Wie lässt sich das Klima vorhersagen?

Die Meteorologie, die Lehre von den physikalischen und chemischen Erscheinungen und Vorgängen in der Atmosphäre, umfasst nicht nur die alltägliche Wettervorhersage, sondern auch das Klima, also die Untersuchung der langjährigen Statistik des Wetters.

Die meteorologischen Prozesse können mit mathematischen Gleichungen beschrieben und dann mit komplexen Computerprogrammen berechnet werden. Neben der täglichen Wettervorhersage kann auch das Klima, also der mittlere Zustand des Wetters, für die zukünftigen Jahrzehnte berechnet werden. Anders als bei der Wettervorhersage, spielen hier die Annahmen über die zukünftige Entwicklung von Treibhausgasemissionen eine entscheidende Rolle. 

Vom Weltklimarat werden Klimaszenarien ausgewählt, die als Randbedingungen in Klimamodelle eingehen, um verschiedene mögliche zukünftige Entwicklungen zu modellieren. Die Szenarien stellen unterschiedliche mögliche Emissions-Entwicklungspfade der Zukunft dar; von einem Szenario, mit dem das Ziel der Pariser Klimakonferenz einzuhalten ist, bis zu einem Szenario, bei dem weiter auf fossile Brennstoffe gesetzt wird. Mit den Auswertungen kann man zum einen untersuchen, welche Klimaänderungen uns erwarten und welche Wirkung Klimaschutz hätte, oder zum anderen auf welche unvermeidlichen Klimaänderungen man sich in dem jeweiligen Szenario vorbereiten muss.

In den letzten Jahren traten in Deutschland bereits mehrere Jahre mit besonders heißen und trockenen Sommern auf (z.B. 2003, 2015, 2018 und 2019). Unter Annahmen des RCP8.5 Klimaszenario wären solche Sommer in naher Zukunft (2031-2060) immer noch recht seltene Sommer, am Ende des Jahrhunderts (2071-2100) würden sie jedoch als durchschnittliche Sommer gelten.

Aussagen über das weltweite Klima der Zukunft können durch globale Klimamodelle getroffen werden. Diese umfassen neben Atmosphäre und Ozeanen auch Hydrosphäre, Biosphäre und Kryosphäre (Gesamtheit des gefrorenen Wassers auf der Erde) und werden daher auch Erdsystemmodelle genannt.

Klimamodelle basieren auf physikalischen Gleichungen zur Impuls-, Energie- und Massenerhaltung. Diese Gleichungen werden zunächst so vereinfacht, dass sie für einzelne Gitterpunkte gelöst werden können. Das Klimasystem wird mit einer großen Anzahl solcher Gitterpunkte überzogen, um alle drei Raumdimensionen einzubeziehen. Der Abstand der Gitterpunkte zueinander bestimmt die räumliche Auflösung des Klimamodells. Wegen der Vielzahl an Gitterpunkten werden die Gleichungen mit Hilfe von Supercomputern für jeden Gitterpunkt des globalen Gitternetzes gelöst. Die Rechenzeit solcher Modelle ist stark von ihrer räumlichen Auflösung abhängig und liegt zwischen circa zwei Monaten (Globalmodell, ca. 100 km² räumliche Auflösung) und einem halben Jahr (hochaufgelöste Regionalmodelle, ca. 3 km² räumliche Auflösung) für den gesamten Simulationszeitraum, also z. B. 1970 – 2100.

Wegen des großen Rechenaufwandes ist die Gitterweite in globalen Klimamodellen zu groß, um kleinräumige (lokalere) meteorologische Prozesse darzustellen (z. B. einzelne Wolken, sehr lokale Starkregenereignisse, Effekte durch stark variierende Oberflächengegebenheiten wie z.B. Großstadt und Umland). Ihre Effekte werden in den Modellen aber berücksichtigt, wobei empirisch abgeleitete Zusammenhänge von den großräumigeren Zuständen und Prozessen auf die kleinräumigeren Effekte genutzt werden. Diese Vorgehensweise wird Parametrisierung genannt. 

Weltweit werden die Experimente mit globalen Klimamodellen im Projekt CMIP (WCRP Coupled Model Intercomparison Project) koordiniert. Somit entstehen abgestimmt diverse Simulationen mit unterschiedlichen Klimamodellen. Die aktuelle Modellgeneration ist CMIP6, die für Auswertungen des sechsten Weltklimaberichts verwendet wurde. 

Die Auflösung globaler Klimamodelle (mit Gitterabständen von derzeit mehr als 100 km) reicht noch nicht aus, um die Unterschiede in den Ausprägungen des Klimawandels in einer Region der Erde (z. B. Europa, Deutschland) detailliert zu beschreiben.

Hierfür werden regionale Klimamodelle mit einem engmaschigeren Netz von Gitterpunkten für bestimmte Regionen, beispielsweise Kontinenten eingesetzt. Weltweit gibt es eine Reihe verschiedener regionaler, dynamischer Klimamodelle, die alle mit den Ergebnissen der globalen Klimamodelle angetrieben werden. In den regionalen Modellen kann die Gitterweite bis auf horizontale Abstände von 1-20 km verringert werden, wodurch mehr Prozesse direkt von den – dem Modell zugrunde liegenden – Gleichungen abgebildet und weniger Prozesse parametrisiert werden. Zum Beispiel kann in den regionalen Klimamodellen die Topographie viel detaillierter dargestellt werden, die einen großen Einfluss auf lokale Wind- und Niederschlagsstrukturen hat.

Ein anderer Ansatz zur Verfeinerung globaler Informationen verwendet auf beobachteten Zeitreihen basierende statistische Methoden zur Übertragung von großräumiger Information auf die lokale Skala. Sie wird als empirisch-statistisches Downscaling bezeichnet.

Im Coordinated Downscaling Experiment (CORDEX, z.B. für Europa euro-cordex.net) werden basierend auf globalen Klimaprojektionen aus CMIP aufeinander abgestimmt regionale Klimaprojektionen von verschiedenen Instituten berechnet. Die entstehenden Klimaprojektionsensembles, also viele Klimamodellergebnisse für das gleiche Szenario, können dann regional ausgewertet und Bandbreiten der Klimaänderungen in der Zukunft abgeschätzt werden. Die aktuellen Auswertungen basieren hierbei auf der Generation CMIP5, die im Fünften Weltklimabericht ausgewertet wurde.

Im Zuge des im Dezember 2019 vorgestellten „European Green Deal“ erfährt die Standardisierung eine wesentliche Stärkung. Standards und Normen werden hier als ein wesentliches Mittel zur Eindämmung des anthropogen bedingten Klimawandels identifiziert. Im Zuge dessen wurde beispielsweise der CEN TC 467 „Climate Change“ gegründet, der die europäischen Aktivitäten auf dem Gebiet der Vermeidung von Treibhausgasemissionen und der Anpassung an die unvermeidlichen Folgen des Klimawandels koordiniert.

All diese und weitere Normungsaktivitäten benötigen robuste und verlässliche Klimadaten für Vergangenheit und Zukunft. Klimamodelle bilden hier die wesentliche Datenbasis.

Autor*innen: Nora Leps und Dr. Andreas Walter, Deutscher Wetterdienst   

Ansprechpartnerin im VDI
Dr. rer. nat. Julia Nickel-Kuhn
KRdL-Fachbereich Umweltmeteorologie
E-Mail: nickel-kuhn@vdi.de

Quellen:
Klimavorhersagen und Klimaprojektionen - Wie entstehen Aussagen über das zukünftige Klima?

Klimawandelbedingte Änderungen in Atmosphäre und Hydrosphäre - Schlussbericht SP 101 des BMDV Experten-Netzwerks