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26.08.2014

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

Wie verlässlich sind Klimamodelle?

Für die Öffentlichkeit sind die wichtigsten Botschaften der Klimamodellrechnungen die Projektionen des zukünftigen Klimas. Gerade hier setzen aber auch die Zweifel an. Die Ergebnisse der Modellrechnungen lassen sich schlechterdings nicht verifizieren. Anders als bei Wettervorhersagen liegen sie in einer fernen Zukunft. Dennoch gibt es einige gute Gründe für die Glaubwürdigkeit der Modelle. Der letzte Bericht des Weltklimarates IPCC führt dazu fünf Argumente an:

  • Klimamodelle basieren auf den bekannten physikalischen Gesetzen und auf Beobachtungen.
  • Klimamodelle sind in der Lage, wichtige Aspekte des gegenwärtigen Klimas zu reproduzieren.
  • Klimamodelle sind in der Lage, wichtige Aspekte des vergangenen Klimas und vergangener Klimaänderungen zu reproduzieren, z.B. des Letzten Glazialen Maximums, der Kleinen Eiszeit und den Temperaturanstieg der letzten Jahrzehnte als Folge der zunehmenden Konzentration von Treibhausgasen in der Erdatmosphäre.
  • Wettervorhersagemodelle, die oft die Ausgangsbasis für ein Klimamodell liefern, werden erfolgreich für Wetterprognosen und saisonale Vorhersagen eingesetzt. Die Projektionen von früheren Klimamodellrechnungen für die letzten beiden Jahrzehnte stimmen im Großen und Ganzen mit den darauf folgenden Beobachtungen überein. Die Kernaussagen früherer und aktueller Modelle haben sich nicht wesentlich geändert.
  • Die weltweit von verschiedenen Forschergruppen entwickelten Klimamodelle stimmen mit ihren grundlegenden Ergebnissen im Wesentlichen überein.

Allerdings ist zu bedenken:

  • Modelle sind noch nicht in der Lage, Wolken und Rückkopplungen der Kryosphäre (diese umfasst alle mit Eis bedeckten Oberflächen der Erde) hinreichend abzubilden. Herausforderungen stellen immer noch die Simulationen von Extremereignissen, außertropischen Stürmen und teilweise des El-Niño-Phänomens dar.
  • Für lange zurückliegende Zeiträume, für die keine Beobachtungen vorliegen, muss zur Verifizierung von Simulationsergebnissen auf “natürliche Klimaarchive“, sogenannte Proxydaten, zurückgegriffen werden, die nur mittelbar Rückschlüsse auf das Klima zulassen (beispielsweise Baumringe oder Bohrkerne).
  • Erfolgreiche „Nachmodellierungen“ über wenige Jahrzehnte des jüngst vergangenen Klimas sind keine Garantie dafür, dass auf diese Weise auch die relevanten Prozesse erfasst werden, die die sehr langfristigen Klimaänderungen bestimmen.

In den Jahren zwischen dem vierten und fünften Bericht des Weltklimarates IPCC sind jedoch einige bedeutende Fortschritte in der Modellierung des Klimas erzielt worden. Die Rechenkapazitäten sind in dieser Zeit jährlich um den Faktor 1,8 gestiegen (Knuti, R., and J. Sedláček, 2012). Dadurch konnte zum einen die Auflösung verbessert werden. Vor allem aber wurde die erhöhte Computerleistung in eine größere Komplexität der Modelle bis hin zur Entwicklung von Erdsystemmodellen gesteckt (s.o.). Die neue Generation von Klimamodellen war dadurch in vielen Fällen besser in der Lage als die Vorgängergeneration, das gegenwärtige Klima und seine Veränderungen in Übereinstimmung mit den Beobachtungen zu simulieren.

So können Modelle die großräumigen Temperaturmuster und ihre Veränderungen sehr gut wiedergeben, ebenso die jährlichen und dekadischen Temperaturschwankungen. Auch in der Modellierung von Wärmeextremen wurden Fortschritte erzielt. So stimmen die modellierte und beobachtete Häufigkeit von extrem warmen und kalten Tagen und Nächten besser als früher mit der Beobachtung überein. Immer noch Schwierigkeiten, wenn auch etwas geringere, haben Klimamodelle in der Simulation von Niederschlägen und Niederschlagsextremen. Erdsystemmodelle mit einem interaktiven Kohlenstoffzyklus sind in der Lage, die Kohlenstoff-Senken auf dem Land und im Ozean im Rahmen der Schätzungen auf der Grundlage von Beobachtungen zu berechnen.

Die Projektionen der mittleren globalen Erwärmung mit den Modellen des CMIP5 ergeben ähnliche Ergebnisse wie die Simulationen im Rahmen von CMIP3. Auch die Abweichungen zwischen den Modellen sind ähnlich. Die Unterschiede in den Ergebnissen ergeben sich primär dadurch, dass für die neuen Projektionen neue Szenarien zugrunde gelegt wurden. Insbesondere ist das Szenario RCP2.6 deutlich niedriger angesetzt als das niedrigste Szenario des vierten Sachstandsberichts des IPCC. Insgesamt spricht die Übereinstimmung bei vergleichbaren Szenarien dafür, dass bereits die Ergebnisse früherer Modellprojektionen recht robust waren und durch die neuen, verbesserten Modelle bestätigt wurden.

Klimamodelle sind und bleiben Modelle mit allen zuvor beschriebenen Einschränkungen und Unsicherheiten. Sie sind jedoch ein äußerst brauchbares Instrument, um das Klimasystem und seine Veränderungen zu verstehen. In der Kombination von globalen und regionalen Klimamodellen sind wir in der Lage, innerhalb einer gewissen Bandbreite Entwicklungen auf unterschiedlicher räumlicher Skala zu projizieren. Die Ungewissheiten hinsichtlich der Entwicklung der globalen Emissionen anthropogener Treibhausgase werden jedoch immer bestehen.

Kein Klimamodell kann alle Vorgänge, die im Erdsystem ablaufen und sich wechselseitig beeinflussen, genau wiedergeben. Dadurch treten Ungenauigkeiten auf, die sich bei langen Simulationszeiträumen als systematische Fehler zeigen können.

Jedes Klimamodell hat spezielle Eigenarten, daher ist die Nutzung eines Ensembles von Modellen empfehlenswert. Und: Die natürliche Klimavariabilität hat großen Einfluss auf die Größe des Mittelwertes. Wenn beispielsweise in 30 Jahren eine Periode besonders kalter Winter auftritt, wird davon auch der Mittelwert beeinflusst.

Auch eine Reihe unterschiedlicher 30-Jahres-Mittelwerte aus einer Klimasimulation mit konstantem Antrieb weist daher eine Variabilität auf. Das gleiche gilt für die Standardabweichungen einer Größe, sie ist ein Maß für die Schwankungsbreite um den Mittelwert, auch sie ist hoch variabel für unterschiedliche Zeiträume.

Beide Effekte zusammen bedingen eine Bandbreite der Ergebnisse, die keinesfalls als Fehler zu verstehen ist, sondern als eine Eigenschaft des Klimasystems.

© DKRZ/MPI-M/KlimaCampus. Klimamodelle werden auch für Prozessstudien genutzt, wie hier etwa die Strömungsgeschwindigkeit des Ozeans.

© DKRZ/MPI-M/KlimaCampus. Klimamodelle werden auch für Prozessstudien genutzt, wie hier etwa die Strömungsgeschwindigkeit des Ozeans.

Modellsimulationen haben nachgewiesen, dass die globale Erwärmung der letzten Jahrzehnte eindeutig durch anthropogene Treibhausgasemissionen bedingt ist. Und sie haben übereinstimmend gezeigt, dass sich bei einem weiteren Anstieg der Treibhausgaskonzentration die globale Erwärmung beschleunigen wird. Dies schließt nicht aus, dass bestimmte Regionen der Erde sich auch abkühlen können, während andere sich besonders stark erwärmen. Über alle Gebiete der Erde gemittelt aber ist die Temperaturänderung positiv, das zeigen alle Modelle. Auch werden, abgesehen von vielen Einflüssen auf unsere Umwelt, Gesundheit etc., weitreichende regionale Folgen hinsichtlich der Niederschlagsverteilung erwartet, die einen großen Einfluss auf die Sicherung der Welternährung nach sich ziehen werden.