Klimamodellierung - eine Abschätzung der Klimazukunft

Wie sich das Klima in Bayern zukünftig entwickeln wird, können auch Klimaforscher nicht exakt voraussagen. Sie können jedoch eine Vorstellung geben, wie es sich entwickeln könnte. Das folgende Gedankenspiel veranschaulicht die Herangehensweise:

'Zukunft in 50 Jahren'

Gedankenspiel

Wir stellen uns vor, wir befinden uns auf einer Wanderung auf dem "Klimapfad", der uns durch unbekanntes Gelände führt. Momentan stehen wir in der Gegenwart und blicken auf den vor uns liegenden Weg. Dieser Weg verzweigt sich mehrfach und wir haben keine Karte. Dennoch können wir Aussagen zum weiteren Verlauf des Weges wagen: Durch den in den letzten Jahrzehnten bereits zurückgelegten Weg auf dem "Klimapfad" ist uns das Langzeitverhalten der Klimaparameter (Trends) bekannt. Wir können daraus abschätzen, in welche Richtung uns der Weg auf der unmittelbar folgenden Strecke führt.

Die Trends der Vergangenheit sind allerdings nicht direkt in die Zukunft interpolierbar, da sie sich mit jedem hinzukommenden Jahr geringfügig verändern. So kam es in der letzten Zeit häufig zu einer Beschleunigung der Entwicklungen. Auch entstanden teilweise neue meteorologische Zusammenhänge – mit Auswirkungen auf die Verlässlichkeit der Trends. Übertragen auf unsere Wanderung heißt das, dass sich das Landschaftsbild mit der Zeit ändern wird und der Weg somit vielleicht steiler oder flacher verläuft oder unerwartete Biegungen enthält.

Für eine weitergehende Orientierung ist daher eine modellunterstützte Simulation des zukünftigen Klimas notwendig, also der Versuch, eine eigene Karte zu zeichnen. Zugute kommt uns dabei das Verständnis von Zusammenhängen und Wechselwirkungen der Klimagrößen, das wir auf unserer bisherigen Wanderung erlangt haben. In der Klimaforschung werden dabei mittels Modellketten viele mögliche zukünftige Klimaentwicklungen erstellt. Unsere Karte dient damit zwar als Orientierungshilfe, ist aber mit einer großen Unsicherheit behaftet.

Modellkette: Vom Emissionsszenario zum regionalen Klima der Zukunft

Die Ableitung regionaler Klimaprojektionen geschieht über Modellketten, die mögliche zukünftige Klimaentwicklungen darstellen können. Durch die Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren und Entwicklungstrends kann dabei eine ganze Spannweite an denkbaren Zukunftsbildern entstehen. Die Unsicherheit der Aussage steigt mit jedem weiteren Kettenglied.

Modellkette aus Emissionsszenarien, Globalen Klimamodellen, Regionalen Klimamodellen (Ausschnitt - Deutschland) und Wasserhaushaltsmodellen; Nähere Erläuterung im Text Modellkette zur Erstellung regionaler Klimaprojektionen

Das erste Glied der Modellkette zur Klimamodellierung bilden die vom IPCC festgelegten Emissionsszenarien. Diese beschreiben die zukünftig möglichen Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre, wie z.B. CO2, in Abhängigkeit von der gesellschaftlichen Entwicklung.

Die Emissionsszenarien bilden eine wichtige Grundlage für Globale Klimamodelle zur Abschätzung der weltweiten Klimaentwicklung. Solche Modelle berücksichtigen Prozesse in der Atmosphäre, den Ozeanen, von Eis und Schnee und auch der Vegetation. Deren räumliche Auflösung liegt derzeit bei über 100 x 100 km, weshalb sie sich nicht für kleinräumige Auswertungen eignen. Dennoch bestimmt das Geschehen im Globalen Klimamodell auch die regionale Klimaentwicklung maßgeblich. Das LfU hat daher in einer detaillierten Studie eine Auswertung und Bewertung der gängigen Globalen Klimamodelle für Bayern durchführen lassen.

Um die Klimaentwicklung auch im kleinräumigen Maßstab abschätzen zu können, bedient man sich Regionaler Klimamodelle. Diese verfeinern die Ergebnisse der Globalen Klimamodelle und bringen sie unter Berücksichtigung der lokalen Besonderheiten in die Fläche. Dabei gibt es unterschiedliche Verfahren. Die räumliche Auflösung von Regionalen Klimamodellen liegt derzeit bei ca. 7 – 50 km Rasterweite, bzw. bei der Dichte des Stationsnetzes des DWD. Die Modellergebnisse sind weder zeitlich noch räumlich als punktgenaue Vorhersagen zu verstehen. Sie charakterisieren vielmehr einen möglichen mittleren Zustand des Klimas über einen langen Zeitraum und werden in diesem Zusammenhang als Regionale Klimaprojektionen bezeichnet.

Die einzelnen regionalen Klimaprojektionen dienen ihrerseits wieder als Eingangsdaten für weitere Modellierungen der Auswirkungen des Klimawandels, z.B. in Wasserhaushaltmodellen. Diese Wirkungsmodellierung erlaubt Aussagen darüber, wie sich Klimaveränderungen auf hydrologische Kenngrößen wie Hochwasser- oder Niedrigwasserabfluss auswirken.

Unsicherheiten

In jedem der Modellschritte müssen Annahmen aus dem naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Bereich getroffen werden, die stets mit Unsicherheiten behaftet sind. Dies liegt unter anderem daran, dass derzeit nicht alle Prozesse des Klimasystems vollständig verstanden und in den Klimamodellen abgebildet sind.

Die Summe der Unsicherheiten führt dazu, dass "die eine Prognose" für die Zukunft nicht erstellt werden kann, sondern mit einer Reihe von Globalen, und darauf folgend, Regionalen Klimamodellen mehrere Projektionen erzeugt werden, um mögliche Entwicklungspfade aufzuzeigen. Das Resultat ist eine Bandbreite von Ergebnissen und Aussagen, welche durch eine Bündelung und Kombination von unterschiedlichen Klimaprojektionen ermittelt wird. Sie beschreibt einen Ergebnis-Korridor, in dem die zukünftige klimatische Entwicklung unter den getroffenen Annahmen voraussichtlich liegt. Aus diesem Grund ist es nicht sinnvoll, mögliche Klimaänderungen für Bayern anhand nur einer Klimaprojektion zu betrachten. Insgesamt steht eine Vielzahl von Klimaprojektionen zur Verfügung, von denen das LfU in seinen Untersuchungen bisher bis zu 13 verschiedene Projektionen verwendet. Ein Auswahlkriterium ist dabei, wie gut die zugrunde gelegten Modelle das Klima der Vergangenheit im statistischen Mittel treffen. Auch können Quellen von Unsicherheiten in der Modellkette anhand der Vergangenheit betrachtet werden. Die untenstehende Grafik zeigt dies an einem Beispiel.

Diagramm 1 zeigt drei zunächst in etwa waagerecht verlaufende Kurven: Kurve der Beobachtungen, Kurve von Regionalmodell 1 (tiefer als Beobachtung, steigt in Zukunft an), Kurve von Regionalmodell 2 (höher als Beobachtung, Steigt in Zukunft stärker an als Modell 2). Diagramm 2 zeigt schwankende Abflusskurven der Beobachtung und zweier Wasserhaushaltsmodelle. Die modellierten Spitzen (Hochwässer) sind gegenüber der Beobachtungskurve verschoben bzw. liegen zu hoch oder zu niedrig Bild vergrössern Zunahme der Unsicherheiten in der Modellkette bei der Ableitung von Projektionen zum Klima und Wasserhaushalt mit Beispielen zu Unsicherheitsquellen

Plausibilität

Modelle sind der einzige Weg, Aussagen über zukünftige Entwicklungen ableiten zu können. Dafür ist es wichtig, dass sie plausible, also glaubwürdige, Ergebnisse liefern.

Der Abschätzung der Plausibilität einer Klima- oder Abfluss-Projektion liegt folgende Annahme zugrunde: Bildet die Projektion die Vergangenheit gut ab, sollte auch die Zukunftsprojektion als belastbar eingeschätzt werden können. Kriterien für die Beurteilung wie gut eine Klimagröße im Vergleich zur beobachteten Vergangenheit modelliert wird, sind unter anderem die zufriedenstellende Wiedergabe

  • des Mittelwertes über den Untersuchungszeitraum
  • der Häufigkeitsverteilung der Werte
  • der Minimal- und Maximalwerte in ihrer Größenordnung und Häufigkeit
  • des zeitlichen Auftretens oder des Jahresganges
  • der räumlichen Verteilung und
  • des Änderungssignals im Untersuchungszeitraum.

Allerdings besteht das Problem, dass möglicherweise Bedingungen und Zusammenhänge im Modell angenommen wurden, die in Zukunft nicht mehr gelten und die mit diesem Modell erstellte Projektion die Zukunft daher nicht mehr belastbar wiedergibt. Derzeit kann dieser Fall aber weder bewiesen noch widerlegt werden, so dass die beschriebene Plausibilitätsprüfung die einzige Möglichkeit zur Qualitätsprüfung darstellt.

Wie bisherige Auswertungen zeigen, gestaltet sich vor allem die Abbildung von Extremwerten schwierig. Beispiele dazu finden sich u.a. in den Projekten AdaptAlp oder KLIWA.

Vorgehen im LfU

Bei der Plausibilitätsprüfung von Wasserhaushalts- und Abflusssimulationen berücksichtigt das LfU möglichst alle Glieder der Modellkette. Schwerpunkt liegt dabei allerdings auf der Beurteilung der Regionalen Klima- und Wasserhaushaltssimulationen. Für die Plausibilität der (Emissions-)szenarien und Globalen Klimaprojektionen greift das LfU größtenteils auf Arbeiten anderer Institutionen (z.B. IPCC, PIK – Potsdam Institut für Klimafolgenforschung) zurück.

Als Ausgangsbasis für Wasserhaushaltsprojektionen der Zukunft sind Klimaprojektionen geeigneter (Regionaler) Klimamodelle auszuwählen. Dafür müssen zunächst aus den Klimasimulationen der Vergangenheit belastbare hydrologische Aussagen abgeleitet werden. Bei dem gesamten Verfahren ist weiterhin zu beachten, dass die verwendeten gemessenen Vergleichsdatensätze ("Referenz") fehlerfrei und für das Untersuchungsziel geeignet sind. Welche Schritte am LfU zumeist durchlaufen werden, verbildlicht das unten stehende Schema am Beispiel der Modellierung zukünftiger Abflüsse an einem Pegel.

Erläuterungen zum Schema im nachfolgenden Text Bild vergrössern Schema zur Plausibilitätsprüfung entlang der Modellkette einer Abflussprojektion

Der erste Prüfschritt nach Auswahl der Vergleichsdaten (1) liegt in der Anpassung des Wasserhaushaltsmodells auf den untersuchten Pegel ("Kalibrierung" (2)). Dazu wird es mit gemessenen klimatischen Daten angetrieben und dieses Ergebnis mit gemessenen Abflüssen verglichen. Schließlich werden in mehreren Durchläufen die Modelleinstellungen so angepasst, dass eine bestmögliche Übereinstimmung zwischen modellierten und gemessenen Abflussdaten zustande kommt. Oft folgt noch eine Plausibilitätsprüfung, bei der das angepasste Modell für einen ähnlichen Pegel durchgerechnet wird ("Validierung").

In einem zweiten Schritt wird geprüft, ob die zur Verfügung stehenden Regionalen Klimamodelle generell in der Lage sind, die für die Wasserhaushaltsmodellierung wichtigen Klimagrößen ausreichend gut wiederzugeben (3). Dazu wird mit gemessenen klimatischen Daten verglichen. Gegebenenfalls erfolgt eine Biaskorrektur und ein Ausschluss unplausibler Regionaler Modelle.

Als drittes schließt sich eine erneute Plausibilitätsprüfung der Regionalen Klimasimulationen in einem festgelegten Vergleichszeitraum mit Messdaten an (4).

Die zuvor geprüften und ausgewählten Klimasimulationen fließen nun in das bestmöglich eingestellte Wasserhaushaltsmodell ein und ergeben eine Regionale Abflusssimulation der Vergangenheit (5). Danach erfolgt erneut eine Plausibilitätsprüfung (6): Die Vergleichsdaten entstammen der Wasserhaushaltsmodellierung auf Grundlage von gemessenen klimatischen Daten. Wiederum können hier Abflusssimulationen mit zu großen Abweichungen vom Vergleichsdatensatz ausgeschlossen werden.

Die verbleibenden Simulationen können in der Vergangenheit somit als belastbar angesehen und entsprechend der zuvor getroffenen Vereinbarung für Zukunftsprojektionen verwendet werden (5+7).