Klimafolgenmodellierung

Die Entwicklung des Klimas kann nicht vorhergesagt werden. Die heutigen Erkenntnisse über die Prozesse und Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems können jedoch helfen, Abschätzungen über dessen zukünftige Entwicklung vorzunehmen. Dabei spielen Computermodelle eine wichtige Rolle. Sie arbeiten mit mathematischen Gleichungen, die auf Basis bestimmter Annahmen über die Entwicklung klimarelevanter äußerer Einflussfaktoren eine Abschätzung der zukünftigen Veränderungen des Klimas sowie die daraus resultierenden Folgen für verschiedene Systeme ermöglichen. Modelle können die komplexen Wechselwirkungen und das quasi chaotische Verhalten des Klimas nur vereinfacht abbilden. Durch verschiedene methodische Ansätze können dabei Unterschiede in den Ergebnissen der Modelle entstehen und keine gesicherten Aussagen über das zukünftige Klima getroffen werden. Eine bessere Alternative existiert jedoch zurzeit nicht und so liefern Klimamodelle zumindest einen Anhaltspunkt für notwendige Anpassungsstrategien.

Modellkette

Über Modellketten lassen sich sogenannte regionale Klimaprojektionen ableiten, welche die möglichen Entwicklungen des zukünftigen Klimas auf Basis der oben genannten Szenarienannahmen darstellen. Verschiedenste Einflussfaktoren und Entwicklungstrends führen zu einer großen Spannweite an Zukunftsbildern. Jedes Glied dieser Kette beinhaltet individuelle Unsicherheiten, die sich am Ende in den Ergebnissen als Bandbreiten widerspiegeln.

Klimaszenarien / Treibhausgasszenarien

Zu Beginn der Modellkette stehen die Treibhausgasszenarien. Diese basieren auf Annahmen über weltweite Entwicklungen des Bevölkerungswachstums, der ökonomischen und sozialen Verhältnisse, der technologischen Veränderungen, des Ressourcenverbrauchs und des Umweltmanagements. Diese Entwicklungen können grundsätzlich nicht vorhergesagt werden. Aufgrund dessen bildet eine Vielzahl an unterschiedlichen Szenarien die Bandbreite der möglichen zukünftigen Treibhausgasemissionen ab.

Auf Basis dieser Annahmen werden Aussagen darüber getroffen, wie sich der Ausstoß von Treibhausgasen (Emissionsszenarien) und folglich die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre (Konzentrationsszenarien) entwickeln werden. Derzeit findet vor allem die Gruppe der RCP-Szenarien (Repräsentative Konzentrationspfade), welche aus dem 5. Sachstandsbericht des Weltklimarates (IPCC) von 2013 hervorgegangen sind, Anwendung in der Klima- bzw. Klimafolgenmodellierung. Mit dem 6. Sachstandsbericht von 2021/2022 gibt es inzwischen bereits neue Szenarien (und Modelle), die in den nächsten Jahren verbreitet genutzt werden.

Klimamodelle

Klimamodelle sind Computerprogramme, welche die bekannten Prozesse und Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems mit Hilfe von mathematischen Gleichungen soweit möglich beschreiben. Diese Vorgänge sind teilweise so komplex, dass sie von den Modellen nur vereinfacht abgebildet werden können. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Typen von Klimamodellen.

Globale Klimamodelle berechnen die Entwicklung des Klimas auf der gesamten Erde. Die Grundlage dafür bilden natürliche Faktoren (wie zum Beispiel die Einstrahlung der Sonne) sowie die oben beschriebenen Szenarien. Die Modelle berücksichtigen die komplexen Prozesse in der Atmosphäre und in den Ozeanen, wie Schneeschmelze, Eisgang und verschiedene Arten der Vegetation sowie in der Biosphäre. Dabei stellen sie das Geschehen in Form eines dreidimensionalen Gitters dar. Die räumliche Auflösung liegt bei etwa 100-200 km.

Regionale Klimamodelle berechnen die Entwicklung des Klimas für einen Ausschnitt der Erde, zum Beispiel Europa oder Deutschland. Dabei nutzen sie die Ergebnisse der Globalen Klimamodelle und verfeinern diese auf einem räumlich höher aufgelösten Gitter. Die Rasterweite liegt hier bei ca. 10-50 km. Dabei werden auch lokale Besonderheiten, wie zum Beispiel Gebirge, und deren Wirkung auf das Klima besser berücksichtigt.

Klimaprojektion

Klimaprojektionen sind das Ergebnis der Anwendung von Klimamodellen, die auf den Treibhausgasszenarien basieren. Projektionen sind „wenn-dann" Aussagen: wenn dieses Szenario eintrifft, dann könnte „das“ geschehen. Sie geben Auskunft über mögliche langfristige Entwicklungen des Klimas in der Zukunft (in 30 Jahren und darüber hinaus) und bilden eine wichtige Grundlage, um Informationen über Klimafolgen und mögliche Anpassungsoptionen zu gewinnen.

Eine genaue Prognose des in der Zukunft herrschenden Klimas ist aufgrund der genannten Unsicherheiten nicht realisierbar. Nur sogenannte Klimaprojektionen des zukünftigen Klimas sind auf Grundlage der Entwicklungsszenarien möglich.

Die zukünftige Entwicklung des Klimas ist damit abhängig von verschiedenen unsicheren Faktoren, wie zum Beispiel der Entwicklung der Menschheit, der Emissionen von Treibhausgasen und der natürlichen Prozesse wie zum Beispiel der Einfluss der Sonne, Vulkanausbrüche etc.

Abflussprojektion / Wasserhaushaltsmodellierung

Die Abflussprojektion ist die Abschätzung des zukünftigen Abflusses mit Hilfe der Klimamodelle auf Basis der vorgegebenen Szenarien. Die regionalen Klimaprojektionen dienen als Eingangsdaten für weitere Modellierungen der Auswirkungen des Klimawandels, zum Beispiel in Wasserhaushaltmodellen. Diese sogenannte Wirkungsmodellierung erlaubt Aussagen darüber, wie sich die Klimaveränderungen auf hydrologische Kenngrößen wie Hochwasser- oder Niedrigwasserabfluss auswirken.

Klimavorhersagen

Seit einigen Jahren gibt es neben den genannten Klimaprojektionen, welche eine Abschätzung der langfristigen Entwicklungen des Klimas darstellen, auch sogenannte Klimavorhersagen des Deutschen Wetterdienstes, welche eine grobe Tendenz der Klimaentwicklung über kürzere Zeiträume in der Zukunft wiedergeben (Wochen, Monate, Jahre). Diese Vorhersagen nutzen zum einen Informationen über den aktuellen Zustand der Atmosphäre (ähnlich wie bei Wettervorhersagen), zum anderen nutzen sie aber auch das „Gedächtnis“ weiterer Komponenten im Klimasystem, die langsamer auf Veränderungen reagieren bzw. mit dem Klimasystem interagieren (zum Beispiel Landoberflächen, Meereis, Ozeane). Mit Hilfe solcher Daten können auch entsprechende Einschätzungen der Entwicklungsrichtung von zum Beispiel Abflussverhältnissen in der näheren Zukunft erfolgen (zum Beispiel für eine Niedrigwasservorhersage).

KliBiW Vorgehensweise:

Das Projekt analysiert mögliche Klimafolgen in der Wasserwirtschaft auf Basis von verschiedenen Klimaszenarien. Die meisten Analysen betrachten ein „Weiter-wie-bisher"-Szenario (RCP8.5), bei dem zukünftig weltweit kaum Klimaschutz betrieben wird. Inzwischen wurde aber damit begonnen, auch ein Szenario mit erheblichen Bemühungen zum Klimaschutz (RCP 2.6) zu untersuchen. Anhand verschiedener Klimamodelle (sog. Ensembles) wird hierbei die Entwicklung von meteorologischen Indizes analysiert. Zusätzlich werden die Klimamodelldaten als Eingangsdaten in hydrologischen Modellen genutzt, um die Folgen des Klimawandels unter wasserhaushaltlichen Gesichtspunkten zu beleuchten.

Weitere Informationen zur Methodik erfahren Sie auf den KliBiW-Projektseiten.