Globale Klimamodelle

Erdkugel mit hervorgeheobenen Bereichen von Europa und Deutschland Klimamodellierung. © Deutscher Wetterdienst

Globale Klimamodelle (Global Climate Models, auch General Circulation Models - GCM) werden dazu verwendet, das globale, Klimasystem abzubilden. Damit sind sowohl Simulationen des vergangenen als auch Abschätzungen des zukünftigen Klimas der Erde möglich. Abhängig vom Zeitpunkt ihrer Entwicklung und der verfolgten Zielstellung sind sie in ihrem Aufbau und ihren Grundannahmen unterschiedlich detailliert: Sie reichen von einfachen Modellen bis zu komplexen "Earth System Models" (ESM). Die einfachen, oft historischen, Modelle betrachten zumeist nur die Prozesse in der Atmosphäre und beziehen Vorgänge von Ozean und Landoberfläche als feststehende Größen ein (Parameter).

ESM, die neueste Generation von Globalmodellen, versuchen hingegen die physikalischen und chemischen Vorgänge von Atmosphäre, Ozean, Polkappen, Landoberfläche, Biosphäre sowie die menschlichen Einflüsse in ihren vielfältigen Wechselwirkungen zu berechnen und zu koppeln. Ergebnis der Globalen Klimamodelle sind die gängigen Klimagrößen wie Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchte oder Sonneneinstrahlung.

Oft wird die Berechnung des Erdklimas durch ein Globalmodell mit nahezu identischen Eingangsgrößen mehrfach durchgeführt ("Läufe" oder "Realisationen"), um die Unterschiede zu berücksichtigen, die allein durch die mathematische und rechentechnische Verarbeitung hervorgerufen werden. Der Begriff "Läufe" (engl. "runs") wird auch verwendet, wenn ein GCM mit unterschiedlichen Eingangsgrößen, z.B. unterschiedlichen Emissionsszenarien, durchlaufen wird.

Ergebnisse auf globaler Ebene

Zur Projektion des zukünftigen Klimas unter Berücksichtigung des menschlichen Einflusses nutzen die Globalmodelle unter anderem unterschiedliche Treibhausgas-Emissionsszenarien als Eingangsdaten. Eine Zusammenfassung zu den projizierten globalen Änderungen findet sich u.a. im 4. IPCC-Sachstandsbericht.

Die Niederschlagsjahresgänge der 16 Globalmodellläufe verlaufen oft sehr uneinheitlich und ziehen einen Ergebniskorridor von bis zu 70 mm Breite auf. Im Allgemeinen zeigen sie ein Niederschlagsmaximum im Sommer ( bis ca. 140 mm) und ein zweites Niederschlagsmaximum im Winter (bis ca. 110 mm), Niederschlagsminima liegen im Frühjahr (bis ca. 55 mm) und Herbst (bis ca. 50 mm) Bild vergrössern Globale und Kontinentale Temperaturänderungen in der Vergangenheit. (Quelle: 4. IPCC-Sachstandsbericht 2007 – Zusammenfassungen für politische Entscheidungsträger)

Ein Beispiel daraus gibt nebenstehende Abbildung: Sie vergleicht, wie gut die Bandbreite der Klimamodelle den Verlauf der beobachteten Änderung der Erdoberflächentemperatur im Zeitraum 1906-2005 trifft. Die Änderungssignale der Beobachtung (schwarze Linie) zeigen dabei die Differenz zwischen den jeweiligen Jahrzehnt-Mittelwerten und dem Mittelwert von 1901-1950. Bei weniger als 50% räumlicher Abdeckung sind die Linien gestrichelt. Die blauen Bänder geben die Bandbreite von 19 Modellläufen (5 Globalmodelle) wieder, welche nur natürliche Einflussfaktoren, z.B. die Sonnenaktivität berücksichtigen. Die roten Bänder basieren auf 58 Modellläufen (14 Globalmodelle) und beziehen zusätzlich den menschlich verursachten Einfluss auf das Klima ein. Globale Klimamodelle können die beobachtete Erwärmung in der Vergangenheit sowohl auf globaler als auch auf kontinentaler Ebene gut nachbilden, vor allem in Europa. Die Differenz zwischen den blauen und roten Bändern verdeutlicht als eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dem 4. Sachstandsbericht des IPCC, dass der überwiegende Teil des bereits erfolgten Temperaturanstiegs auf den menschlichen Einfluss zurückgeht.

Räumliche Auflösung

Europa und der Nordatlantik bei unterschiedlicher Modellauflösung. Mit jedem IPCC-Bericht wurde die Auflösung verfeinert. Bild vergrössern Europa und der Nordatlantik bei unterschiedlicher Modellauflösung. Verglichen werden hier die vier Berichte des IPCC, die im Abstand von einigen Jahren erschienen sind. Die Kürzel stehen dabei für First, Second und Third Assessment Report, sowie Assessment Report 4. (verändert nach IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, Figure 1.4)

Die Ergebnisse der Globalen Klimamodelle werden für einzelne Punkte auf der Erdoberfläche angegeben, die in einem gleichmäßigen Raster verteilt sind. Das nebenstehende Schema zeigt die räumliche Modellauflösung, wie sie in den vier bestehenden IPCC-Berichten verwendet wurde. Aus Gründen des hohen Rechenaufwandes je Gitterpunkt liegt die räumliche Auflösung dieser Raster derzeit bei zumeist ~200 x 200 km, maximal bei ~100 x 100 km. Regionale Angaben, z.B. für Bayern, sind damit kaum möglich.

Vergleichende Analysen für Süddeutschland

Die Ergebnisse der Globalen Klimamodelle bilden, wie bereits beschrieben, die Grundlage für die nachfolgende Modellierung. Für kleinräumigere Aussagen werden in einem weiteren Schritt regionale Klimamodelle genutzt. Deren Realitätsnähe ist damit unter anderem entscheidend von der Güte der globalen Klimamodelle abhängig.

Die Niederschlagsjahresgänge der 16 Globalmodellläufe verlaufen oft sehr uneinheitlich und ziehen einen Ergebniskorridor von bis zu 70 mm Breite auf. Im Allgemeinen zeigen sie ein Niederschlagsmaximum im Sommer ( bis ca. 140 mm) und ein zweites Niederschlagsmaximum im Winter (bis ca. 110 mm), Niederschlagsminima liegen im Frühjahr (bis ca. 55 mm) und Herbst (bis ca. 50 mm) Bild vergrössern Vergleich der Niederschlagsjahresgänge im Zeitraum 1871-2000 für 16 Globalmodellläufe

Das Bayerische Landesamt für Umwelt hat daher die Ergebnisse von 16 verschiedenen globalen Klimamodellläufen (14 GCM) für Süddeutschland betrachtet und analysiert. Die Untersuchungen belegen z.T. deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Läufen und dadurch eine starke Bandbreite der Ergebnisse. Somit können sowohl die GCM selbst besser beurteilt als auch die Resultate der anschließenden regionalen Modellierung besser eingeordnet werden.
Erst durch die Kombination verschiedener Globaler Klimamodelle mit verschiedenen Regionalmodellen wird auch die mögliche Bandbreite der zukünftigen Klimaentwicklung ersichtlich.