2-Preise im Jahre 2030 erreichen dabei 275 EUR/t in den ESR-Sektoren (Bandbreite: 210-405 EUR/t). Diese Preise sind mehr als doppelt so hoch wie die für das ETS-Ziel notwendigen CO2-Preise (130 EUR/t, Bandbreite 95-210 EUR/t). Allerdings wird die Höhe der notwendigen CO2-Preise maßgeblich davon beeinflusst, a) wie die Emissionsminderungen zwischen ETS und ESR aufgeteilt werden, b) wie schnell der Markthochlauf emissionsfreier Technologien – insbesondere der Elektromobilität – realisiert wird und wie schnell Wind- und Solarstrom ausgebaut, sowie die notwendigen Flexibilitäten im Stromsystem durch Netzausbau, Speicher und Lastmanagement bereitgestellt werden können. Für den Fall, dass der ETS 50% der zusätzlichen Minderungen des ESR übernimmt, gleichen sich beide Preise stark an: 190 EUR/t im ETS und 195 EUR/t in der ESR. Für die Politikinstrumente ergeben sich zwei Schlussfolgerungen: Ein höherer Vermeidungsbeitrag der ETS-Sektoren könnte die CO2-Preise angleichen, und somit das 2030-Ziel kostengünstiger erreichen. Allerdings könnte eine solche Aufteilung auch zu sehr hohen ESR-CO2-Preisen zu einem späteren Zeitpunkt führen, falls kurzfristig niedrigere CO2-Preise in den ESR-Sektoren den Markthochlauf emissionsfreier Technologien ausbremsen. Dies wird aber nur dann der Fall sein, wenn der langfristige Pfad der CO2-Preise von den Investoren als nicht glaubwürdig wahrgenommen wird. Die Kostenersparnisse hängen sowohl von den Erwartungen der Investoren als auch davon ab, welche zusätzlichen Maßnahmen noch auf europäischer und nationaler Ebene implementiert werden, die die Glaubwürdigkeit der langfristigen Zielerreichung stärken. Die große Bandbreite der notwendigen CO2-Preise je nach Annahmen zum Markthochlauf zeigt die Bedeutung von komplementärem Infrastrukturausbau und Technologiepolitik. So könnten beispielsweise der Ausbau der Ladeinfrastruktur und Investitionsanreize den Markthochlauf emissionsfreier Technologien fördern. Solche Maßnahmen – wie sie auch im Fit-for-55 Paket der EU Kommision vorgesehen sind – können bestehende Marktversagen korrigieren und so den notwendigen CO2-Preis senken sowie die Sicherheit der Klimazielerreichung erhöhen. Allerdings gehen diese Maßnahmen oftmals mit versteckten Kosten einher, und ein sozialer Ausgleich ist zudem schwerer möglich, da keine Einnahmen aus der CO2-Bepreisung zur Verfügung stehen.

Description: Dieses Kurzdossier analysiert die Auswirkungen der Energiekrise auf die Transformation des deutschen Energiesystems zur Klimaneutralität 2045 sowie Strategien zur Beseitigung der Abhängigkeit Deutschlands von russischen Erdgasimporten.

Description: Wie schon 2021 hat der Gebäudesektor auch im vergangenen Jahr die erlaubten Emissionen gemäß Bundes-Klimaschutzgesetz überschritten. Die Fernwärme kann einen Beitrag leisten, um die Trendwende hin zur angestrebten Klimaneutralität zu schaffen. Klar ist aber auch, dass die Wärmenetze der Zukunft deutlich flexibler und effizienter werden müssen, etwa um aus erneuerbaren Quellen oder Abwärme von Rechenzentren gewonnene Wärme nutzen zu können. Angesichts der hohen Lebensdauer der Wärmenetze von etwa 50 bis 60 Jahren ist ein Umbau dieser Netze auf die Erfordernisse der Wärmewende besonders kritisch. Allerding müssen für eine erfolgreiche Anpassung verschiedene Ebenen ineinandergreifen: Die kommunale Wärmewende, die Transformation der Netze sowie die Digitalisierung der Verbrauchsmessungen. Ergebnis der Ariadne-Analyse ist, dass für die erforderlichen Umrüstungen der Netze ein massives Finanzierungsproblem besteht. So bleiben Fernwärmenetzbetreiber auf etwa 90% der Investitionskosten sitzen. Durch eine Nahverdichtung der Fernwärmeanschlüsse könnten die Kosten verringert werden. Weiterhin bietet die Nachrüstung der Wärmezähler für die Fernauslesbarkeit bis Ende 2026 die Möglichkeit, Maßnahmen zu kombinieren, etwa den Austausch der Hausstation und den hydraulischen Abgleich. Eine koordinierte Einbeziehung der handelnden Akteure könnte daher zur Trendwende im Wärmesektor beitragen.

Description: Die Dekarbonisierung des Verkehrs- und Stromsystems ist ein weitreichender Transformationsprozess, der erhebliche Veränderungen für die Menschen mit sich bringt. Er kann nur als gesamtgesellschaftliche Aufgabe gelingen, die aus Betroffenen Beteiligte macht und Interessen sowie Vorstellungen von Bürgerinnen und Bürgern berücksichtigt. Wirksame Beteiligung im Forschungs- und Politikprozess sind bei der Verkehrs- und Stromwende deshalb unabdingbar. Unterschiedliche Formate, wie Befragungen und Deliberation erlauben es, die Einstellungen aus einem Querschnitt der Gesellschaft zu Politikoptionen zu untersuchen und Betroffene somit an der Entwicklung dieser partizipieren zu lassen. In dieser Analyse untersuchen wir in zwei parallel durchgeführten Befragungen im Rahmen der Ariadne Bürgerdeliberation und einer repräsentativen Panelbefragung die Haltung der Bürger:innen gegenüber verschiedenen Politikoptionen in den Bereichen Verkehr und Strom. Das Ziel war hierbei durch die vergleichende Betrachtung besser zu verstehen, welche Optionen gesellschaftlich mitgetragen werden (und welche nicht) und aus welchen Gründen. Die Verbindung beider Zugänge bietet eine umfassende Perspektive auf die gesellschaftliche Trägerschaft der Energie- und Verkehrswende. Die Bürgerinnen und Bürger sprachen sich in beiden Bereichen – Strom und Verkehr – für möglichst gerechte und effektive politische Optionen aus. Die Mehrheit der Befragten ist bereit, Veränderungen mitzutragen, wenn gewährleistet wird, dass alle Menschen und vulnerable Gruppen Zugang zu bezahlbarer Mobilität und Energieversorgung haben. Dies spiegelt sich in der Wahrnehmung von Stärken der verschiedenen Optionen und dem Wunsch, das Beste aus den Welten und Pfaden zu kombinieren. Für die Energie- und Verkehrswende insgesamt zeigen die Bürger:innensichten die Wichtigkeit einer Politik auf, die sich sowohl an sozialen als auch ökologischen Auswirkungen orientiert. Der klimafreundliche Umbau des Energiesystems wird von einer breiten gesellschaftlichen Mehrheit in Deutschland getragen und die Menschen sind bereit, sich bei der Umsetzung aktiv zu engagieren. Bei der Frage der Art der Gestaltung wird von den 2 Bürger:innen mehrheitlich eine dezentrale Energieversorgungsstruktur bevorzugt. Damit sind jedoch sowohl Hoffnungen als auch Sorgen verbunden. In der Verkehrswende ist den Menschen eine faire Teilhabe an Mobilität wichtig, dass also die verschiedenen Mobilitätsbedürfnisse diverser gesellschaftlicher Gruppen berücksichtigt werden. Neben der sozialen Gerechtigkeit spielt in der Verkehrswende auch die Klimawirkung – also die Effektivität von Maßnahmen – eine zentrale Rolle für die gesellschaftliche Trägerschaft. Trotz verbleibendem Diskussionsbedarf der beteiligten Bürger:innen zu konkreten Umsetzungsfragen zeigen die Ergebnisse die Bereitschaft sich mit den Auswirkungen politischer Optionen auseinanderzusetzen und dadurch Wandel nicht primär als Bedrohung und Sorge, sondern als Chance auf ein inklusiveres und attraktiveres Zusammenleben zu sehen. Eine Voraussetzung für einen wissenschaftlich informierten Lernprozess ist, das Wissen zu Politikoptionen und deren Auswirkungen für die breite Gesellschaft zugänglich und erfahrbar zu machen. Sowohl wissenschaftlich fundierte Informationsangebote als auch verständigungsorientierte Diskussionen sind effektive Formate, um dies zu ermöglichen. Letztlich lebt auch dieser Lernprozess von der Bereitschaft eigene Annahmen zu hinterfragen und sich für neue bzw. andere Argumente zu öffnen, die einem bisher als wenig relevant oder kaum nachvollziehbar erschienen. Zudem unterstreicht diese Analyse, dass in wissenschaftlich gut informierten Prozessen Bürger:innensichten eine wertvolle Ressource und Chance für eine besser gesellschaftlich abgestimmte und damit tragfähigere Klimapolitik darstellen. Aus Bürger:innensicht sollten diverse Wertvorstellungen, Bedürfnisse und Interessen bei der Umsetzung der Transformationen Eingang finden. Deswegen braucht es nach Meinung der Autorinnen und Autoren dieser Analyse einen Weg, wie die Politik über diese informiert wird – eine vielversprechende Möglichkeit hierfür ist die Befähigung von Bürger:innen zur politischen Mitbestimmung durch ein möglichst heterogenes Spektrum an Beteiligungsformen. Aus dieser Sicht stellt der Einbezug von Bürger:innensichten eine Chance für eine tragfähigere, an den Bedürfnissen der Bürger:innen orientierte

Description: Eine kohärente Klimaaußenpolitik (KAP) Deutschlands ist essentiell für das Gelingen sowohl der nationalen und europäischen Energiewende als auch für die effektive Unterstützung ambitionierter Klimapolitik außerhalb der Europäischen Union. Ziel dieses Ariadne- Hintergrundpapiers ist es, einen Diskussionsbeitrag zur Strukturierung der Debatte um die Eckpunkte und Optionen zur Ausarbeitung und Weiterentwicklung der deutschen KAP-Strategie zu leisten. Dazu werden vier Kategorien relevanter Ziele unterschieden. Diese reichen von klassischen klimapolitischen Zielen über industriepolitische sowie sicherheits- und handelspolitische Ziele hin zu breiteren außenpolitischen Zielen. Für jedes Ziel müssen entsprechende Mittel identifiziert werden, mit denen es erreicht werden kann, und Barrieren, die ihm im Weg stehen und entsprechend bedacht werden müssen. Für die Charakterisierung und Analyse verschiedener Mittel werden fünf Kategorien vorgeschlagen. Eine zentrale, aber in der Bewertung konzeptionell und empirisch herausfordernde Kategorie ist dabei das Transformationspotenzial einer Maßnahme. Im Fall von Zielkonflikten und begrenzten Ressourcen müssen Ziele priorisiert werden. Wir skizzieren dafür einen analytischen Rahmen und diskutieren illustrativ mögliche Optionen zur strategischen Gesamtausrichtung. Diese umfassen zum einen KAP-Gesamtstrategien von Staaten gegenüber allen anderen Ländern, und zum anderen Strategien für spezifische Staaten (z.B. die deutsche Strategie für den Umgang mit Indien oder Südafrika). Dabei können Strategien in einem Kontinuum von maximaler Priorisierung von Klimazielen (Klimapolitik First) bis hin zur nachrangigen Behandlung (Klimapolitik als Mittel zum Zweck) verortet und entsprechend ausgestaltet werden. Neben den Inhalten der Strategie werden Fragen der Organisation und Koordination in der Entwicklung und Implementierung der KAP-Strategie in den Blick genommen und die nächsten Schritte diskutiert. Eine erfolgreiche KAP-Strategie sollte dabei von Beginn an zwischen zentralen Stakeholdern im In- und Ausland in jeweils geeigneten Formaten erarbeitet, implementiert und im Sinne eines Lernprozesses fortlaufend angepasst werden. Eine KAP sollte sich in die breitere Außen- und Sicherheitspolitik Deutschlands einfügen, da relevante Politikfelder auf verschiedenen Ebenen eng miteinander verbunden sind. Bei der Erarbeitung der neuen KAP-Strategie der Bundesregierung sollte dazu insbesondere auf Kohärenz zur deutschen Sicherheits- und der Chinastrategie geachtet werden. 2 Grundlage der Strategieentwicklung ist die Klärung möglicher Ziele und Mittel der deutschen KAP und ihrer Wechselwirkungen miteinander. Eine KAP-Strategie muss durch Analysen zu Umsetzbarkeit und Kosten, politischen Wi-derständen und Zielkonflikten informiert sein und die normativen Vorgaben der deut-schen Außenpolitik berücksichtigen.

Description: Die Energiemärkte sind seit Beginn des Angriffskriegs auf die Ukraine sehr angespannt. Gleichzeitig besteht mit Blick auf die notwendige Erreichung von Klimaneutralität bereits ein großer Transformationsbedarf mit potenziell großen ökonomischen Wirkungen. Um abzuschätzen, welche zusätzlichen ökonomischen Folgen der mittel- bis langfristige Wegfall Russlands als Lieferant fossiler Energieträger bei gleichzeitigem Festhalten an den Klimazielen hat, wird das Szenario Energiesouveränität mit dem Szenario Technologiemix verglichen.

Description: In Kapitel 5 unseres englischsprachigen Reports (Zwar et al. 2023) gehen wir vor dem Hintergrund unserer vergleichenden empirischen Analyse von Klimainstitutionen gezielt auf die anstehende Klimaschutznovelle in Deutschland ein (die Reform des Bundes- Klimaschutzgesetzes (KSG)). Dieses Dokument ist die Übersetzung des für die deutsche Debatte besonders relevanten Kapitels.

Description: Countries around the world have set increasingly ambitious targets to reduce greenhouse gas emissions and mitigate climate change. To deliver on these targets, policymakers have (i) implemented new policy instruments, (ii) increased the stringency of existing policy instruments, and (iii) created ‘climate institutions’. A substantial body of literature is devoted to the first two phenomena. Yet we know little about climate institutions, including the different types of institutions countries create and how they affect the development and stringency of climate policy (Dubash 2021; Dubash et al. 2021). This report therefore seeks to answer three research questions. First, what are climate institutions and how can we characterise them across countries? Second, what effects do climate institutions have on climate policymaking? Third, based on these findings, what lessons can we draw about the landscape of German climate institutions and what options exist for institutional reform? To address these questions, we propose a definition of climate institutions and develop a conceptual framework for analysing and comparing their effects on climate policymaking in four countries: Germany, the United Kingdom, Sweden, and Australia. We then draw on this framework and our comparative analysis to identify potentially promising reforms for German climate governance, especially in light of the proposed changes to the German climate law (the Bundes-Klimaschutzgesetz, or KSG).

Description: In diesem Papier untersuchen wir erstmalig die zukünftige direkte Kostenbelastung, die Haushalten durch unterschiedlich ansteigende Preise auf CO2-Emissionen in den Bereichen Wärme und Verkehr bis zum Jahr 2050 in Deutschland entstehen könnte. Wir stellen dazu einen methodischen Ansatz vor, in dem wir ein Energiesystemmodell mit Haushaltsdaten verknüpfen und mögliche Technologieanpassungen, wie ein Heizungswechsel oder Umstieg auf ein Elektroauto, der Haushalte unter Verwendung von Machine Learning-Methoden berücksichtigen. Um die Verbreitung verschiedener Heizenergieträger und Kraftstofftypen für Fahrzeuge sowie entsprechende Technologiewechsel der Haushalte für die Zukunft vorhersagen zu können, treffen wir einige vereinfachende Annahmen, wie uneingeschränkte Kapitalverfügbarkeit und perfekte Voraussicht der CO2-Preisentwicklung der Haushalte. Unter diesen Annahmen zeigen unsere Analysen, • dass sowohl niedrige als auch hohe CO2-Preispfade zunächst größtenteils regressiv wirken, also einkommensschwache Haushalte anteilig an ihrem Einkommen bemessen stärker belasten als einkommensstarke Haushalte. Durch unsere Vorhersagen ist jedoch eine schnelle Technologieanpassung in den einkommensschwächsten Haushalten zu beobachten, sodass die regressive Wirkung im Zeitverlauf abnimmt. • Während bei hohen CO2-Preisen im Jahr 2050 Haushalte im Mittel kaum noch CO2 emittieren, gibt es unter einem niedrigen CO2-Preispfad im Jahr 2050 noch einige, insbesondere einkommensstarke, Haushalte, die noch nicht emissionsfrei heizen und/oder Auto fahren. • Die vollständige Rückverteilung der Einnahmen aus dem CO2-Preis in Form einer Pro-Kopf-Pauschale kann sowohl unter dem niedrigen als auch unter dem hohen Preispfad bereits kurzfristig die regressive Verteilungswirkung in eine progressive Verteilungswirkung umkehren. Unsere Ergebnisse zeichnen gerade für einkommensschwache Haushalte ein recht optimistisches Bild, was zum Teil durch die einschränkenden Modellannahmen erklärt werden kann. Durch diese Annahmen wird insgesamt deutlich, dass • eine klare Kommunikation der Politik über die zukünftige CO2-Preis-Entwicklung notwendig ist, um Haushalten Sicherheiten für effiziente Investitionsentscheidungen zu bieten. • Darüber hinaus dürften stärkere, gezielte Unterstützungen für einkommensschwache Haushalte zur Überwindung von Liquiditätsbeschränkungen notwendig werden, um eine Transformation hin zu emissionsarmen Technologien sozial gerecht zu ermöglichen.

Description: Der Ausbau der Erneuerbaren Energien (EE) ist eines der Kernelemente auf dem Weg zur Klimaneutralität. Mit dem Osterpaket der derzeitigen Bundesregierung wurde eine Reihe von Gesetzen erlassen, die den Ausbau voranbringen sollen, indem neben deutlich höheren Ausschreibungen für Windenergie und Freiflächen- Photovoltaik (PV) beziehungsweise wirtschaftlichen Anreizen für Dachflächen-PV auch Genehmigungsverfahren beschleunigt und Flächen bereitgestellt werden. Zusätzlich zu offenen Fragen der technisch- ökonomischen Potenziale kommen Fragen der Akzeptanz auf Seiten der Bürgerinnen und Bürger: Was sind sie bereit mitzutragen und welche Änderungen im gesetzlichen Rahmen braucht es, um weitere gesellschaftliche Potenziale zu heben? Auch die Bundesregierung betont die Bedeutung von Akzeptanz und Teilhabe der Menschen beim Ausbau der Erneuerbaren Energien und greift Ansätze in ihrer Photovoltaik- sowie Wind-an- Land-Strategie auf. Das vorliegende Ariadne-Kurzdossier verbindet verschiedene Perspektiven, die für den Ausbau der Erneuerbaren Energien eine erhebliche Rolle spielen: Flächenpotenziale und Gestaltungsmöglichkeiten der räumlichen Steuerung des Zubaus und Rückwirkungen auf das Übertragungsnetz sowie Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz. Es soll bewertet werden, inwieweit die bundesweiten Ausbauziele des Erneuerbaren-Energie-Gesetzes (EEG) 2023 so umsetzbar sind, dass sie aus Bürgersicht tragfähig sind. Bürgersicht bezieht sich hierbei sowohl auf die Ergebnisse des Deliberationsprozesses mit Bürgerinnen und Bürgern im Rahmen des Projekts Ariadne (Treichel et al., 2022) als auch auf die Resultate von bundesweiten Befragungsstudien des Sozialen Nachhaltigkeitsbarometers der Energie- und Verkehrswende (SNB, Wolf et al., 2022; Wolf et al., 2021). Dabei gehen wir technologiespezifisch in der Bewertung vor und stellen dar, wie diese Bundesziele regional umgesetzt werden können, und was Bürger:innen in Deutschland über die Maßnahmen zur Erreichung der Ausbauziele denken. Dazu werden die Erkenntnisse aus den Dialogformaten mit Bürger:innen beschrieben sowie die sozio-politische und lokale Akzeptanz von Erneuerbare-Energien- Technologien auf Basis des Sozialen Nachhaltigkeitsbarometers (SNB) untersucht. Anschließend werden die einzelnen Technologien, ihre Potenziale in der Fläche sowie rechtliche Fragen in den Blick genommen. Abschließend wird ein Ariadne-Bürger-Szenario vorgestellt, welches sowohl die neuen EE-Ausbauziele, die Flächenpotenziale der Bundesländer als auch Akzeptanzfragen der Ariadne- Bürgerdeliberation mit aufnimmt.

Description: Global warming can still be limited to 1.5°C by 2100 with low overshoot while ensuring that the poor are not hit hardest by climate policies and climate impacts. This is achieved by immediately introducing broad carbon pricing together with re-distributive policies using carbon pricing revenues and further measures to reduce energy consumption, accelerate technological transitions, and transform the land sector. The results from multiple integrated assessment models show that a combination of producer and consumer-oriented measures can work together to rapidly reduce emissions. They also show that re-distributive policies buffer the impact on poor households while allowing them to reap the benefit of avoided climate impacts in the longer term. This demonstrates that a global net zero transition done right not only safeguards the climate but also protects against worsening global inequality. The comprehensive results on 1.5°C pathways in line with the Paris Agreement are synthesised in this report of the European research project NAVIGATE. The new report published at COP28 provides a blueprint for achieving a rapid, fair and efficient transformation to net zero emissions.

Description: Workshop: goal and set-up This document presents the main takeaways and insights from a workshop organised by the Ariadne Project in Brussels on 6 December 2023. Following up on the workshop we conducted last year on the evolution of EU-ETS prices through 2030 and beyond, in this year’s event we wanted to take a closer look at the functioning of the Market Stability Reserve (MSR) - also with a view on its upcoming review in 2026. The focus of the modelbased discussion was the years until 2030, but we also considered effects post 2030 in the discussion if they impacted MSR behaviour in this decade. The workshop convened experts from six organisations that operate carbon market models – academic institutions as well as carbon market analysts

Description: Im Sommer 2021 wurde zur Etablierung des Wärme- & Wohnen-Panels des Kopernikus-Projekts Ariadne die erste von drei jährlichen Erhebungen unter ca. 15.000 Haushalten durchgeführt. Die wiederholte systematische Befragung derselben Haushalte gestattet eine fundierte Evaluierung der Effektivität klimapolitischer Maßnahmen im Wärmesektor, da dabei erstmals Informationen zum Gebäudebestand und dem Endenergiebedarf mit detaillierten Angaben zu den sozioökonomischen Charakteristika der Haushalte verknüpft werden. Darüber hinaus werden die Präferenzen der Haushalte hinsichtlich verschiedener Klimaschutzinstrumente im Gebäudesektor ermittelt, wie zum Beispiel das Einbauverbot von Ölheizungen oder die Förderung von energieeffizienten Heizungsanlagen. Mit dem Wärme- & Wohnen-Panel wird eine einzigartige Datengrundlage geschaffen, die für die Evaluierung dieser Klimaschutzinstrumente unverzichtbar ist. Neben einer umfassenden Abfrage der Gebäudecharakteristika und Heiztechnik, auf Grundlage derer der Energiebedarf der Haushalte berechnet werden kann, lag der Schwerpunkt der ersten Erhebungswelle auf den energetischen Modernisierungstätigkeiten privater Haushalte sowie auf der Bewertung und Akzeptanz von Klimaschutzinstrumenten im Gebäudesektor. Des Weiteren wurde die Akzeptanz verschiedener Aufteilungsvarianten der Kostenbelastung der CO2- Bepreisung auf Mietende und Vermietende untersucht. Zu den bedeutendsten Ergebnissen gehört die geringe Informiertheit der an der Befragung Teilnehmenden über die CO 2-Bepreisung, ein Klimaschutzinstrument, dessen Effektivität wesentlich davon abhängt, wie gut die Bürgerinnen und Bürger darüber informiert sind. Mit einem Anteil von 46,7% gibt jedoch ein großer Teil aller Befragten an, sich eher nicht informiert zu fühlen, 13% fühlen sich gar überhaupt nicht informiert. Sehr gut informiert fühlt sich nur ein sehr geringer Teil von 3,4% der Befragten. Eine Aufteilung der Kostenbelastung der CO2- Bepreisung gemäß Bausubstanz, bei der der Kostenanteil, den Vermietende tragen, umso niedriger ist, je höher die Energieeffizienz eines Gebäudes ist, genießt jeweils die höchste Zustimmung unter den befragten Mietenden und Vermietenden. Einer hälftigen Kostenaufteilung zwischen Mietenden und Vermietenden wird von diesen beiden Gruppen zu jeweils rund 40% zugestimmt, während die vollständige Kostenübernahme durch Mietende oder Vermietende durch die jeweils Kostentragenden abgelehnt wird.

Description: Der Ausbau Erneuerbarer Energien bedarf eines breiten Engagements lokaler Ak­teure. Kommunen mangelt es jedoch häufig an ausreichenden Ressourcen und die Rolle von Beratungs­stellen und Vermittlern wird daher immer wichtiger.

Description: Eine Teilung des deutschen Marktgebietes würde die Marktwerte erneuerbarer Energien beeinflussen. Wind und Photovoltaik (PV) im Süden Deutschlands würden an Wert gewinnen, während Erneuerbare im Norden Erlöse einbüßen würden. Bei einer auch zukünftig stärkeren Konzentration von erneuerbaren Energien im Norden bedeutet dies insgesamt einen höheren Förderbedarf für PV – Wind wäre trotz niedriger Marktwerte in den meisten Regionen wirtschaftlich. Wenn eine regionale Steuerung erreicht werden soll, müsste die auszuzahlende Förderung für neue PV-Anlagen anhand des zonenübergreifenden Referenzmarktwertes berechnet werden. Durchschnittliche Börsenstrompreise würden durch eine Gebotszonenteilung im Süden Deutschlands leicht angehoben und im Norden gesenkt, die Effekte auf Endkundenpreise und damit verbundene Anreize zur Standortwahl von Industrieunternehmen sind allerdings als gering einzuschätzen.

Description: Marine heatwaves along the coast ofWestern Australia, referred to as Ningaloo Niño, have had dramatic impacts on the ecosystem in the recent decade. A number of local and remote forcing mechanisms have been put forward, however little is known about the depth structure of such temperature extremes. Utilizing an eddy-active global Ocean General Circulation Model, Ningaloo Niño and the corresponding cold Ningaloo Niña events are investigated between 1958-2016, with focus on their depth structure. The relative roles of buoyancy and wind forcing are inferred from sensitivity experiments. Composites reveal a strong symmetry between cold and warm events in their vertical structure and associated large-scale spatial patterns. Temperature anomalies are largest at the surface, where buoyancy forcing is dominant and extend down to 300m depth (or deeper), with wind forcing being the main driver. Large-scale subsurface anomalies arise from a vertical modulation of the thermocline, extending from the western Pacific into the tropical eastern Indian Ocean. The strongest Ningaloo Niños in 2000 and 2011 are unprecedented compound events, where long-lasting high temperatures are accompanied by extreme freshening, which emerges in association with La Niñas, more common and persistent during the negative phase of the Interdecadal Pacific Oscillation. It is shown that Ningaloo Niños during La Nina phases have a distinctively deeper reach and are associated with a strengthening of the Leeuwin Current, while events during El Niño are limited to the surface layer temperatures, likely driven by local atmosphere-ocean feedbacks, without a clear imprint on salinity and velocity.

Description: The Antarctic Slope Front (ASF) is a fundamental feature of the subpolar Southern Ocean that is still poorly observed. In this study we build a statistical climatology of the temperature and salinity fields of the upper 380 m of the Antarctic margin. We use a comprehensive compilation of observational datasets including the profiles gathered by instrumented marine mammals. The mapping method consists first of a decomposition in vertical modes of the combined temperature and salinity profiles. Then the resulting principal components are optimally interpolated on a regular grid and the monthly climatological profiles are reconstructed, providing a physically plausible representation of the ocean. The ASF is located with a contour method and a gradient method applied on the temperature field, two complementary approaches that provide a complete view of the ASF structure. The front extends from the Amundsen Sea to the eastern Weddell Sea and closely tracks the continental shelf break. It is associated with a sharp temperature gradient that is stronger in winter and weaker in summer. The emergence of the front in the Amundsen and Bellingshausen sectors appears to be seasonally variable (slightly more westward in winter than in summer). Investigation of the density gradients across the shelf break indicates a winter slowdown of the baroclinic component of the Antarctic Slope Current at the near surface, in contrast with the seasonal variability of the temperature gradient.

Description: There is a controversy about the nature of multidecadal climate variability in the North Atlantic (NA) region, concerning the roles of ocean circulation and atmosphere–ocean coupling. Here we describe NA multidecadal variability from a version of the Kiel Climate Model, in which both subpolar gyre (SPG)–Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) coupling and atmosphere–ocean coupling are essential. The oceanic barotropic and meridional overturning streamfunctions and the sea level pressure are jointly analyzed to derive the leading mode of Atlantic sector variability. This mode accounting for 23.7% of the total combined variance is oscillatory with an irregular periodicity of 25–50 years and an e-folding time of about a decade. SPG and AMOC mutually influence each other and together provide the delayed negative feedback necessary for maintaining the oscillation. An anomalously strong SPG, for example, drives higher surface salinity and density in the NA’s sinking region. In response, oceanic deep convection and AMOC intensify, which, with a time delay of about a decade, reduces SPG strength by enhancing upper-ocean heat content. The weaker gyre leads to lower surface salinity and density in the sinking region, which reduces deep convection and eventually AMOC strength. There is a positive ocean–atmosphere feedback between the sea surface temperature and low-level atmospheric circulation over the southern Greenland area, with related wind stress changes reinforcing SPG changes, thereby maintaining the (damped) multidecadal oscillation against dissipation. Stochastic surface heat flux forcing associated with the North Atlantic Oscillation drives the eigenmode.

Description: The Agulhas Current (AC) creates a sharp temperature gradient with the surrounding ocean, leading to a large turbulent flux of moisture from ocean to atmosphere. We use two simulations of the Weather Research and Forecasting (WRF) model to show the seasonal impact of the warm core of the AC on southern Africa precipitation. In one simulation the sea surface temperature (SST) of the AC is similar to satellite observations, while the second uses satellite SST observations spatially smoothed to reduce the temperature of the core of the AC by ~1.5°C. We show that decreasing the SST of the AC reduces the precipitation of the wettest seasons (austral summer and autumn) inland. Over the ocean, reducing the SST reduces precipitation, low-level wind convergence, SST and SLP Laplacian above the AC in all seasons, consistent with the pressure adjustment mechanism. Moreover, winter precipitation above the Current may be also related to increased latent flux. In summer and autumn, the AC SST reduction is also associated with decreased precipitation further inland (more than 1.5 mm/day), caused by an atmospheric circulation that decreases the horizontal moisture flux from the AC to South Africa. The reduction is also associated with higher geopotential height extending from the surface east and over the AC to the mid-troposphere over southeastern Africa. The westward tilted geopotential height is consistent with the linear response to shallow diabatic heating in midlatitudes. An identical mechanism occurs in spring but is weaker. Winter rainfall response is confined above the AC.

Description: Spatial and temporal variations of nutrient-rich upwelled water across the major eastern boundary upwelling systems are primarily controlled by the surface wind with different, and sometimes contrasting, impacts on coastal upwelling systems driven by alongshore wind and offshore upwelling systems driven by the local wind-stress-curl. Here, concurrently measured wind-fields, satellite-derived Chlorophyll-a concentration along with a state-of-the-art ocean model simulation spanning 2008-2018 are used to investigate the connection between coastal and offshore physical drivers of the Benguela Upwelling System (BUS). Our results indicate that the spatial structure of long-term mean upwelling derived from Ekman theory and the numerical model are fairly consistent across the entire BUS and closely followed by the Chlorophyll-a pattern. The variability of the upwelling from the Ekman theory is proportionally diminished with offshore distance, whereas different and sometimes opposite structures are revealed in the model-derived upwelling. Our result suggests the presence of sub-mesoscale activity (i.e., filaments and eddies) across the entire BUS with a large modulating effect on the wind-stress-curl-driven upwelling off Lüderitz and Walvis Bay. In Kunene and Cape Frio upwelling cells, located in the northern sector of the BUS, the coastal upwelling and open-ocean upwelling frequently alternate each other, whereas they are modulated by the annual cycle and mostly in phase off Walvis Bay. Such a phase relationship appears to be strongly seasonally dependent off Lüderitz and across the southern BUS. Thus, our findings suggest this relationship is far more complex than currently thought and seems to be sensitive to climate changes with short- and far-reaching consequences for this vulnerable marine ecosystem.

Description: This study utilizes observations and a series of idealized experiments to explore whether eastern Pacific (EP)- and central Pacific (CP)-type El Niño–Southern Oscillation (ENSO) events produce surface wind stress responses with distinct spatial structures. We find that the meridionally broader sea surface temperatures (SSTs) during CP events lead to zonal wind stresses that are also meridionally broader than those found during EP-type events, leading to differences in the near-equatorial wind stress curl. These wind spatial structure differences create differences in the associated pre- and post-ENSO event WWV response. For instance, the meridionally narrow winds found during EP events have (i) weaker wind stresses along 58N and 58S, leading to weaker Ekman-induced pre-event WWV changes; and (ii) stronger near-equatorial wind stress curls that lead to a much larger post-ENSO event WWV changes than during CP events. The latter suggests that, in the framework of the recharge oscillator model, the EP events have stronger coupling between sea surface temperatures (SST) and thermocline (WWV), supporting more clearly the phase transition of ENSO events, and therefore, the oscillating nature of ENSO than CP events. The results suggest that the spatial structure of the SST pattern and the related differences in the wind stress curl, are required along with equatorial wind stress to accurately model the WWV changes during EP- and CP-type ENSO events.

Description: Equatorial deep jets (EDJ) are zonal currents along the equator in all three ocean basins that alternate in direction with depth and time. In the Atlantic below the thermocline, they are the dominant variability on interannual timescales. Observations of equatorial deep jets are available but scarce, given the EDJs’ location at depth, their small vertical scale and their long periodicity of several years. In the last few years, Argo floats have added a significant amount of measurements at intermediate depth. In this study we therefore revise estimates of the EDJ scales based on Argo float data. Mostly, we use velocity data at 1000 m depth calculated from float displacement, which yield robust estimates of the Atlantic EDJ period (4.6 years), amplitude distribution, phase distribution, zonal wavelength (146.7°), and meridional structure. We also show that the equatorial amplitude of the EDJs’ first meridional mode Rossby wave component (9.8 cm s −1 ) is larger than that of their Kelvin wave component (2.8 cm s −1 ). Additionally, we present a new estimation of the EDJs’ vertical structure throughout the Atlantic basin, based on an equatorial geostrophic velocity reconstruction from hydrographic Argo float measurements from depths between 400 and 2000 m. Our new estimates from Argo float data provide the first basin-wide assessment of the Atlantic EDJ scales, as well as having smaller uncertainties than estimates from earlier studies.

Description: Changes in the background climate are known to affect El Niño–Southern Oscillation (ENSO) by altering feedbacks that control ENSO’s characteristics. Here, the sensitivity of ENSO variability to the background climate is investigated by utilizing two Community Earth System Model, version 1 (CESM1), simulations in which the solar constant is altered by ±25 W m−2. The resulting stable warm and cold climate mean state simulations differ in terms of ENSO amplitude, frequency, diversity, asymmetry, and seasonality. In the warm run, ENSO reveals a larger amplitude and occurs at higher frequencies relative to the cold and control runs as well as observations. The warm run also features more eastern Pacific El Niños, an increased asymmetry, and a stronger seasonal phase locking. These changes are linked to changes in the mean state via the amplifying and damping feedbacks. In the warm run, a shallower mean thermocline results in a stronger subsurface–surface coupling, whereas the cold run reveals reduced ENSO variability due to a reduced Bjerknes feedback in accordance with a deeper mean thermocline and enhanced surface wind stress. A strong zonal advective and upwelling feedback further contribute to the large ENSO amplitude in the run with a warmer mean state. In the cold run, ENSO events are partly forced by anomalous shortwave radiation. However, in light of the large temperature contrast between the simulations of up to 6 K in the tropical Pacific, the relatively small changes in ENSO variability highlight the robustness of ENSO dynamics under vastly different climate mean states.

Description: Enhanced Southern Ocean ventilation in recent decades has been suggested to be a relevant modulator of the observed changes in ocean heat and carbon uptake. This study focuses on the Southern Ocean midlatitude ventilation changes from the 1960s to the 2010s. A global 1/4° configuration of the NEMO–Louvain-la-Neuve sea ice model, version 2 (LIM2), including the inert tracer CFC-12 (a proxy of ocean ventilation) is forced with the CORE, phase II (CORE-II), and JRA-55 driving ocean (JRA55-do) atmospheric reanalyses. Sensitivity experiments, where the variability of wind stress and/or the buoyancy forcing is suppressed on interannual time scales, are used to unravel the mechanisms driving ventilation changes. Ventilation changes are estimated by comparing CFC-12 interior inventories among the different experiments. All simulations suggest a multidecadal fluctuation of Southern Ocean ventilation, with a decrease until the 1980s–90s and a subsequent increase. This evolution is related to the atmospheric forcing and is caused by the (often counteracting) effects of wind stress and buoyancy forcing. Until the 1980s, increased buoyancy gains caused the ventilation decrease, whereas the subsequent ventilation increase was driven by strengthened wind stress causing deeper mixed layers and a stronger meridional overturning circulation. Wind stress emerges as the main driver of ventilation changes, even though buoyancy forcing modulates its trend and decadal variability. The three Southern Ocean basins take up CFC-12 in distinct density intervals but overall respond similarly to the atmospheric forcing. This study suggests that Southern Ocean ventilation is expected to increase as long as the effect of increasing Southern Hemisphere wind stress overwhelms that of increased stratification.

Description: Two decades of high-resolution satellite observations and climate modeling studies have indicated strong ocean–atmosphere coupled feedback mediated by ocean mesoscale processes, including semipermanent and meandrous SST fronts, mesoscale eddies, and filaments. The air–sea exchanges in latent heat, sensible heat, momentum, and carbon dioxide associated with this so-called mesoscale air–sea interaction are robust near the major western boundary currents, Southern Ocean fronts, and equatorial and coastal upwelling zones, but they are also ubiquitous over the global oceans wherever ocean mesoscale processes are active. Current theories, informed by rapidly advancing observational and modeling capabilities, have established the importance of mesoscale and frontal-scale air–sea interaction processes for understanding large-scale ocean circulation, biogeochemistry, and weather and climate variability. However, numerous challenges remain to accurately diagnose, observe, and simulate mesoscale air–sea interaction to quantify its impacts on large-scale processes. This article provides a comprehensive review of key aspects pertinent to mesoscale air–sea interaction, synthesizes current understanding with remaining gaps and uncertainties, and provides recommendations on theoretical, observational, and modeling strategies for future air–sea interaction research.

Description: Several years of moored turbulence measurements from xpods at three sites in the equatorial cold tongues of Atlantic and Pacific Oceans yield new insights into proxy estimates of turbulence that specifically target the cold tongues. They also reveal previously unknown wind dependencies of diurnally varying turbulence in the near-critical stratified shear layers beneath the mixed layer and above the core of the Equatorial Undercurrent that we have come to understand as deep cycle (DC) turbulence. Isolated by the mixed layer above, the DC layer is only indirectly linked to surface forcing. Yet, it varies diurnally in concert with daily changes in heating/cooling. Diurnal composites computed from 10-min averaged data at fixed xpod depths show that transitions from daytime to nighttime mixing regimes are increasingly delayed with weakening wind stress t. These transitions are also delayed with respect to depth such that they follow a descent rate of roughly 6 m h-1, independent of t. We hypothesize that this wind-dependent delay is a direct result of wind-dependent diurnal warm layer deepening, which acts as the trigger to DC layer instability by bringing shear from the surface down-ward but at rates much slower than 6 m h-1. This delay in initiation of DC layer instability contributes to a reduction in daily averaged values of turbulence dissipation. Both the absence of descending turbulence in the sheared DC layer prior to arrival of the diurnal warm layer shear and the magnitude of the subsequent descent rate after arrival are roughly predicted by laboratory experiments on entrainment in stratified shear flows.

Description: The cold-water coral Lophelia pertusa builds up bioherms that sustain high biodiversity in the deep ocean worldwide. Photographic monitoring of the polyp activity represents a helpful tool to characterize the health status of the corals and to assess anthropogenic impacts on the microhabitat. Discriminating active polyps from skeletons of white Lophelia pertusa is usually time-consuming and error-prone due to their similarity in color in common RGB camera footage. Acquisition of finer resolved spectral information might increase the contrast between the segments of polyps and skeletons, and therefore could support automated classification and accurate activity estimation of polyps. For recording the needed footage, underwater multispectral imaging systems can be used, but they are often expensive and bulky. Here we present results of a new, light-weight, compact and low-cost deep-sea tunable LED-based underwater multispectral imaging system (TuLUMIS) with eight spectral channels. A brunch of healthy white Lophelia pertusa was observed under controlled conditions in a laboratory tank. Spectral reflectance signatures were extracted from pixels of polyps and skeletons of the observed coral. Results showed that the polyps can be better distinguished from the skeleton by analysis of the eight-dimensional spectral reflectance signatures compared to three-channel RGB data. During a 72-hour monitoring of the coral with a half-hour temporal resolution in the lab, the polyp activity was estimated based on the results of the multispectral pixel classification using a support vector machine (SVM) approach. The computational estimated polyp activity was consistent with that of the manual annotation, which yielded a correlation coefficient of 0.957.

Description: The El Niño-Southern Oscillation (ENSO) is the dominant mode of interannual climate variability on the planet, with far-reaching global impacts. It is therefore key to evaluate ENSO simulations in state-of-the-art numerical models used to study past, present and future climate. Recently, the Pacific Region Panel of the International Climate and Ocean - Variability, Predictability, and Change (CLIVAR) Project, as a part of the World Climate Research Programme (WCRP), led a community-wide effort to evaluate the simulation of ENSO variability, teleconnections and processes in climate models. The new CLIVAR 2020 ENSO metrics package enables model diagnosis, comparison, and evaluation to (1) highlight aspects that need improvement; (2) monitor progress across model generations; (3) help in selecting models that are well suited for particular analyses; (4) reveal links between various model biases, illuminating the impacts of those biases on ENSO and its sensitivity to climate change; and to (5) advance ENSO literacy. By interfacing with existing model evaluation tools, the ENSO metrics package enables rapid analysis of multi-petabyte databases of simulations, such as those generated by the Coupled Model Intercomparison Project phases 5 (CMIP5) and 6 (CMIP6). The CMIP6 models are found to significantly outperform those from CMIP5 for 8 out of 24 ENSO-relevant metrics, with most CMIP6 models showing improved tropical Pacific seasonality and ENSO teleconnections. Only one ENSO metric is significantly degraded in CMIP6, namely the coupling between the ocean surface and subsurface temperature anomalies, while the majority of metrics remain unchanged.

Description: The physical processes driving the genesis of surface- and subsurface-intensified cyclonic and anticyclonic eddies originating from the coastal current system of the Mauritanian Upwelling Region are investigated using a high-resolution (~1.5 km) configuration of GFDL’s Modular Ocean Model. Estimating an energy budget for the boundary current reveals a baroclinically unstable state during its intensification phase in boreal summer and which is driving eddy generation within the near-coastal region. The mean poleward coastal flow’s interaction with the sloping topography induces enhanced anticyclonic vorticity, with potential vorticity close to zero generated in the bottom boundary layer. Flow separation at sharp topographic bends intensifies the anticyclonic vorticity, and submesoscale structures of low PV coalesce to form anticyclonic vortices. A combination of offshore Ekman transport and horizontal advection determined the amount of SACW in an anticyclonic eddy. A vortex with a relatively dense and low PV core will form an anticyclonic mode-water eddy, which will subduct along isopycnals while propagating offshore and hence be shielded from surface buoyancy forcing. Less contribution of dense SACW promotes the generation of surface anticyclonic eddies as the core is composed of a lighter water mass, which causes the eddy to stay closer to the surface and hence be exposed to surface buoyancy forcing. Simulated cyclonic eddies are formed between the rotational flow of an offshore anticyclonic vortex and a poleward flowing boundary current, with eddy potential energy being the dominant source of eddy kinetic energy. All three types of eddies play a key role in the exchange between the Mauritanian Coastal currents system and the adjacent eastern boundary shadow zone region.

Description: The Earth system is accumulating energy due to human-induced activities. More than 90% of this energy has been stored in the ocean as heat since 1970, with similar to 60% of that in the upper 700 m. Differences in upper-ocean heat content anomaly (OHCA) estimates, however, exist. Here, we use a dataset protocol for 1970-2008-with six instrumental bias adjustments applied to expendable bathythermograph (XBT) data, and mapped by six research groups-to evaluate the spatiotemporal spread in upper OHCA estimates arising from two choices: 1) those arising from instrumental bias adjustments and 2) those arising from mathematical (i.e., mapping) techniques to interpolate and extrapolate data in space and time. We also examined the effect of a common ocean mask, which reveals that exclusion of shallow seas can reduce global OHCA estimates up to 13%. Spread due to mapping method is largest in the Indian Ocean and in the eddy-rich and frontal regions of all basins. Spread due to XBT bias adjustment is largest in the Pacific Ocean within 30 degrees N-30 degrees S. In both mapping and XBT cases, spread is higher for 1990-2004. Statistically different trends among mapping methods are found not only in the poorly observed Southern Ocean but also in the well-observed northwest Atlantic. Our results cannot determine the best mapping or bias adjustment schemes, but they identify where important sensitivities exist, and thus where further understanding will help to refine OHCA estimates. These results highlight the need for further coordinated OHCA studies to evaluate the performance of existing mapping methods along with comprehensive assessment of uncertainty estimates.

Description: Modular Observation Solutions of Earth Systems (MOSES) is a novel observation system that is specifically designed to unravel the impact of distinct, dynamic events on the long-term development of environmental systems. Hydrometeorological extremes such as the recent European droughts or the floods of 2013 caused severe and lasting environmental damage. Modeling studies suggest that abrupt permafrost thaw events accelerate Arctic greenhouse gas emissions. Short-lived ocean eddies seem to comprise a significant share of the marine carbon uptake or release. Although there is increasing evidence that such dynamic events bear the potential for major environmental impacts, our knowledge on the processes they trigger is still very limited. MOSES aims at capturing such events, from their formation to their end, with high spatial and temporal resolution. As such, the observation system extends and complements existing national and international observation networks, which are mostly designed for long-term monitoring. Several German Helmholtz Association centers have developed this research facility as a mobile and modular “system of systems” to record energy, water, greenhouse gas, and nutrient cycles on the land surface, in coastal regions, in the ocean, in polar regions, and in the atmosphere—but especially the interactions between the Earth compartments. During the implementation period (2017–21), the measuring systems were put into operation and test campaigns were performed to establish event-driven campaign routines. With MOSES’s regular operation starting in 2022, the observation system will then be ready for cross-compartment and cross-discipline research on the environmental impacts of dynamic events.

Description: Numerical weather prediction models operate on grid spacings of a few kilometers, where deep convection begins to become resolvable. Around this scale, the emergence of coherent structures in the planetary boundary layer, often hypothesized to be caused by cold pools, forces the transition from shallow to deep convection. Yet, the kilometer-scale range is typically not resolved by standard surface operational measurement networks. The measurement campaign FESSTVaL aimed at addressing this gap by observing atmospheric variability at the hectometer to kilometer scale, with a particular emphasis on cold pools, wind gusts and coherent patterns in the planetary boundary layer during summer. A unique feature was the distribution of 150 self-developed and low-cost instruments. More specifically, FESSTVaL included dense networks of 80 autonomous cold pool loggers, 19 weather stations and 83 soil sensor systems, all installed in a rural region of 15-km radius in eastern Germany, as well as self-developed weather stations handed out to citizens. Boundary layer and upper air observations were provided by 8 Doppler lidars and 4 microwave radiometers distributed at 3 supersites; water vapor and temperature were also measured by advanced lidar systems and an infrared spectrometer; and rain was observed by a X-band radar. An uncrewed aircraft, multicopters and a small radiometer network carried out additional measurements during a four-week period. In this paper, we present FESSTVaL’s measurement strategy and show first observational results including unprecedented highly-resolved spatio-temporal cold-pool structures, both in the horizontal as well as in the vertical dimension, associated with overpassing convective systems.

Description: This study demonstrates that the generalization that strong anomalous equatorial Pacific westerly (easterly) winds during El Niño (La Niña) events displays strong adjusted warm water volume (WWV) discharges (recharges) is often incorrect. Using ocean model simulations, we categorize the oceanic adjusted responses to strong anomalous equatorial winds into two categories: (i) transitioning (consistent with the above generalization); and (ii) neutral adjusted responses (with negligible WWV re- and discharge) During the 1980-2016 period only 47% of strong anomalous equatorial winds are followed by transitioning adjusted responses, while the remaining are followed by neutral adjusted responses. Moreover, 55% (only 30%) of the strongest winds lead to transitioning adjusted responses during the pre-2000 (post-2000) period in agreement with the previously reported post-2000 decline of WWV lead time to El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events. The prominent neutral adjusted WWV response is shown to be largely excited by anomalous wind stress forcing with a weaker curl (on average consistent with a higher ratio of off-equatorial to equatorial wind events) and weaker Rossby wave projection than the transitioning adjusted response. We also identify a prominent ENSO phase asymmetry where strong anomalous equatorial westerly winds (i.e., El Niño events) are roughly 1.6 times more likely to strongly discharge WWV than strong anomalous equatorial easterly winds (i.e., La Niña events) are to strongly recharge WWV. This ENSO phase asymmetry may be added to the list of mechanisms proposed to explain why El Niño events have a stronger tendency to be followed by La Niña events than vice versa.

Description: The extratropical effect of the quasi-biennial oscillation (QBO), known as the Holton-Tan effect, is manifest as a weaker, warmer winter Arctic polar vortex during the east QBO phase. While previous studies have shown that the extratropical QBO signal is caused by the modified propagation of planetary waves in the stratosphere, the mechanism dominating the onset and seasonal development of the Holton-Tan effects remains unclear. Here, the governing wave-mean flow dynamics of the early winter extratropical QBO signal onset and its reversibility is investigated on a synoptic time scale with a finite-amplitude diagnostic using reanalysis and a chemistry-climate model. The extratropical QBO signal onset in October is found to primarily result from modulated stratospheric life cycles of wave pulses entering the stratosphere from the troposphere, rather than from a modulation of their tropospheric wave source. A comprehensive analysis of the wave activity budget during fall, when the stratospheric winter polar vortex starts forming and waves start propagating up into the stratosphere, shows significant differences. During the east QBO phase, the deceleration of the mid-high-latitude stratospheric zonal-mean jet by the upward-propagating wave pulses is less reversible, due to stronger dissipation processes, while during the west phase, a more reversible deceleration of the main polar vortex is found owing to the waves being dissipated at lower latitudes, accompanied by a weak but different response of the tropospheric subtropical jet. From this synoptic wave-event viewpoint, the early season onset of the Holton-Tan effect results from the cumulative effect of the QBO dependent wave-induced deceleration during the life cycle of individual upward wave pulses.

Description: Since 1750, land use change and fossil fuel combustion has led to a 46 % increase in the atmospheric carbon dioxide (CO2) concentrations, causing global warming with substantial societal consequences. The Paris Agreement aims to limiting global temperature increases to well below 2°C above pre-industrial levels. Increasing levels of CO2 and other greenhouse gases (GHGs), such as methane (CH4) and nitrous oxide (N2O), in the atmosphere are the primary cause of climate change. Approximately half of the carbon emissions to the atmosphere is sequestered by ocean and land sinks, leading to ocean acidification but also slowing the rate of global warming. However, there are significant uncertainties in the future global warming scenarios due to uncertainties in the size, nature and stability of these sinks. Quantifying and monitoring the size and timing of natural sinks and the impact of climate change on ecosystems are important information to guide policy-makers’ decisions and strategies on reductions in emissions. Continuous, long-term observations are required to quantify GHG emissions, sinks, and their impacts on Earth systems. The Integrated Carbon Observation System (ICOS) was designed as the European in situ observation and information system to support science and society in their efforts to mitigate climate change. It provides standardized and open data currently from over 140 measurement stations across 12 European countries. The stations observe GHG concentrations in the atmosphere and carbon and GHG fluxes between the atmosphere, land surface and the oceans. This article describes how ICOS fulfills its mission to harmonize these observations, ensure the related long-term financial commitments, provide easy access to well-documented and reproducible high-quality data and related protocols and tools for scientific studies, and deliver information and GHG-related products to stakeholders in society and policy.

Description: As an important external forcing, the effect of the 11-yr solar cycle on the tropical Pacific decadal variability is an interesting question. Here, we systematically investigate the phase-locking of the atmosphere and ocean covariations to the solar cycle in the tropical Pacific and propose a new mechanism to explain these decadal covariations. In both observation/reanalysis datasets and a solar cycle forced sensitivity experiment (named the SOL experiment), the ocean heat content anomalies (OHCa; 300 m) resemble a La Niña–like pattern in the solar cycle ascending phase, and the Walker circulation shifts westward. In the declining phase, the opposite is true. The accumulative solar irradiation directly contributes to this coherent decadal variability via changing the warm water volume and the solar-related heat is redistributed by the ocean dynamic processes. During the 11-yr solar cycle, the Pacific Walker circulation anomalies maintain the OHCa in the western equatorial Pacific and work as negative feedback for the eastern Pacific to help the OHCa phase transition. In addition, oceanic meridional heat transport via the subtropical cells and the propagation of off-equatorial Rossby waves also provide a lagged negative feedback to the OHCa phase transition according to the 11-yr solar cycle. The decadal coupled responses of the tropical Pacific climate system are 2 years more lag in the SOL experiment than in the observation/reanalysis. Significance Statement Here, we propose a new mechanism that the heating effect of the accumulative solar irradiation during the 11-yr solar cycle can be “integrated” into the tropical Pacific OHC and then provide a bottom-up effect on the atmosphere at decadal time scales. The strongly coupled processes in this region amplify the decadal phase-locking of the covariations to the 11-yr solar cycle. Our study demonstrates the role of the 11-yr solar cycle in the tropical Pacific decadal variability and provides a new explanation for the “bottom-up” mechanism of the solar cycle forcing. Our results update the understanding of the tropical Pacific decadal variability and may help to improve climate predictions at decadal time scales.

Description: Ethiopia is highly vulnerable to climate change, the impacts of which can be felt across different sectors. In particular forests are threatened by rising temperatures, shifting precipitation patterns and extreme weather events. Human activities like deforestation and land-use change further exacerbate climate impacts, increasing the risk of wildfires and reducing the potential of forests for carbon sequestration. However, forests and trees are of major importance for ecosystems and local communities, providing plant and animal habitat, protection against soil erosion, provision of sufficient water resources, wood for fuel and construction, and various non-timber products. In addition, climate change is increasingly impacting water resources through prolonged and more frequent droughts, leading to water scarcity, crop failures and food insecurity for millions of people in Ethiopia. At the same time, erratic and heavy precipitation events lead to increased instances of flooding and soil erosion, further compromising water availability and quality. In a similar way, soils are impacted by climate change, with temperature increases and shifting precipitation patterns leading to soil degradation and reduced soil fertility, making it harder for smallholder farmers to pursue agriculture as a livelihood. Forests and trees are particularly threatened by climate change. At the same time, they are key in both climate change mitigation and adaptation efforts. Against this background, this policy brief discusses the potential of forests and trees in addressing climate change, specifically looking at natural forest regeneration as a mitigation strategy and at agroforestry as an adaptation strategy, highlighting the unique potential of forests and trees to achieve a dual benefit for climate action. Although these strategies are considered in greater detail, it should be noted that there is no single best mitigation or adaptation strategy, but rather different mutually complementing strategies. Mitigation describes efforts to reduce greenhouse gas emissions as well as measures to enhance greenhouse gas sinks. Forest and tree-based mitigation options can be classified as efforts to maintain the remaining forest cover (reduce deforestation and degradation), and measures to increase forest cover (natural regeneration and reforestation) (Nabuurs et al., 2007). We briefly describe each strategy but focus on natural regeneration later on.

Description: In the equatorial Atlantic Ocean, meridional velocity variability exhibits a pronounced peak on intraseasonal timescales whereas zonal velocity dominantly varies on seasonal to interannual timescales. We focus on the intraseasonal meridional velocity variability away from the near-surface layer, its source regions and its pathways into the deep ocean. This deep intraseasonal velocity variability plays a key role in equatorial dynamics as it is an important energy source for the deep equatorial circulation. The results are based on the output of a high-resolution ocean model revealing intraseasonal energy levels along the equator at all depths that are in good agreement with shipboard and moored velocity data. Spectral analyses reveal a pronounced signal of intraseasonal Yanai waves with westward phase velocities and zonal wavelengths longer than 450 km. Different sources and characteristics of these Yanai waves are identified: near the surface between 40°W and 10°W low-baroclinic-mode Yanai waves with periods of around 30 days are exited. These waves have a strong seasonal cycle with a maximum in August. High-frequency Yanai waves (10–20-day period) are excited at the surface east of 10°W. In the region between the North Brazil Current and the Equatorial Undercurrent high-baroclinic-mode Yanai waves with periods between 30 and 40 days are generated. Yanai waves with longer periods (40-80 days) are shed from the Deep Western Boundary Current. The Yanai wave energy is carried along beams east- and downward thus explaining differences in strength, structure and periodicity of the meridional intraseasonal variability in the equatorial Atlantic Ocean.

Description: Bei der Energiewende auf dem Weg zur Emissionsneutralität gilt es vor allem, CO2-Emissionen so weit wie möglich zu vermeiden – durch eine zügige Umstellung auf Erneuerbare Energien, innovative klimaneutrale Produktionsverfahren etc. Für eine Netto-Null in der Emissionsbilanz reicht das allein jedoch nicht aus, denn in manchen Bereichen lassen sich Emissionen nicht oder nur sehr schwer vermeiden, zum Beispiel bei bestimmten Industrieprozessen oder in der Landwirtschaft. In dieser Analyse werden in Erweiterung des Ariadne-Szenarienreports (Luderer et al., 2021) die vielschichtigen Wechselbeziehungen zwischen Vermeidungsoptionen und CO2-Entnahmepotenzialen beleuchtet und Handlungsspielräume abgesteckt. Diese Analyse gibt Orientierungspunkte, unter welchen Bedingungen lokal in Deutschland Treibhausgasneutralität erreicht werden könnte. Es zeigt sich, dass nur die Ausnutzung aller verfügbaren Optionen, sowohl bei der Vermeidung von Restemissionen als auch bei der Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre, Spielräume eröffnet, die gegen das hohe Risiko, dass nicht alle ambitionierten Annahmen in den Szenarien auch eintreffen werden, absichert.

Description: Zusammenfassung 1. Einleitung 2. Nach Energiewende verbleibende Restemissionen bestimmen den Bedarf an CO2-Entnahme in Deutschland in 2045 3. Angebot an CO2-Entnahme in Deutschland bis 2045 4. Diskussion der Ergebnisse Anhang Literaturangaben

Description: Die Energiewende sorgt für einen Paradigmenwechsel von einem grundlastbasierten zu einem flexiblen Stromsystem. Die zentralen Treiber für den zunehmenden Flexibilitätsbedarf sind die Stromerzeugung durch Wind und Sonne sowie die weiterhin bestehende unflexible Stromnachfrage, die gedeckt werden muss. Die vorliegende Studie analysiert, wie im Zeitverlauf bis zum Jahr 2045 der Flexibilitätsbedarf zunimmt und wie die Betriebsweisen der verschiedenen Technologien sich anpassen können. In der Studie wird auf das Energiesystemmodell REMod zurückgegriffen, mit dem eine Analyse über die intersektorale Flexibilität bis zum Jahr 2045 möglich ist. Für kurzfristige Flexibilität können in dieser Betrachtung zum Beispiel Batterien sowie Stromimporte und -exporte eingesetzt werden. Durch die Sektorenkopplung kann bei der Wärmebereitstellung in Gebäuden ebenfalls ein erheblich angepasstes Lastmanagement erfolgen. Ein höherer Anteil an Flexibilität kann jedoch durch Stromaufnahme in Elektrolyseanlagen und die Nutzung von Power-to-X-Kraftstoffen erfolgen. So können während längerer Dunkelflauten flexible Backup-Gasturbinen eingesetzt werden, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Um die notwendige Integration der Flexibilitäts-Technologien in den verschiedenen Märkten (insbesondere Strommarkt) und Sektoren voranzutreiben, müssen technische Voraussetzung, Marktregeln sowie Regulatorik in Bezug auf Bau und Betrieb so angepasst werden, dass die Technologien ihr Flexibilitätspotential bestmöglich ausspielen können.

Description: Mit steigendem Anteil fluktuierender Erneuerbarer Energien im Stromsystem steigt auch der Bedarf an steuerbaren Kapazitäten, die Stromangebot und -nachfrage ausgleichen können, so genannte Flexibilitätstechnologien. In dieser Analyse wird der Nutzen von zehn verschiedenen Technologien, die Flexibilität bereitstellen können, für das deutsche Stromsystem im Jahr 2030 ermittelt. Die Nutzenanalyse macht deutlich, dass die Verschiebung von großen Energiemengen über einen längeren Zeitraum (saisonaler Ausgleich) den höchsten spezifischen Nutzen erreicht. Eine Schlüsseltechnologie für das Jahr 2030 sind daher Langzeitspeicher mit großen Speichervolumen, zum Beispiel in Form von Wasserstoff-Kavernenspeichern. Das Fehlen einer hierfür geeigneten Technologie würde zu hohen Effizienzverlusten führen. Die zweite Schlüsseltechnologie ist die steuerbare Leistung von Power-to-Heat1 in Wärmenetzen der allgemeinen Versorgung, die für den täglichen Ausgleich zwischen Nachfrage und erneuerbarer Erzeugung eingesetzt wird. Hier können allerdings auch andere nachfrageseitige Flexibilitäten eine ähnliche Funktion für das Stromsystem übernehmen. Die Analyse zeigt auch, dass die Erschließung der hier betrachteten Flexibilitätstechnologien, zum Beispiel durch den Abbau von regulatorischen Hemmnissen, bis zum Jahr 2030 für das Stromsystem von hoher Relevanz ist. Auch über die angenommenen Potentialgrenzen hinaus bieten insbesondere nachfrageseitige Flexibilitätstechnologien noch einen positiven Nutzen. Eine technologieoffene, marktbasierte Lösung zur Einbindung dieser Flexibilitäten könnte die unterschiedlichen Charakteristika, Nutzenniveaus sowie sich ändernde Rahmenbedingungen effizient berücksichtigen.

Description: Die nationale und europäische CO2- Bepreisung weist ein wachsendes Einnahmenpotenzial auf (12,5 Milliarden EUR in 2021, insgesamt 178-227 Milliarden EUR bis zum Jahr 2030). Die Mittel werden dem Klima- und Transformationsfonds zugeführt und sind zweckgebunden für Maßnahmen mit energie- und klimapolitischem Bezug. ▶ Diese Einnahmen können dazu beitragen, die Kosten der Klimapolitik für einkommensschwache Haushalte abzufedern, öffentliche und private Klimaschutzinvestitionen zu erhöhen, Wettbewerbsnachteile für energieintensive Unternehmen auszugleichen und die gesellschaftliche Akzeptanz der CO 2-Bepreisung tendenziell zu stärken. ▶ Es werden folgende fünf Optionen betrachtet: Auszahlung eines Klimageldes, Senkung der Stromsteuer, Senkung von Einkommensteuern, gezielte Kompensation von Härtefällen sowie Förderprogramme. Die Optionen werden anhand ihrer volkswirtschaftlichen Effekte (Arbeits- und Investitionsanreize), Emissionswirkung, Verteilungswirkung, Verwaltungsaufwand, Effizienz und gesellschaftlichen Akzeptanz bewertet. ▶ Maßnahmen zur Entlastung von Bürgerinnen und Bürgern sind verteilungspolitisch vorteilhaft, da sie Haushalte mit geringem Einkommen relativ stärker entlasten. Zudem können sie leicht hochskaliert werden. Dadurch könnten politische Aushandlungsprozesse rund um Be- und Entlastungen befriedet und die Akzeptanz der CO2-Bepreisung in der Bevölkerung erhöht werden. ▶ Die Verwendung der Einnahmen für Förderprogramme und öffentliche Investitionen kann zu zusätzlichen Emissionsminderungen führen. Damit können Klimaziele mit einem geringeren CO2-Preisniveau erreicht werden. Gleichzeitig reizen hohe CO2- Preise jedoch auch private Investitionen an, sodass die Notwendigkeit staatlicher Förderprogramme sinkt (und höhere Rückerstattungen zum Ausgleich der Belastung durch den CO 2-Preis erforderlich werden). Die Finanzierung von Förderprogrammen sollte daher grundsätzlich in dem Rahmen erfolgen, wie sie notwendig und sinnvoll ist, und sich nicht nach dem Umfang der Einnahmen aus der CO 2-Bepreisung richten. Andernfalls erhöht sich das Risiko einer Unteroder Überfinanzierung von öffentlichen Ausgaben und Förderprogrammen. ▶ Die Bevölkerung ist bislang skeptisch gegenüber der CO2-Bepreisung, insbesondere bezüglich der wahrgenommenen Lenkungs- und Verteilungswirkung. Die CO2-Bepreisung wird mitunter als Finanzierungsinstrument für Staatseinnahmen gesehen. Förderprogrammen wird dagegen tendenziell eine höhere EfZUSAMMENFASSUNG 1fektivität zur Senkung von Emissionen unterstellt. Die Akzeptanz der CO 2-Bepreisung wie auch der Mittelverwendung hängt jedoch ebenso maßgeblich vom Informationsstand, Diskussionsprozessen und persönlichen Erfahrungen ab. Daraus folgt, dass die Transparenz im Hinblick auf die Verwendung der Einnahmen aus der CO 2-Bepreisung erhöht werden sollte. Unter anderem können Informationskampagnen helfen, ein besseres Verständnis für Wirkung und Nutzen von CO 2-Preisen und Entlastungsmaßnahmen zu vermitteln

Description: 15.000 Haushalte und mehr als 100 Fragen rund um Wärme und Wohnen in Deutschland: Im Herbst 2022 fand die zweite Erhebung des Ariadne Wärme- & Wohnen-Panels statt, das in bislang einzigartiger Weise Informationen zum Gebäudebestand und dem Endenergiebedarf mit detaillierten Angaben zu den sozioökonomischen Charakteristika der Haushalte verknüpft. Der Schwerpunkt der zweiten Panelerhebung lag auf den Auswirkungen der durch den Angriff Russlands auf die Ukraine verursachten Energiekrise auf die privaten Haushalte. Gefragt danach, wie stark die Teilnehmenden von den steigenden Energiepreisen betroffen sind und welche Maßnahmen sie dagegen ergreifen gaben so zum Beispiel lediglich 28 % der Teilnehmenden an, ihren Heizenergieverbrauch im Winter 2022/2023 stark oder sehr stark reduzieren zu wollen. Ein besonders bemerkenswertes Ergebnis ist in diesem Zusammenhang, dass nur etwa 21 % der Antwortenden angaben, die eigens für diesen Zweck entwickelte Informationskampagne der Bundesregierung mit dem Titel „80 Millionen gemeinsam für den Energiewechsel“ wahrgenommen zu haben. Eine überwältigende Mehrheit von etwa 88 % der Befragten hatte dagegen von der für Herbst 2022 geplanten, letztlich aber nie eingeführten Gasumlage gehört. Für die aktuelle Debatte um das faktische Verbot des Einbaus neuer fossil befeuerter Heizkessel höchst relevant ist das Ergebnis, dass ein Einbauverbot für Gaskessel lediglich von rund 28 % der Befragten begrüßt würde. Weiterhin interessant ist, dass 70 % der Eigentümer aus der Stichprobe die steigenden Preise im Bauhauptgewerbe als größten Hinderungsgrund für energetische Modernisierungen ansehen. Dahinter folgt als zweitwichtigstes Hindernis für die Umsetzung der Wärmewende in den eigenen vier Wänden die Unsicherheit über die Preisentwicklung verschiedener Energieträger.

Description: Im Kopernikus-Projekt Ariadne wurden zufällig ausgewählte Bürgerinnen und Bürger aus ganz Deutschland in einem Forschungs- und Lernprozess zur Verkehrs- und Stromwende beteiligt. Dieser Lernprozess eröffnete neue Begegnungs- und Reflexionsräume, in denen Forschende und Bürger:innen über verschiedene Politikoptionen zur Energie- und Verkehrswende diskutieren konnten.

Description: State of the climate in 2019

Description: Wohngebäude sind für 11 % der Treibhausgasemissionen in Deutschland direkt verantwortlich und für bis zu 40 %, wenn Stromverbrauch mit einbezogen wird. Um die Klimaziele gemäß dem Bundes-Klimaschutzgesetz zu erreichen, ist ein höheres Ambitionsniveau der klimapolitischen Maßnahmen in diesem Sektor erforderlich. Dieser Bericht analysiert die Governance der Evaluierungsprozesse von Maßnahmen im deutschen Gebäudesektor. Wir analysieren die Rollen der beteiligten Akteure, das institutionelle Gefüge sowie die angewandten Metriken und Methoden der Evaluierungen.

Description: Residential buildings directly contribute 11% to local greenhouse gas emissions and up to 40% of total emissions when accounting for energy use for electricity generation. In order to achieve the climate targets in line with the Federal Climate Protection Act, increased ambition level of climate policy instruments is required in this sector. In this research, we are interested in the governance of this sector and the role of evaluation: the government-mandated processes used to evaluate policy in terms of the actors, organisations and ministries involved in executing and coordinating these processes; and the metrics and methods as well as the scope and granularity of evaluations.

Description: Die Entscheidung für den Austausch oder Ersatz eines Heizsystems ist eine, die für mehr als ein Jahrzehnt getroffen wird. Oftmals berücksichtigen Verbraucherinnen und Verbraucher dabei vor allem die einmal anfallende Einbau-Investition. Die Kosten über den gesamten Lebenszyklus sind deutlich schwerer zu ermitteln und unsicher, daher werden sie häufig zu wenig in die finanzielle Überlegung mit einbezogen. In einer neuen Analyse haben Ariadne-Forschende berechnet, wie hoch unterm Strich die Kosten für verschiedene Heiztechniken in bestehenden Wohngebäuden über einen Zeitraum von 20 Jahren angesichts zukünftiger Energieträgerpreise sowie der zu erwartenden CO2-Preisentwicklung sind.

Description: There has long been a debate about climate-damaging subsidies in the German transport sector, and the financial restrictions resulting from the Federal Constitutional Court’s budget judgement at the end of 2023 have intensified the debate. This dossier is the first to convert the level of subsidies in the transport sector into negative CO2 prices to present a scientific categorisation of their significance for climate policy. The concept of implicit negative CO2 prices shows the extent to which subsidies implicitly reward citizens for emitting a tonne of CO2, rather than paying for the emissions.

Description: Subventionen im Verkehr, wie das Diesel- oder Dienstwagenprivileg, bedeuten negative CO2-Preise in Höhe von minus 70 bis zu minus 690 Euro pro Tonne CO2 und schwächen die Wirkungsweise der CO2-Bepreisung als wichtiges Instrument der Klimapolitik. Das zeigen Forschende des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kopernikus-Projekts Ariadne in einer neuen Studie. Die Ariadne-Berechnungen unterstreichen, dass Deutschlands derzeitiges Steuer- und Abgabesystem im Verkehrssektor noch stark auf die Nutzung fossiler Energieträger ausgerichtet ist und so die Erreichung der deutschen Klimaziele erschwert.

Description: We investigate the origin of the equatorial Pacific cold sea surface temperature (SST) bias and its link to wind biases, local and remote, in the Kiel Climate Model (KCM). The cold bias is common in climate models participating in the 5 th and 6 th phases of the Coupled Model Intercomparison Project. In the coupled experiments with the KCM, the interannually varying NCEP/CFSR wind stress is prescribed over four spatial domains: globally, over the equatorial Pacific (EP), the northern Pacific (NP) and southern Pacific (SP). The corresponding EP SST bias is reduced by 100%, 52%, 12% and 23%, respectively. Thus, the EP SST bias is mainly attributed to the local wind bias, with small but not negligible contributions from the extratropical regions. Erroneous ocean circulation driven by overly strong winds cause the cold SST bias, while the surface-heat flux counteracts it. Extratropical Pacific SST biases contribute to the EP cold bias via the oceanic subtropical gyres, which is further enhanced by dynamical coupling in the equatorial region. The origin of the wind biases is examined by forcing the atmospheric component of the KCM in a stand-alone mode with observed SSTs and simulated SSTs from the coupled experiments. Wind biases over the EP, NP and SP regions originate in the atmosphere model. The cold EP SST bias substantially enhances the wind biases over all three regions, while the NP and SP SST biases support local amplification of the wind bias. This study suggests that improving surface-wind stress, at and off the equator, is a key to improve mean-state equatorial Pacific SST in climate models.