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25.08.2014

Globale Klimamodellierung Hoch entwickelte Klimamodelle versuchen, das Klima so realitätsnah wie möglich abzubilden und Aussagen über seine künftigen Veränderungen zu machen.

Wofür werden Klimamodelle gebraucht?

Klimamodellrechnungen werden verwendet um:

1. Entwicklungsmöglichkeiten des zukünftigen Klimas zu simulieren,
2. das Klima der Vergangenheit kennen zu lernen,
3. das Klimasystem besser zu verstehen und
4. Klimamodelle selbst zu verbessern.

Das Klima der Zukunft simulieren

Die in der Öffentlichkeit bekannteste Anwendung von Klimamodellen besteht in der Projektion des möglichen Klimawandels durch den Menschen in die Zukunft. In Klimaprojektionen wird auf der Basis von Emissionsszenarien die Klimaentwicklung bis zum Jahr 2100 simuliert. Einige Projektionen werden auch für längere Zeitskalen gemacht, so zum Beispiel bis 2300 auf der Basis von "Extended Concentration Pathways" (ECPs). Für bestimmte Fragestellungen, z. B. zum Anstieg des Meeresspiegels oder zum Abschmelzen der großen Eisschilde, werden mit weniger komplexen Modellen (EMICs) auch Rechnungen über die nächsten 1000 Jahre oder mehr durchgeführt.

IPCC 2014 WGI, SPM, Figure SPM 8

IPCC 2014 WGI, SPM, Figure SPM 8

Änderung der mittleren bodennahen Lufttemperatur bis 2081-2100 im Vergleich zu 1986-2005 nach dem RCP2.6 mit sehr geringen Emissionen, bei dem die globale Mitteltemperatur am Ende des 21. Jahrhunderts weniger als 2 Grad über dem vorindustriellen Wert liegt, und dem RCP8.5 mit kontinuierlich weiter steigenden Treibhausgasemissionen; dargestellt ist das Mittel der CMIP5 Ensemble Simulationen (s.u.). Gestreift sind Regionen, in denen das Signal gering im Vergleich zu natürlichen Schwankungen ist, gepunktet sind Regionen, in denen das Signal groß im Vergleich zu natürlichen Schwankungen ist (mehr als 2 Standardabweichungen größer).

Die Projektionen über das zukünftige Klima sind jedoch mit erheblichen Ungewissheiten verbunden. Neben der begrenzten Kenntnis des Klimasystems und der Unvollkommenheit der Klimamodelle ist vor allem unklar, wie sich die anthropogenen Emissionen von Treibhausgasen entwickeln werden. Niemand kann die Entwicklung der Weltgesellschaft über die nächsten Jahrzehnte voraussehen. Niemand kann die Bevölkerungsentwicklung genau bestimmen, die Veränderung des Konsumverhaltens, den Energieverbrauch, die Nutzung von Energiequellen, die technologische Entwicklung, das Ausbrechen von Kriegen usw. vorhersagen. Auch die Erfolge bzw. Misserfolge der globalen Klimapolitik lassen sich heute nicht abschätzen. Klimaprojektionen ermöglichen daher immer nur „wenn-dann-Aussagen“. Sie beanspruchen nicht, „die“ Zukunft aufzuzeigen, sondern projizieren mögliche bzw. unter bestimmten Bedingungen wahrscheinliche zukünftige Entwicklungen.

Daher hat der Weltklimarat IPCC ein differenziertes Spektrum von Emissionsszenarien für Treibhausgase entwickelt, um auf diese Weise den unterschiedlichen Entwicklungsmöglichkeiten der Weltgesellschaft Rechnung zu tragen. Jedem Szenario entspricht eine charakteristische Entwicklung der Treibhausgas-Konzentrationen. Bei einem bestimmten angenommenen Pfad der CO2-Emissionen, z. B. einer Verdoppelung bis 2050, berechnen – vereinfacht gesagt - Kohlenstoffkreislaufmodelle die aus den Emissionen folgenden atmosphärischen Konzentrationen und allgemeine Zirkulationsmodelle die Auswirkung auf das Klimasystem. Alle beteiligten Modellkomponenten sind, wie zuvor erläutert, miteinander gekoppelt, um die Wechselwirkungen im Erdsystem erfassen zu können. In den neuen Erdsystemmodellen ist ein interaktiver Kohlenstoffkreislauf integriert, so dass auch die Rückwirkungen der Erwärmung auf den CO2-Kreislauf und damit verbundene mögliche Rückkopplungsprozesse erfasst werden.

Für den 5. IPCC-Bericht wurden neue Szenarien entwickelt. Sie werden als Representative Concentration Pathways (RCPs) bezeichnet. Sie sind repräsentativ, weil die vier Szenarien RCP2.6, RCP4.5, RCP6 und RCP8.5 für eine größere Anzahl von in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlichten Szenarien stehen. Es handelt sich bei diesen neuen Szenarien um Konzentrations-Pfade, weil bei ihnen die Treibhausgas-Konzentration und der Strahlungsantrieb den Ausgangspunkt bilden und nicht wie bei den traditionellen Szenarien sozio-ökonomische Entwicklungen. Bei den früheren Szenarien wurden aus der Entwicklung der Bevölkerung, der Energienutzung, der Landwirtschaft usw. die Emissionen der Treibhausgase abgeleitet und aus diesen dann die atmosphärischen Konzentrationen berechnet. Die RCP-Szenarien legen bestimmte Szenarien von Treibhausgaskonzentrationen und deren Strahlungsantrieb fest, zu denen verschiedene sozio-ökonomische Entwicklungspfade, die zum Beispiel auch klimapolitische Maßnahmen berücksichtigen, führen können.

Ein Ziel dieser veränderten Vorgehensweise ist es, in den Modellsimulationen die Unsicherheiten in den Kausalketten zu minimieren. Bei der traditionellen Vorgehensweise setzt jeder Schritt auf den Unsicherheiten des vorhergehenden Schritts auf, von den möglichen sozioökonomischen Entwicklungen über die Treibhausgasemissionen und -konzentrationen bis zu den potentiellen zukünftigen Klimaverhältnissen. Bei den RCP-Szenarien werden die künftigen Strahlungsantriebe nicht aus der zukünftigen demographischen und ökonomischen Entwicklung, der Energienutzung usw. abgeleitet, sondern als mögliche Projektionen um 2100 im Vergleich zum vorindustriellen Antrieb gesetzt. Sie können potenziell durch mehr als ein zugrundeliegendes sozioökonomisches Szenario realisiert werden (IPCC 2014 WGI, Ch1, Box 1.1). Damit werden die Unsicherheiten in der Darstellung des physikalischen Klimas der Zukunft auf die Simulation der klimatischen Änderungen als Folge des Strahlungsantriebs der festgesetzten Treibhausgaskonzentrationen beschränkt (Flato, G. (2011)). Hinzu kommt, dass es so auch möglich ist, den Strahlungsantrieb der politisch gewollten 2-Grad-Grenze, die als Schwelle zu einer „gefährlichen“ Klimaänderung angenommen wird, festzulegen. Dieses Szenario (RCP2.6) setzt bis 2100 erhebliche Reduktionen der Treibhausgasemissionen um 90 % gegenüber der Gegenwart voraus (Knuti, R., and J. Sedláček (2012)). Die aus den möglichen sozioökonomischen Entwicklungspfaden folgenden Emissionen bzw. Konzentrationen atmosphärischer Substanzen werden mit sogenannten "Integrated Assessment Modellen" berechnet.

Das Klima der Vergangenheit kennen lernen

Eine andere wesentliche Aufgabe von Klimamodellrechnungen besteht darin, die Klimaänderungen vergangener Jahrhunderte nachzurechnen und ihre Ursachen zu erforschen. Es ist aus Beobachtungen unstrittig, dass es in den vergangenen 100 Jahren eine globale Erwärmung von 0,8 °C gegeben hat. In der öffentlichen Debatte um den Klimawandel ist von großem Interesse, ob die zugrunde liegenden Ursachen klar bestimmt werden können. Hier haben Modellrechnungen eindeutige Ergebnisse geliefert:

Darstellung von D. Kasang nach IPCC (2007) - Modellsimulationen des globalen Klimas im 20. Jahrhundert mit (links) und ohne (rechts) Berücksichtigung der anthropogenen Antriebskräfte

Darstellung von D. Kasang nach IPCC (2007) - Modellsimulationen des globalen Klimas im 20. Jahrhundert mit (links) und ohne (rechts) Berücksichtigung der anthropogenen Antriebskräfte

Werden nur die natürlichen Antriebe durch die Sonneneinstrahlung und bisherige Vulkanausbrüche in diesem Zeitraum berücksichtigt, so konnte der beobachtete globale Temperaturanstieg mit Modellen nicht nachvollzogen werden.

Wenn dagegen neben den natürlichen Antrieben auch die menschlich verursachten Treibhausgasemissionen mit berücksichtigt werden, so wird die tatsächliche Klimaentwicklung zutreffend simuliert (siehe Abb. oben). Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass die globale Erwärmung der letzten Jahrzehnte ihre Ursache im anthropogenen Treibhauseffekt hat.

 Frühere Klimaänderungen im Fokus