Metric choice for trading-off short- and long-lived climate forcers
A transdisciplinary approach using the example of aviation
Deuber, Odette N.
Mit fortschreitendem Klimawandel steigt der Bedarf kurzlebige klimarelevante Effekte bei der Erreichung klimapolitischer Ziele zu berücksichtigen. Einfache Maßzahlen, sog. Klimametriken werden benötigt um die Wirkung von klimawirksamen Spurenstoffen mit sehr unterschiedlichen atmosphärischen Verweilzeiten und Eigenschaften in Hinblick auf Politikziele zu vergleichen. In der Literatur werden eine Vielzahl an Metriken vorgestellt. Es gibt jedoch nur wenige Studien, die Metriken aus einer Meta-Perspektive betrachten und eine strukturierte Diskussion ermöglichen. Metrikwerte zur Bewertung kurzlebiger Klimaeffekte weisen eine sehr große Bandbreite auf. Dies ist besonders relevant im Luftverkehr, da kurzlebige Effekte einen bedeutenden Anteil der Klimawirkung in diesem Sektor verursachen. Die Aufsätze in der transdisziplinär angelegten Dissertation fördern das Verständnis für naturwissenschaftliche, ökonomische und politische Aspekte im Metrikdesign: allgemein, zur Bewertung sehr kurzlebiger Spurenstoffe sowie für das praktische Beispiel der Gewichtung der luftverkehrsbedingten Kondensstreifen und CO2.
Die Dissertation stellt einen physikalisch-ökonomischen Bewertungsrahmen für Klimametriken vor. Dieser zeigt, dass aus ökonomischer Perspektive das Globale Schadenspotenzial als „erst-beste“ Benchmark-Metrik betrachtet werden kann, da es eine kosteneffiziente Vermeidungsstrategie gewährleistet. Praktisch alle Klimametriken können als Varianten dieser Metrik dargestellt werden. Der Bewertungsrahmen ermöglicht eine umfassende Diskussion über Metriken, da er vollständig normative Werturteile, Vereinfachungen und verschiedene Arten an Unsicherheiten offenlegt, die implizit der Metriken zugrunde gelegt sind.
Eine quantitative Analyse erfolgt in Hinblick auf einen generischen Trade-off im Luftverkehr. Sie legt die Auswirkung einzelner Ausgestaltungsoptionen physikalischer Metriken auf den Zeitpunkt dar, bei dem die Vermeidung eines Kurzzeiteffekts (z.B. Kondensstreifen) auf Kosten eines entgegenwirkenden Langzeiteffekts (z.B. CO2 Emissionen) vorzuziehen ist. Die empfohlene Vermeidungsstrategie hängt maßgeblich vom Bewertungshorizont ab. Zu jedem Zeitpunkt müssen normative Werturteile die Ausgestaltung der Metrik begleiten.
Die gemeinsame Eigenschaft von sehr kurzlebigen Strahlungsantrieben wird genutzt um einen generischen Ansatz zur Ableitung von CO2 Äquivalente für kurzlebige Strahlungsantriebe darzustellen. Auf dieser Basis werden numerischen Werte für eine grosse Bandbreite an Metrikparametern ermittelt, die unabhängig von der Art des kurzlebigen Effekts und der spezifischen Situation sind. Zwei alternative Typen an metrik-basierten Faktoren bieten die Möglichkeit effektspezifische CO2-Äquivalente für kurzlebige Effekte abzuleiten, wie am Beispiel luftverkehrsbedingter Wolkenbildung gezeigt wird.
Ein Buchartikel bietet abschließend einen Rückblick auf den Verhandlungsprozess im internationalen Luftverkehr. Er untersucht die politischen Rahmenbedingungen und Optionen zur Einführung verbindlicher, global harmonisierte Klimaziele im Luftverkehr und diskutiert diese mit Bezug auf die verschiedenen Akteure. Besonderes Augenmerk liegt auf dem globalen sektoralen Ansatz, der es ermöglicht, Erlöse für die Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel in Entwicklungsländern zu generieren.
Die Dissertation zeigt, dass bei der Gewichtung kurz- und langlebiger Effekte auf der Grundlage von global- und jährlich gemittelter Metriken die grundlegenden Herausforderungen im Metrikdesign bestehen bleiben. Einige Ausgestaltungsoptionen gewinnen jedoch aufgrund der unterschiedlichen Verweilzeiten der Spurenstoffe an Bedeutung: die Bewertung kurzlebiger Klimaeffekte ist stark von wissenschaftlichen Unsicherheiten geprägt und normative Werturteile in Bezug auf die zeitliche Bewertung sowie auf den gewählte Politikansatz spielen eine größere Rolle. Die Metriken für kurzlebige Strahlungsantriebe werden erwartungsgemäß einer größeren Variabilität unterliegen, wenn sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse über das Klimasystem und insbesondere den kleinräumigen Klimaeffekte weiterentwickeln und sich die wahrgenommene Dringlichkeit kurzfristiger Vermeidungsmaßnahmen bei fortschreitendem Klimawandel verstärkt.
In einem Klimaregime, das auf die Begrenzung sowohl von langfristigem Klimawandel als auch von kurzfristig relativen Änderungen des Klimasystems abzielt, stößt eine Multigas-Strategie mit einem einzelnen Metrikwert für alle Arten an klimawirksamen Spurenstoffen an ihre Grenzen. Während die Metriken und CO2-Äquivalente die kurzlebigen Strahlungsantriebe und CO2 als Substitute betrachten, sind Maßnahmen zur Begrenzung von kurz- und langlebigen Strahlungsantrieben dann eher als komplementär zu betrachten. Dies könnte Gegenstand zukünftiger Forschung sein.
With advancing climate change there is a growing need to consider short-lived climate forcers (SLCF) to achieve climate targets. Simple measures, so called climate metrics are required to compare the climate impact of perturbations with distinct different atmospheric lifetimes and atmospheric properties in view of defined policy targets. A multitude of emission metrics have been presented in the literature. However, only few scholarly papers exist which consider metrics from a meta-perspective, including atmospheric and economic sciences, and which allow a clearly structured discussion. Further, metric values for trading-off SLCF and CO2 are highly ambiguous. Metric design determines decisively the relative weighting of SLCF and CO2. This is particularly relevant for aviation, as SLCF contribute to a significant share to the sector's climate impact. Using a transdisciplinary approach, the articles enhance the understanding for the scientific, economic and policy aspects in climate metric design: in general, to evaluate short- and long-lived climate forcers and for the practical example of aviation-induced contrails and CO2.
The dissertation presents a physico-economic framework on climate metric design. It illustrates that from the economic perspective, that the Global Damage Potential can be considered as a first-best benchmark metric since it ensures that the trade-off between different forcing agents is efficient. Virtually all climate metrics can be constructed as variants of it. The framework facilitates a structured discussion on climate metrics from literature in a straightforward manner since it reveals comprehensively normative assumptions, simplifications and the types of uncertainties that are implicit to the choice of a climate metric.
A quantitative assessment focuses on a generic trade-off situation in aviation. It demonstrates the impact of individual physical metric choices on the point in time where the mitigation of a short-term effect (e.g. line - shaped contrails) at the expense of a counteracting long-term effect (e.g. CO2 emission) becomes preferable. The preferred mitigation strategy depends particularly on the evaluation horizon. At any stage, value judgements must guide the required policy decision on metric options.
Subsequently, the common characteristic of SLCF, the short atmospheric lifetime is used to present a generic approach for relating SLCF to CO2-induced forcing. This new approach provides metric-based CO2 equivalences for a wide range of parameter assumptions, independent from the SLCF agent and situation. Two alternative types of metric-based factors can be used to derive agent-specific CO2 equivalences, demonstrated by using the example of aviation-induced cloudiness.
A book article, finally, provides a review of the negotiation process in international aviation. It explores the political setting for including international aviation in a global climate regime. The article presents possible options and relates them to the negotiation positions of different actors. Special attention is paid to the global sectoral approach which could allow raising revenues for adaptation to climate change in developing countries.
When trading off SLCF and CO2 on the basis of emission-based global- and annual-mean metrics, the basic challenges of metric design persist, some of the critical design challenges, however, reinforce due to the nature of SLCF: the relative weighting of SLCF and CO2 is more sensitive to scientific uncertainties and normative value judgements with respect to the time frame and policy approach than to the selected metric approach (physical, physico-economic). It is expected to a large variability when scientific knowledge on the climate system and the small scale climate impacts of SLCF advances and the perceived urgency of near-term mitigation evolves.
Finally, in a climate regime which aims at limiting not only long-term climate change but also controlling the rate of climate change, a multi-gas strategy with a single metric for all types of climate perturbation comes to its limit. While in the considered approaches SLCF and CO2 are treated as substitutes, action on limiting short- and long-lived forcers are rather complements. This could be subject to further research.
