Klimavorhersagen und Klimaprojektionen - Wie entstehen Aussagen über das zukünftige Klima? - Deutscher ...
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Klimavorhersagen und Klimaprojektionen Wie entstehen Aussagen über das zukünftige Klima?
2
Inhalt
Vorwort��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 5
Einführung: Das Klimasystem und seine Variabilität��������������������������������������������������������������� 6
Klimawandel – Der Mensch als Klimafaktor����������������������������������������������������������������������������� 8
Der IPCC-Sachstandsbericht��������������������������������������������������������������������������������������������������� 9
Die Klimaentwicklung in Deutschland ���������������������������������������������������������������������������������� 10
Attributionsforschung beim DWD ���������������������������������������������������������������������������������������� 11
Klimamodellierung��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 12
Der Blick in die Zukunft erfordert Szenarien möglicher Entwicklungen���������������������������������� 14
Klimaprojektionen für mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte������������������������������������������������ 16
Klimaprojektionen für Deutschland�������������������������������������������������������������������������������������� 18
Auswirkungen des Klimawandels auf Städte������������������������������������������������������������������������� 20
Klimavorhersagen von Wochen bis einigen Jahren���������������������������������������������������������������� 22
Immer aktuell - die dekadischen Klimavorhersagen für die nächsten zehn Jahre�������������������� 24
Saisonale Klimavorhersagen werden monatlich vom DWD veröffentlicht������������������������������� 26
Ein Ausblick auf die Witterungsentwicklung der nächsten Wochen���������������������������������������� 28
Klimaservices des DWD zu Klimavorhersagen und Klimaprojektionen����������������������������������� 30
Ausblick������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 33
3
4
Vorwort
Liebe Leserinnen und Leser,
der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt der Öffentlichkeit, der Wirtschaft und der Politik regelmä-
ßig aktualisierte Klimavorhersagen der nächsten Wochen, Monate und Jahre sowie Klimaprojek-
tionen für den Ausblick bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zur Verfügung. Die daraus abgeleiteten
Produkte und Informationen ermöglichen einen nahtlosen Blick in die klimatologische Zukunft und
unterstützen damit, gemeinsam mit anderen relevanten Rahmenbedingungen, evidenz-basierte
Planungen und Entscheidungen für Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel in unterschiedli-
chen Zeithorizonten.
Im Bereich der Klimatologie gibt es derzeit intensive Forschung und Entwicklung, um das Ver-
ständnis der vielen relevanten Prozesse innerhalb des Klimasystems und deren Wechselwirkun-
gen weiter zu verbessern sowie dieses bestmöglich in Modellen abzubilden. Auf allen Zeitskalen –
von Klimavorhersagen für die nächsten Wochen, Monate und Jahre bis zu den Klimaprojektionen
für die nächsten Jahrzehnte und Jahrhunderte – sowie allen räumlichen Skalen – von globaler, über
regionaler bis zu lokaler Auflösung – lässt sich die Qualität der aus den Klimasimulationen gene-
rierten Produkte und Vorhersagen durch eine weitere Verbesserung des Prozessverständnisses
und der anschließenden Überführung des neu generierten Wissens in ein Erdsystemmodell stei-
gern. Der DWD arbeitet deshalb mit vielen anderen wissenschaftlichen Einrichtungen auf natio-
naler und internationaler Ebene an der stetigen Verbesserung der Klimavorhersagen und Klima-
projektionen und der diesen Produkten zugrundeliegenden Modellen. Diese Anstrengungen haben
zum Zweck, unsere Nutzerinnen und Nutzer mit bestmöglichen, qualitätsgesicherten Klimainfor-
mationen auf aktuellem Stand der Wissenschaft zur zu erwartenden Klimazukunft zu versorgen.
Das Ziel der vorliegenden Broschüre ist, einen anschaulichen Beitrag zum Verständnis über das
Entstehen von Aussagen über das Klima der Zukunft und deren Interpretationsmöglichkeiten
zu leisten sowie einen Überblick über die Aktivitäten und Dienstleistungen des DWD in diesem
Bereich zu geben.
Tobias Fuchs
Vorstand Klima und Umwelt des Deutschen Wetterdienstes
5
Einführung: Das Klimasystem und seine Variabilität Das Klima ist definiert als eine Zusammenfassung der Wettererscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre über einen hinreichend langen Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem mehr oder weniger großen Gebiet charakterisieren. Es gibt vielfältige Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und der Hydrosphäre (Ozeane, Flüsse, Seen), der Biosphäre (Fauna, Flo- ra), der Lithosphäre (feste, unbelebte Erde) und der Kryosphäre (Eis, Gletscher, Permafrost). Die Gesamtheit dieser Komponenten wird Klimasystem genannt. 6
▲ Komponenten des Klimasystems.
Der Hauptantrieb des Klimasystems der Erde ist die an, die Eisschilde und der Boden sind trägere Kompo-
eintreffende Sonnenstrahlung. Diese wird teilweise in nenten des Klimasystems, da sie Reaktionszeiten von
der Atmosphäre und dem Erdboden in Wärmestrah- Jahrhunderten bis Jahrtausenden unterliegen.
lung umgewandelt und erwärmt die bodennahe Luft-
Die Klimavariabilität beinhaltet Schwankungen um
schicht auf etwa -18 °C. Ein Teil der Wärmestrahlung
mittlere klimatische Zustände auf unterschiedlichen
wird wieder in den Weltraum reflektiert. Der andere
Zeitskalen. Neben den kurzfristigen Reaktionen des
Teil wird durch bestimmte Gase in der Atmosphäre
Klimasystems, wie z. B. Tages- und Jahresgang, gibt
gehalten und erwärmt diese. Diesen Prozess bezeich-
es Schwankungen mit längeren Perioden. Ein Beispiel
net man als Treibhauseffekt. Der natürliche Treib-
dafür ist die Nordatlantische Oszillation (NAO). Die
hauseffekt ist im Wesentlichen verursacht durch den
NAO beschreibt den Luftdruckunterschied zwischen
atmosphärischen Wasserdampf. Er führt zu einer mitt-
den Azoren und Island.
leren globalen Temperatur der Erde von knapp 15 °C
und ermöglicht damit das Leben auf der Erde. Die- Eine große Luftdruckdifferenz zwischen Island-Tief
ses natürliche Gleichgewicht wird durch die Emission und Azoren-Hoch und damit eine stark ausgeprägte
anthropogener Treibhausgase gestört. Der anthro- NAO führt zu einem großen Einfluss des Nordatlan-
pogene Treibhauseffekt führt zu einer zusätzlichen tiks auf die Witterung in Europa mit starken West-
Erwärmung der Atmosphäre. Dabei spricht man von winden, milden Wintern und hohem Niederschlag. Bei
Klimawandel. eher schwach ausgeprägter NAO sind regionale Ein-
flüsse deutlich merkbarer.
Die einzelnen Komponenten des Klimasystems, wie
Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Biosphä- Das Klimasystem ist ein offenes System. Das bedeutet,
re, stehen miteinander im Austausch. Die Wechselwir- es wird auch von externen Faktoren beeinflusst, wie
kungen zeigen sich auf unterschiedlichen Zeitskalen. z. B. von Vulkanausbrüchen, Schwankungen der Son-
nenaktivität und Änderungen der Erdbahnparameter.
Der untere Teil der Atmosphäre, in der das Wetter-
Hinzu kommen die vom Menschen verursachten Ein-
geschehen stattfindet, reagiert sehr schnell in einem
griffe in die Zusammensetzung der Atmosphäre und
Zeitraum von Minuten bis Tagen auf Veränderungen
Landnutzung.
und weist die größte Variabilität auf. Der tiefe Oze-
7
Klimawandel – Der Mensch als Klimafaktor
Klimaänderungen können auf natürliche sowie auf menschliche Einflüsse zurückgeführt werden.
Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben sich die oberflächennahen Luftschichten der Kontinente
und Ozeane der Erde deutlich erwärmt. Der Klimawandel zeigt sich in den letzten Jahrzehnten
unter anderem in der Zunahme von heißen Temperaturextremen, dem stetigen Anstieg des
Meeresspiegels und der mancherorts veränderten Häufigkeit von extremen Niederschlägen.
Anthropogene Aktivitäten sind hierfür die Hauptursache. Wesentlich ist dabei vor allem der von
Menschen verursachte Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen seit der vorindustriellen Zeit
durch verstärkte Kohlendioxid- und andere Emissionen aus Industrie, Verkehr, Landwirtschaft
und Haushalten. Ferner haben Veränderungen in der Landnutzung, z. B. durch Abholzung und
Versiegelung des Bodens, einen bedeutsamen Einfluss auf das Klima.
Das Klima wird durch statistische Eigenschaften (u. a. ten Jahrzehnten und Jahrhunderten wurden Emissi-
Mittelwerte, Extremwerte, Häufigkeiten) der Klima- ons- und Landnutzungsszenarien entwickelt, die den
elemente über einen genügend langen Zeitraum Einfluss des Menschen und mögliche Entwicklungen
beschrieben. Gemäß den Empfehlungen der Weltor- der Treibhausgaskonzentrationen berücksichtigen.
ganisation für Meteorologie (WMO) ist es üblich, zur Es wurde beispielsweise ein Szenario entwickelt, das
Erfassung des Klimas und seiner Änderungen einen eine Welt beschreibt, in der die Energieversorgung im
Zeitraum von 30 Jahren zu verwenden, um den Ein- Wesentlichen auf der Nutzung fossiler Energie beruht
fluss der natürlichen Variabilität bei der statistischen (Weiter-wie-bisher-Szenario, kurz RCP8.5). Ein ande-
Betrachtung des Klimas auszuklammern. Der aktuel- res Szenario beschreibt eine Welt, bei der die globa-
le 30-jährige Zeitraum umfasst die Jahre 1991–2020. le Erwärmung bis 2100 auf unter 2 °C gegenüber dem
Für die Bewertung des Klimawandels wird weiterhin vorindustriellen Niveau beschränkt werden kann (Kli-
die WMO-Referenzperiode 1961–1990 verwendet und maschutz-Szenario, kurz RCP2.6).
mit Messdaten der jüngeren Vergangenheit vergli-
Der Klimawandel wirkt sich auf das gesamte Ökosys-
chen. Zur Abschätzung des Klimatrends in den nächs-
tem aus. Die Erderwärmung verändert die gesamte
atmosphärische Zirkulation. Das wiederum bewirkt
u. a. eine Veränderung der Niederschlagsverteilung.
Abschmelzende Eismassen von Gletschern und pola-
rem Eis führen u. a. zu einem Anstieg des Meeresspie-
gels. Vegetationszonen verschieben sich.
Nach aktuellen Beobachtungen schreitet die Erwär-
mung in der Arktis schneller voran als in anderen
Regionen der Erde. Wenn das arktische Meereis
schwindet, erhitzt sich die Atmosphäre stärker, da
weniger (helle) Eisflächen das Sonnenlicht zurückwer-
fen und an deren Stelle die dunklere Meeresoberflä-
che tritt. Dadurch wird mehr Sonnenlicht absorbiert.
8
Der IPCC-Sachstandsbericht
Der zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate
Change, IPCC) wird auch als Weltklimarat bezeichnet und arbeitet unter dem Dach der Vereinten
Nationen. Er wurde 1988 vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) und der
Weltorganisation für Meteorologie (WMO) ins Leben gerufen.
Erwärmung ist in über
2000 Jahren beispiellos
Wärmster mehrere Jahrhun- beobachtet
derte langer Zeitraum in den
letzten 100.000 Jahren. simuliert
menschlich &
natürlich
beobachtet
simuliert
nur natürlich
(Sonne & Vulkane)
rekonstruiert
▲ Der Einfluss des Menschen hat das Klima in einem Maße erwärmt, wie es seit mindestens 2000 Jahren nicht mehr der Fall war.
Die Abbildung zeigt die Änderungen der globalen Oberflächentemperatur gegenüber 1850–1900. Linker Teil: Änderung der globalen Oberflä-
chentemperatur wie rekonstruiert (1–2000) und beobachtet (1850–2020). Rechter Teil: Änderung der globalen Oberflächentemperatur im Zeit-
raum 1850 - 2020 wie beobachtet (schwarze Linie) und auf Basis menschlicher & natürlicher (beige Linie und Bereich) beziehungsweise nur
natürlicher (grüne Linie und Bereich) Faktoren simuliert. Quelle: IPCC AR6 (2021), Abb. SPM.1.
Der Weltklimarat hat die Aufgabe, den Stand der wis- für die jeweils eine Arbeitsgruppe (WG) zuständig ist,
senschaftlichen Forschung zum Klimawandel für poli- und einem übergreifenden Synthesebericht:
tische Entscheidungsträger zusammenzufassen, um
◆ WG I – Naturwissenschaftliche Grundlagen
darauf aufbauend Grundlagen für wissenschaftsba-
des Klimawandels (Veröffentlichung im August
sierte Entscheidungen zu bieten. Darüber hinaus soll
2021)
der internationale Forschungsstand über die Aus-
wirkungen der globalen Erwärmung und seine Risi- ◆ WG II – Folgen des Klimawandels, Verwundbar-
ken sowie Minderungs- und Anpassungsstrategien keit und Anpassung (geplante Veröffentlichung
zusammengetragen und aus wissenschaftlicher Sicht im Februar 2022)
bewertet werden. Dazu beruft der IPCC hunderte Wis- ◆ WG III – Minderung des Klimawandels (geplante
senschaftler aus aller Welt. Diese tragen alle Erkennt- Veröffentlichung im März 2022)
nisse der Klimaforschung zu den sogenannten Sach-
standsberichten des IPCC zusammen. Bisher hat der ◆ Synthesebericht – wichtigste Aussagen der drei
IPCC fünf vollständige Sachstandsberichte und mehr WG-Bände und der drei aktuellen Sonderberich-
als zehn Sonderberichte sowie Richtlinien für die te: 1,5 °C globale Erwärmung, Ozean und Kryo-
Erstellung von Treibhausgasinventaren veröffentlicht. sphäre, Klimawandel und Landsysteme (geplante
Veröffentlichung im September 2022).
Der Sechste IPCC-Sachstandsbericht (AR6) wird
2021/2022 fertiggestellt und besteht aus drei Bänden,
9
Die Klimaentwicklung in Deutschland
Für Deutschland sind seit dem Jahr 1881 ausreichend Daten vorhanden, um Veränderungen des
Klimas zu bestimmen. Auf dieser Basis lassen sich die mittleren Verhältnisse für die Temperatur
und den Niederschlag bis zum Ende des 19. Jahrhunderts zurückverfolgen.
Temperatur
Das Jahresmittel der Lufttemperatur ist im Flä- Demgegenüber nahm die mittlere Anzahl der Eistage
chenmittel von Deutschland von 1881 bis 2020 sta- (Tagesmaximum der Lufttemperatur unter 0 °C) im
tistisch gesichert um 1,6 °C angestiegen. Neun der gleichen Zeitraum von 28 auf 19 Tage pro Jahr ab.
zehn wärmsten Jahre seit 1881 in Deutschland sind
nach dem Jahr 2000 aufgetreten. Die Temperaturen Niederschlag
in Deutschland sind damit deutlich stärker gestiegen Im Gegensatz zur Temperaturentwicklung weisen die
als im weltweiten Durchschnitt (etwa 1 °C). Dies liegt Änderungen des Niederschlags in Deutschland insbe-
darin begründet, dass sich die Landregionen generell sondere jahreszeitlich, aber auch räumlich deutliche
schneller erwärmen als die Meere. Die Geschwindig- Unterschiede auf. Während die mittleren Regenmen-
keit des Temperaturanstiegs in Deutschland (wie auch gen im Sommer weitestgehend unverändert geblieben
weltweit) hat in den vergangenen 50 Jahren deutlich sind, ist es insbesondere im Winter signifikant feuch-
zugenommen. ter geworden. Die Anzahl aufeinanderfolgender Tro-
ckentage hat vor allem im Sommer zugenommen. Dies
Die Anzahl "Heiße Tage" (Tagesmaximum der Luft-
hat zur Folge, dass sich die Häufigkeit von Trocken-
temperatur mindestens 30 °C) – über ganz Deutsch-
phasen erhöht hat.
land gemittelt – hat sich seit den 1950er Jahren von
etwa drei Tagen pro Jahr auf derzeit durchschnittlich Weitere Informationen zum beobachteten Klimawan-
neun Tage pro Jahr verdreifacht. Auch markante Hit- del in Deutschland sind auf der DWD-Website zu fin-
zeperioden nahmen in diesem Zeitraum sowohl in der den.
Häufigkeit als auch in der Intensität zu.
Temperaturanomalie
Deutschland Jahr
1881 - 2020
Referenzzeitraum 1961 - 1990
2
Temperaturanomalie [°C]
1
0
-1
-2
1890 1920 1950 1980 2010
positive vieljähriger Mittelwert (1961 - 1990): 8,2 °C
negative Anomalie linearer Trend (1881 - 2020): +1,6 °C
▲ Abweichung des Jahresmittels der Lufttemperatur für Deutschland vom vieljährigen Mittel 1961-1990 für den Zeitraum 1881-2020.
10Attributionsforschung beim DWD
Treten als Folge des Klimawandels häufiger extreme Wetterereignisse auf? Dieser Frage geht die
noch junge Disziplin der Attributionsforschung nach.
Infolge menschlichen Handelns steigen weltweit die
Lufttemperaturen. Damit gehen Änderungen in der
Zirkulation einher. Aufgrund dessen erwarten Klima-
forschende eine Veränderung der Eintrittswahrschein-
lichkeit meteorologischer Extremereignisse.
Mit Attributionsstudien lässt sich abschätzen, inwie-
weit der vom Menschen verursachte Klimawandel für
eine geänderte Eintrittswahrscheinlichkeit individu-
eller Wetter- oder Klimaextreme verantwortlich ist.
Daneben sind noch weitere Faktoren für das tatsächli-
che Auftreten von Extremereignissen mitverantwort-
lich und beeinflussen deren Häufigkeit und Intensi-
tät, so dass es trotz des anthropogenen Klimawandels ▲ Darstellung zweier Welten. Mit (links) und ohne (rechts) menschli-
nicht zwingend zu einer Zunahme der Häufigkeit sol- chen Einfluss. © Hanna Luca
cher Ereignisse kommen muss.
Für den notwendigen Vergleich zwischen dem Klima neueste Generation der so genannten konvektionser-
der Vergangenheit, den aktuellen sowie den zukünf- laubenden regionalen Klimamodelle in der Lage, die-
tig möglichen klimatischen Verhältnissen werden Kli- se realistisch abzubilden. Derartige Modellrechnun-
masimulationen benötigt. Sämtliche Simulationen des gen sind rechenzeittechnisch extrem aufwändig und
vergangenen Klimas werden gleich zweimal durchge- erfordern somit entsprechende Computerressourcen,
führt: Der erste Satz an Klimasimulationen beschreibt sowie viel Zeit.
eine Welt unter Verwendung aller bekannten natürli-
Der DWD erstellt Klimasimulationen mit dem Erdsys-
chen und durch den Menschen geänderten Klimaan-
temmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie
triebe, der zweite Satz dagegen beschreibt eine Welt,
(MPI-ESM), verwendet sie für die Attributionsstudien
in der ausschließlich natürliche Klimaantriebe (z. B.
und stellt sie außerdem der Forschung zur Verfügung.
Vulkanausbrüche, Änderung der solaren Einstrah-
lung) berücksichtigt werden, aber keine vom Men- Da das Interesse der Öffentlichkeit an den Ergebnis-
schen veränderte Antriebe (z. B. Ausstoß von Treib- sen von Attributionsanalysen unmittelbar nach einem
hausgasen wie Kohlendioxid). Extremereignis am größten ist, strebt der DWD die
Automatisierung dieser Analysen an, um innerhalb
Hierdurch lässt sich eine Welt mit klimatischen Ver-
kurzer Zeit das Ergebnis zu erhalten. Im Rahmen des
hältnissen simulieren, wie sie sich wahrscheinlich
vom Bundesministerium für Bildung und Forschung
ohne den Einfluss des Menschen entwickelt hätte.
(BMBF) geförderten Projektes „Klimawandel und Ex-
Eine Voraussetzung für die Ableitung belastbarer Aus-
tremereignisse (ClimXtreme)“ wird vom DWD an der
sagen zur Attribution ist neben einer ausreichenden
Automatisierung der Durchführung von Attributions-
Anzahl an Simulationsjahren die Fähigkeit der einge-
analysen gearbeitet. Der Fokus des Projekts liegt auf
setzten Klimamodelle, die zu untersuchenden Extrem-
der Attribution von Hitzewellen, Dürreperioden und
ereignisse realitätsgetreu abzubilden. Insbesondere
großräumigen Extremniederschlägen.
in Bezug auf die Simulation kleinräumiger Phänome-
ne, wie z. B. von Gewittern mit Starkregen, ist erst die
11Klimamodellierung
Für die Betrachtung des zukünftigen Klimas wurden anfangs häufig Beobachtungswerte aus
der Vergangenheit verwendet und diese für die Zukunft fortgeschrieben. Durch die sich derzeit
vollziehende Klimaänderung ist eine derartige Vorgehensweise jedoch nicht mehr möglich. Für
Klimasimulationen in die Zukunft werden daher bereits seit den 1960er Jahren Klimamodelle
eingesetzt.
Globale Klimamodelle
Aussagen über das weltweite Klima der Zukunft kön-
nen durch globale Klimamodelle getroffen werden. In
den Anfängen der Klimamodellierung der 1960er Jah-
re wurden stark vereinfachte Modelle der Dynamik
von Atmosphäre und Ozean entwickelt. Mit der rasan-
ten Entwicklung im Bereich der Hochleistungsrechner
und dem zunehmenden Verständnis des Klimasystems
und seiner Wechselwirkungen nahm auch die Komple-
xität der Klimamodelle zu. Mittlerweile umfassen glo-
bale Klimamodelle neben Atmosphäre und Ozean auch
Hydrosphäre, Biosphäre und Kryosphäre und werden
daher auch Erdsystemmodelle genannt.
Klimamodelle basieren auf physikalischen Gleichun- ▲ ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic modelling framework) ist das
gen zur Impuls-, Energie- und Massenerhaltung. Diese vom Deutschen Wetterdienst und dem Max-Planck-Institut für Meteo-
rologie entwickelte Modell. Es berechnet Wetterprognosen und soll
Gleichungen werden zunächst so vereinfacht, dass sie
zukünftig auch für die Klimamodellierung Anwendung finden.
für diskrete Gitterpunkte gültig sind. Das Klimasys-
tem wird mit einer großen Anzahl solcher Gitterpunk- metrisierung genannt, und stellt eine Annäherung an
te überzogen, um alle drei Raumdimensionen einzu- reale Prozesse dar, die das Klimamodell mit den dis-
beziehen. Der Abstand der Gitterpunkte zueinander kretisierten Gleichungen allein nicht darstellen kann.
bestimmt die räumliche Auflösung des Klimamodells. Klimamodelle sind im Gegensatz zum natürlichen
Wegen der Vielzahl an Gitterpunkten werden die Glei- Klimasystem geschlossene Systeme. Sie können nur
chungen mit Hilfe von Supercomputern für jeden Git- Zusammenhänge und Wechselwirkungen von Kompo-
terpunkt des globalen Gitternetzes gelöst. nenten darstellen, die in den Modellen abgebildet sind.
Für Prozesse, die durch die Modellauflösung nicht Die Auflösung globaler Klimamodelle (mit Gitterab-
abgebildet werden können (z. B. bestimmte Wellen, ständen von derzeit mehr als 100 km) reicht noch nicht
Turbulenz oder Konvektion) müssen Annahmen getrof- aus, um die Unterschiede in den Ausprägungen des
fen werden. Das geschieht oft unter Verwendung von Klimawandels in einer Region der Erde (z. B. Europa,
Messungen, aus denen empirische Zusammenhänge Deutschland) detailliert zu beschreiben.
abgeleitet werden. Diese Vorgehensweise wird Para-
12Regionale Klimamodelle
Hierfür werden regionale Klimamodelle mit einem
viel engmaschigeren Netz von Gitterpunkten für
bestimmte Regionen (z. B. Kontinente) eingesetzt.
Weltweit gibt es eine Reihe verschiedener
regionaler, dynamischer Klimamodelle, die
alle mit den Ergebnissen der globalen Kli-
mamodelle angetrieben werden. In den
regionalen Modellen kann die Gitter-
weite bis auf horizontale Abstände von
1-20 km verringert werden, wodurch
mehr Prozesse direkt von den – dem
Modell zugrunde liegenden – Glei-
chungen abgebildet und weniger
Prozesse parametrisiert werden.
Neuerdings gibt es auch globale
Modelle, die lokal eine Gitterverfei-
nerung, z. B. über Europa, nutzen.
Ein anderer Ansatz zur Verfeinerung
globaler Informationen verwendet auf
beobachteten Zeitreihen basierende sta-
tistische Methoden zur Übertragung von
großräumiger Information auf die lokale
Skala. Sie wird als empirisch-statistisches
Downscaling bezeichnet. Die detektierten sta-
tistischen Zusammenhänge werden genutzt, um
eine Vielzahl von Datensätzen der globalen Klimasi-
mulationen mit geringem Rechenzeitaufwand für loka-
le Anwendungen in Deutschland zu verfeinern.
COSMO-CLM2,3 und ICON-CLM4. Diese Modelle wer-
Klimasimulationen den für Simulationen des jetzigen und zukünftigen
Klimas und dessen Änderungen speziell für verschie-
Mit den oben beschriebenen Modellen werden Simula-
dene Anwendungen in Deutschland betrieben. Dabei
tionen durchgeführt, um das Geschehen im Klimasys-
liegt aktuell ein Fokus auf der sehr hochaufgelösten
tem modellhaft darzustellen. Je näher die Vorhersage
Skala, d. h. Gitterweiten von unter 3 km. Dadurch wer-
dem Startzeitpunkt ist, desto größer ist der Einfluss
den kleinräumige und extreme Ereignisse besser dar-
des aktuellen Zustands des Klimasystems. Bei länger
gestellt. Seit einigen Jahren wird vom DWD die empi-
andauernden Klimasimulationen nimmt der Einfluss
risch-statistische Regionalisierungsmethode
des Anfangszustands ab. Eine wichtigere Rolle nimmt
EPISODES entwickelt. Mit dieser Methode werden
dann der Einfluss der Erdbahn um die Sonne (Jahres-
Datensätze von Klimavorhersagen und Klimaprojekti-
zeiten), die Zusammensetzung der Atmosphäre mit
onen auf eine räumliche Auflösung von 5 bzw. 12 km
Treibhausgasen (Jahrhunderte) oder die Planetenkon-
übertragen.
stellation (Jahrtausende) ein.
Ein neues Produkt des DWD ist eine hochaufgelöste
DWD-Aktivitäten im Bereich der Klimamodellierung Klimasimulation (Gitterweite von 3 km) für den Zeit-
In enger Zusammenarbeit von Max-Planck-Institut für raum 1970–2020. Diese Klimasimulation wurde unter
Meteorologie und DWD wurde in den vergangenen Verwendung einer globalen Nachberechnung des Wet-
Jahren das Modell ICON1 entwickelt, welches am DWD tergeschehens (Reanalyse) erstellt. Die Daten dieser
für die operationelle Wettervorhersage eingesetzt Simulation stehen demnächst über das ESGF-Portal5
wird. Dieses soll zukünftig auch für Klimavorhersagen zur allgemeinen Nutzung zur Verfügung.
und -projektionen Anwendung finden. Darüber hinaus
1
ICON - ICOsahedral Nonhydrostatic modelling framework
beteiligt sich der DWD bereits seit einigen Jahren an 2
COSMO - Consortium for Small-scale Modeling
der Weiterentwicklung der regionalen Klimamodelle 3
COSMO-CLM - COSMO model in CLimate Mode
4
ICON-CLM - ICON model in CLimate Mode
5
ESGF – Earth System Grid Federation
13Der Blick in die Zukunft erfordert Szenarien
möglicher Entwicklungen
Zur Einschätzung der zu erwartenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Änderungen in den
kommenden Jahrzehnten werden Szenarien entwickelt. Mit diesen Szenarien werden Verände-
rungen der Landnutzung und der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration der Atmosphäre
abgebildet. Für die so getroffenen Annahmen liefert eine Klimaprojektion Informationen über den
zukünftigen Zustand des Klimasystems.
Klimaszenarien im Fünften Sachstandsbericht
Bei den im Fünften Sachstandsbericht verwende- Klimaszenarien im Fokus: RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0
ten Klimaszenarien handelt es sich um repräsentati- und RCP8.5. Sie bilden die Grundlage zur Abschät-
ve Konzentrationspfade (RCPs: Representative Con- zung der Bandbreite zukünftiger Klimaänderungen.
centration Pathways), welche sehr unterschiedliche Die Ziffern in den Szenariennamen repräsentieren
sozioökonomische Entwicklungen und, damit verbun- den unter den jeweiligen Annahmen zu erwartenden
den, unterschiedliche Auswirkungen auf den Strah- zusätzlichen Strahlungsantrieb am Ende des 21. Jahr-
lungshaushalt der Erde bzw. deren Energiehaushalt hunderts, also die dem Klimasystem zusätzlich zuge-
repräsentieren. Diese werden im Wesentlichen auf führte Energie (z. B. 8,5 Watt pro Quadratmeter
unterschiedliche zukünftige Änderungen der Treib- (W/m²) bei RCP8.5 im Jahr 2100 gegenüber den Jahren
hausgasemissionen zurückgeführt. Dabei stehen vier 1861–1880).
Kohlendioxid (Gt CO2 pro Jahr) Ausgewählte Beiträge zu Nicht-CO2-Treibhausgasen
Methan (Mt CH4 pro Jahr)
Lachgas (Mt N2O pro Jahr)
Ein Luftverschmutzungs- und Aerosolbeitrag
Schwefeldioxid (Mt SO2 pro Jahr)
▲ Zukünftige Emissionen verursachen zukünftige zusätzliche Erwärmung, wobei die Gesamterwärmung von vergangenen und zukünftigen
CO2-Emissionen dominiert wird. Zukünftige jährliche CO2-Emissionen (links) und Emissionen wichtiger Nicht-CO2-Antriebsfaktoren (rechts) über
fünf illustrative Szenarien. Quelle: IPCC AR6 (2021), Abb. SPM.4a (Auszug).
14Klimaszenarien im Sechsten Sachstandsbericht
Für den Sechsten Sachstandsbericht des Weltklima-
rats werden Szenarien verwendet, die basierend auf
den RCPs jeweils mit einem passenden sozioökono-
mischen Entwicklungspfad (SSP: Shared Socioecono-
mic Pathway) verknüpft sind. Diese SSPs beschrei-
ben einen nachhaltigen (SSP1) und mittleren (SSP2)
Weg sowie einen Weg regionaler Rivalitäten (SSP3)
und fossiler Entwicklung (SSP5). In Kombination mit
den RCPs werden im 6. Sachstandsbericht des Welt-
klimarats fünf dieser Szenarien mit höherer Priorität
betrachtet: SSP1-1.9 und SSP1-2.6 sind Szenarien, wel-
che die globale Erwärmung entsprechend des Pariser
Klimaabkommens bis zum Jahr 2100 auf unter 1,5 °C
bzw. 2 °C über dem vorindustriellen Niveau begren-
zen. Die Szenarien SSP2-4.5 und SSP3-7.0 beschrei-
ben unterschiedliche, moderate Emissionswege. Die
stärkste Beeinflussung durch den Menschen wird
durch das SSP5-8.5 Szenario beschrieben. Hier wird
davon ausgegangen, dass jeder weitere Gewinn an hausgasen aus der Atmosphäre notwendig. Bei einer
Lebensstandard durch die Nutzung fossiler Energie- trägeren Einführung von Klimaschutzmaßnahmen
träger erreicht wird. (SSP2-4.5) oder der weiteren Nutzung fossiler Brenn-
stoffe (SSP5-8.5) wird die globale Erwärmung deutlich
Auswirkungen der Treibhausgase stärker ausfallen. Die Ergebnisse der Klimamodelle
Je nachdem, wie hoch die globale Emission von Treib- weisen darauf hin, dass sich die Auswirkungen der Kli-
hausgasen, wie z. B. Kohlendioxid und Methan, für mapolitik erst mit etwa 15 bis 20 Jahren Verzögerung
zukünftige Zeiträume angenommen wird, ändert sich zeigen. Insbesondere die – im Vergleich zu natürlichen
ihre Konzentration in der Atmosphäre. Klimamodel- Klimaschwankungen – hohe Geschwindigkeit der Kli-
le erlauben, die Auswirkungen dieser Szenarien auf maänderung führt in vielen Bereichen, beispielsweise
die Entwicklung des Klimas zu simulieren. Dabei zeigt der Biodiversität, zu großen Problemen.
sich, dass die unterschiedlichen Treibhausgaskonzen-
Aus den unterschiedlichen Modellergebnissen lässt
trationen der Szenarien im Ergebnis der Klimaprojek-
sich ableiten, dass jede Tonne Treibhausgase, die nicht
tionen zu unterschiedlichen globalen Temperaturen
in die Atmosphäre emittiert wird, einen wichtigen Bei-
im Verlauf des 21. Jahrhunderts führen. Somit lässt
trag zur Begrenzung der globalen Erwärmung leistet.
sich mit diesen unterschiedlichen Szenarien modellie-
Daher sind alle Menschen in der Verantwortung, ihren
ren, wie sich die Welt erwärmen könnte, wenn mehr
Beitrag zu leisten.
oder weniger klimapolitische Maßnahmen ergriffen
werden. Die geringste Erwärmung ist bei rigoroser
Reduktion des Material- und
Energieverbrauchs bei zügigem
Wechsel zu erneuerbaren Ener-
giequellen zu erwarten. Um das
Erwärmungsziel des SSP1-1.9
Szenarios zu erreichen, ist dar-
über hinaus ab etwa Mitte des
Jahrhunderts eine verstärkte
aktive Entfernung von Treib-
▲ Aktivitäten des Menschen wirken sich auf alle wichtigen Komponenten des Klimasystems aus,
wobei einige über Jahrzehnte und andere über Jahrhunderte reagieren. Änderung der globalen
Oberflächentemperatur gegenüber 1850–1900. Quelle: IPCC AR6 (2021), Abb. SPM.8a (Auszug).
15Klimaprojektionen für mehrere Jahrzehnte
bis Jahrhunderte
Bei längeren Klimasimulationen über mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte sind Randbedingungen
des Klimasystems von großer Bedeutung. Zu den Randbedingungen zählen neben natürlichen Ein-
flussgrößen wie z. B. Schwankungen der Solarkonstante und durch Vulkanausbrüche freigesetztes
Aerosol auch die anthropogenen Eingriffe in das Klimasystem, wie die Emission von Treibhausga-
sen und Eingriffe in die Landnutzung. Diese werden durch Klimaszenarien beschrieben.
Internationale Aktivitäten zur Erstellung von Klimaprojektionen
Weltweit werden globale Klimaprojektionen im Rah- weite von etwa 50 km und 12,5 km vor. Die Ergebnis-
men von CMIP (Coupled Model Intercomparison Pro- se der Projektionen werden häufig in Form von Abwei-
ject) koordiniert und erstellt. CMIP ist ein Projekt des chungen von einem Bezugszeitraum angegeben. Die
globalen Klimaforschungsprogramms WCRP (World Abweichungen werden auch als Klimaänderungssignal
Climate Research Programme) der Weltorganisation bezeichnet.
für Meteorologie (WMO).
Der DWD widmet sich vor allem den regionalen Klima-
Darüber hinaus werden weltweit regionale Klimapro- projektionen mit dem Fokus auf Europa und Deutsch-
jektionen durch die CORDEX (Coordinated Regional land. Dazu werden weltweit verfügbare Daten der
Climate Downscaling Experiment) Initiative des WCRP jeweils aktuellsten Klimaprojektionen gesammelt, aus-
koordiniert und erstellt. Für Europa liegen aktuell eine gewertet und den Nutzerinnen und Nutzern zur Verfü-
Vielzahl von Simulationen mit einer räumlichen Gitter- gung gestellt.
16Ensemblebetrachtungen
Um Unsicherheiten abzuschätzen, die durch das chao-
tische Verhalten des Klimasystems und die in Model-
len nicht ausreichend oder fehlerhaft beschriebenen
Prozesse entstehen, werden heute in vielen Anwen-
dungen Ensemblerechnungen durchgeführt. Dies
bedeutet, dass Klimasimulationen für den gleichen
Zeitraum mit leicht unterschiedlichen Anfangsbedin-
gungen oder modifizierten Modellparametern mehr-
mals berechnet werden und somit eine Lösungsvielfalt
entsteht. Mit einem einzelnen Modell bekommt man ▴ Illustration eines Ensembles.
dadurch verschiedene Realisierungen, so dass die
Beispiel Emissionsszenarien) als nicht ausreichend
Bandbreite der Ergebnisse analysiert werden kann.
herausstellen. Die aus der Analyse von Ensembles
Durch die Auswertung eines solchen Ensembles von
resultierenden Änderungen müssen daher immer als
Klimasimulationen können also Aussagen über die
Teilmenge der in der Natur möglichen Veränderungen
Bandbreite möglicher zukünftiger Entwicklungen des
interpretiert werden.
Klimasystems getroffen werden.
Um auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Evaluierung der Modellergebnisse
Modellen bzw. Modellketten berücksichtigen zu kön- Um eine Einschätzung der Verlässlichkeit eines Kli-
nen, verwendet man sogenannte Multi-Modell-Ensem- mamodells zu bekommen, ist es nötig, Zeiträume in
bles. Dabei ist wichtig, möglichst viele verschiedene der Vergangenheit zu simulieren und die statistischen
Modellergebnisse miteinander zu kombinieren, um die Eigenschaften der Modellergebnisse mit denen der
wegen unterschiedlicher Modellentwicklungen beste- Beobachtungen zu vergleichen. Hierfür ist eine gute
hende Bandbreite bestimmen und abdecken zu kön- Datenbasis an Beobachtungen erforderlich.
nen.
Darüber hinaus ist wesentlich, ob ein Klimamodell in
Auch bei der Auswertung von Ensembles muss der Lage ist, die sogenannte Klimasensitivität rea-
bedacht werden, dass nie sämtliche Einflüsse und listisch zu reproduzieren. Unter Klimasensitivität ver-
Unsicherheiten innerhalb des Klimasystems berück- steht man in der Regel die Erwärmung der Atmosphä-
sichtigt werden können. Ebenso kann sich die Band- re in Folge einer Verdopplung der Kohlendioxidkon-
breite angenommener Voraussetzungen (wie zum zentration in der Atmosphäre.
▲ Schematische Darstellung von Klimaprojektionen: Die schwarze Linie beschreibt die natürliche Klimaschwankung eines Erdsystemmodells
(ESM) im Gleichgewicht. Das ist der sogenannte Kontrolllauf ohne anthropogene Einflussfaktoren. Die schwarzen Punkte repräsentieren unter-
schiedliche Startzeitpunkte für die historischen Läufe. Ab diesen Startzeitpunkten wird das Gleichgewicht des Klimasystems durch Verände-
rung der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre gestört. Die unterschiedlichen Anfangsbedingungen hervorgerufen durch die Varia-
bilität des Klimas führen zu unterschiedlichen Realisierungen, die die Bandbreite für verschiedene zukünftige Klimaentwicklungen innerhalb
eines Szenarios repräsentieren. Typischerweise liegen zwischen den Startzeitpunkten etwa 50 Jahre.
17Klimaprojektionen für Deutschland
Klimamodelle sind in der Lage, das Klima der Zukunft mit Hilfe von Szenarien zu projizieren. Mit
ausreichend großen Ensembles von Klimaprojektionen, welche in Zusammenarbeit mit einer Viel-
zahl an Institutionen weltweit zur Verfügung gestellt werden, ist es möglich, statistische Aussagen
über mögliche zukünftige Klimazustände zu treffen. Solche Ensembleauswertungen bilden zum
Beispiel die Grundlage für den Deutschen Klimaatlas des DWD. Ferner trägt der DWD zur Weiter-
entwicklung der Regionalisierungsmethoden bei, um die Auswirkungen eines veränderten Weltkli-
mas auf die klimatischen Verhältnisse z. B. in Deutschland besser zu beschreiben.
DWD-Aktivitäten im Bereich der Klimaprojektionen
Die internationalen Aktivitäten zur Bereitstellung von ten für Wirkmodelle zu gewährleisten. Das Referenz-
Klimaprojektionen werden national durch verschiede- Ensemble kann im Klimaatlas interaktiv visualisiert
ne Forschungsprojekte unterstützt. werden. Hier können verschiedene Klimaszenarien
oder Klimaelemente ausgewählt werden. Für auf-
Die globalen Klimaprojektionen, die in Sachstandsbe-
wändigere Wirkmodelle ist es jedoch nicht möglich,
richten des Weltklimarats Berücksichtigung finden,
alle Klimaprojektionen des Referenz-Ensembles als
werden durch den DWD systematisch für Deutsch-
Antrieb zu verwenden. Für diesen Fall stellt der DWD
land ausgewertet und durch regionale Klimaprojektio-
das DWD-Kern-Ensemble zur Verfügung. Für jedes
nen ergänzt. Zusätzlich werden Klimaprojektionen mit
Szenario werden fünf bis sechs Simulationen aus dem
sehr hoher räumlicher Auflösung (etwa 3 km Gitter-
Referenz-Ensemble ausgewählt, welche die Bandbrei-
weite) gerechnet.
te der Änderungssignale des Referenz-Ensembles für
Die regionalen Klimaprojektionen für Europa werden Temperatur und Niederschlag bis Ende 2100 am bes-
beim DWD einer Qualitätsprüfung unterzogen und ten wiedergeben.
finden, im Erfolgsfall, Eingang in das DWD-Referenz-
Im Zusammenhang mit dem deutschen Beitrag zu den
Ensemble. Hier werden alle Simulationen, die festge-
globalen Klimaprojektionen wirkte der DWD an der
legte Kriterien erfüllen, zusammengefasst, um eine
Datenbasis für den Sechsten IPCC Sachstandsbericht
möglichst konsistente Datengrundlage zur Berech-
mit.
nung von Klimaindikatoren oder als Eingangsda-
18Sommer Winter ◀ Temperatur- und Niederschlagsänderungssig-
nale für das Weiter-wie-bisher-Szenario im Som-
mer und Winter (Gebietsmittel für Deutschland)
Niederschlagsänderung in %
Niederschlagsänderung in %
für den Zeitraum 2071-2100 relativ zum Bezugs-
zeitraum 1971-2000. Hier wird deutlich, dass
die von den verschiedenen Klimaprojektionen
projizierten Temperatur- und Niederschlagsver-
änderungen eine gewisse Bandbreite aufspan-
nen und sich in den Jahreszeiten unterscheiden.
Für die Temperatur zeigen alle Klimaprojektio-
nen eine Zunahme, allerdings verschieden stark
ausgeprägt. Dahingegen zeigen sie beim Nie-
derschlag vor allem im Winter eine Tendenz zu
höheren Mengen.
Temperaturänderung in °C Temperaturänderung in °C
Ergebnisse
In regelmäßigen Abständen werden neue globale Die derzeit aktuelle Auswertung der Klimaprojektio-
und regionale Ensembles von Klimaprojektionen mit nen für das Klimaszenario RCP8.5 zeigt für Deutsch-
aktualisierten Szenarien und verbesserten Modellen land im Zeitraum 2071–2100 einen Anstieg der boden-
erzeugt. Kernaufgabe ist dabei, robuste Änderungs- nahen Temperatur von 3,1 °C bis 4,7 °C im Vergleich
signale relevanter Klimaparameter und Klimaindizes zum Bezugszeitraum 1971–2000. Die Projektion der Nie-
vor dem Hintergrund der bestehenden Szenarien-, Kli- derschlagsänderung ist bei den vorliegenden Klimapro-
masystem- und Modellunsicherheiten abzuleiten. Spe- jektionen der unterschiedlichen regionalen Klimamodel-
zielle methodische Herausforderungen bestehen bei le uneinheitlich. Im Jahresmittel für Deutschland wird
der Ableitung von Ergebnissen für extreme atmosphä- eine Änderung von -1 % bis +15 % projiziert. Im Rahmen
rische, ozeanographische und hydrologische Bedin- des vom Bundesministerium für Verkehr und digitale
gungen. Bei der Ableitung von Erkenntnissen aus die- Infrastruktur (BMVI) geförderten Expertennetzwerks
sen Klimaprojektions-Ensembles werden vom DWD werden Klimaprojektionen mit sehr hoher räumlicher
stets die spezifischen Nutzeranforderungen berück- Auflösung (etwa 3 km) für Deutschland berechnet. Die
sichtigt. Daten dieser Simulationen stehen demnächst über das
ESGF-Portal zur allgemeinen Nutzung zur Verfügung.
▲ 30-Jahresmittel der 2m-Temperatur aus COSMO-CLM Klimasimulationen mit 3 km Gitterweite für den historischen Zeitraum (1971-2000,
links), die nahe Zukunft (2031-2060, Mitte) und die ferne Zukunft (2071-2100, rechts). Die Projektionen für nahe und ferne Zukunft wurden mit
dem RCP8.5-Szenario gerechnet.
19Auswirkungen des Klimawandels auf Städte
Das Klima in Städten und Ballungsräumen unterscheidet sich auf Grund der Bebauungsstruktur
von dem des Umlands. Auch innerhalb der Stadt ist die räumliche Variabilität vieler Klimaparame-
ter hoch. Das Stadtklima und seine Änderungen zu kennen ist daher unerlässlich für eine erfolg-
reiche Anpassung an die Auswirkungen des Klimawandels in urbanen Räumen.
Stadtklima
Unter Stadtklima ver-
steht man das gegen-
über dem Umland modi-
fizierte Lokalklima.
Eine besonders mar-
kante Eigenschaft des
Stadtklimas ist die städ-
tische Wärmeinsel, die
vor allem nachts bei
wolkenfreien und wind-
schwachen Wetterbe-
dingungen durch höhe-
re Lufttemperaturen in
der Stadt im Vergleich
zum Umland charakte- ▲ Einflussfaktoren auf das Stadtklima.
risiert ist. Die städtische
Wärmeinsel ist ursächlich auf die Eigenschaften von Auswirkungen der Klimaänderungen in Städten
Baustoffen bezüglich Wärmespeicherung und Refle- Die Folgen des Klimawandels betreffen zahlreiche
xion von Strahlung, auf die starke Versiegelung des Aspekte des städtischen Lebens. Neben der Erhöhung
Bodens und das Fehlen von Vegetation sowie auf die des Jahresmittels der Lufttemperatur werden sich
Freisetzung von Wärme durch menschliche Aktivitä- insbesondere häufigere und intensivere Hitzeperio-
ten zurückzuführen. den, die durch den Wärmeinseleffekt noch verstärkt
werden, negativ auf die Gesundheit der Stadtbevöl-
Aufgrund der vielfältigen Landnutzungen und Bebau-
kerung, den Energieverbrauch und die Funktionalität
ungsstrukturen weist das Lokalklima innerhalb der
der Infrastruktur auswirken. Die erwartete Zunah-
Stadt eine hohe räumliche Variabilität auf. Dies wird
me von Starkniederschlägen und damit verbunden das
beim Wind besonders deutlich. Die mittlere Windge-
erhöhte Risiko für Sturzfluten und Hochwasser wird
schwindigkeit in der Stadt ist in der Regel reduziert,
zukünftig eine größere Rolle in der Stadtplanung ein-
da Gebäude als Strömungshindernis wirken und die
nehmen. Für die Städte an den Küsten ergeben sich
erhöhte aerodynamische Oberflächenrauigkeit den
durch den Anstieg des Meeresspiegels und die Gefahr
Wind abbremst. Durch Düseneffekte und Wirbelbil-
von Sturmfluten zusätzliche Risiken. Wie sich die kli-
dung zwischen Gebäuden und an Hausecken sowie
matisch bedingte Temperaturerhöhung in der Stadt
Kanalisierungseffekte in Straßenschluchten kann es
ausprägt und welche Auswirkungen sich für die Stadt-
jedoch lokal zu erhöhten Windgeschwindigkeiten und
entwicklung ergeben, kann mit Hilfe von Stadtklima-
Turbulenzintensitäten kommen.
modellen und dynamisch-statistischen Methoden aus
den regionalen Klimaprojektionen auf die benötigte
räumliche Auflösung einer Stadt übertragen werden.
20Mittlere jährliche Anzahl "Heiße Tage" für Vergangenheit und Zukunft
Vergangenheit Zukunft mit dem „Weiter-wie-bisher-Szenario“ (RCP8.5)
1971 – 2000 2031 – 2060
15. Perzentil 85. Perzentil
Heiße Tage
≤ 10
> 10 - 15
> 15 - 20
> 20 - 25
> 25 - 30
> 30 - 40
> 40 - 50
> 50 - 60
> 60 - 70
> 70 - 75
▲ Mittlere jährliche Anzahl "Heiße Tage" in Frankfurt am Main für die Vergangenheit (1971–2000) und nahe Zukunft (2031–2060) auf Basis des
repräsentativen Konzentrationspfades RCP8.5. Dargestellt ist die Spannweite möglicher zukünftiger Entwicklungen unter Auslassung der
15 % geringsten bzw. höchsten Ergebnisse des verwendeten Klimaensembles.
Modellierung des Stadtklimas Klimaanpassung in Städten
Der DWD beantwortet viele Fragestellungen zur Eine wichtige Rolle bei der kommunalen Klimaanpas-
Stadt- und Regionalklimatologie mit Hilfe von Model- sung an Hitze spielen Maßnahmen der Stadtentwick-
len wie KLAM_21, MUKLIMO_3 und PALM-4U. Die lung, die der thermischen Aufheizung in der Stadt
Ergebnisse werden genutzt, um Städte und Gemein- entgegenwirken. Dazu gehören die Freihaltung von
den zum Klimawandel und seinen Folgen zu beraten. Entstehungsgebieten und Transportpfaden von Kalt-
und Frischluft sowie der Erhalt, die Erweiterung und
Stadtquartiere mit hohen Lufttemperaturen oder
die Neuanlage von Grün- und Wasserflächen zum
hoher Wärmebelastung lassen sich dank der Stadtkli-
Beispiel durch begrünte Straßenzüge, Fassaden und
mamodellierung leicht identifizieren. Mögliche Aus-
Dächer. Daneben tragen auch die Entsiegelung oder
wirkungen auf die städtische Lufttemperatur und die
die Verwendung heller stark reflektierender Materiali-
Wärmebelastung infolge des Klimawandels werden
en und Oberflächen zur Hitzereduktion bei.
mit der eigens hierfür entwickelten „Quadermetho-
de“ auf Basis eines Ensembles regionaler Klimapro- Die Stadtentwicklung kann durch Entsiegelung von
jektionen und hochauflösender Stadtklimasimulatio- Oberflächen und Schaffung von Retentionsflächen,
nen bestimmt. Da die städtische Wärmeinsel in der sowie durch Speicherung von Regenwasser für Tro-
Nacht am stärksten ausgeprägt ist und eine fehlende ckenepisoden dem Auftreten von Überschwemmun-
nächtliche Abkühlung sich besonders negativ auf das gen entgegenwirken. Das gespeicherte Regenwasser
Wohlbefinden und die Gesundheit der Stadtbevölke- kann während Trockenepisoden für die Bewässerung
rung auswirkt, spielt die nächtliche Bildung von Kalt- der grünen Infrastruktur und durch Verdunstung zur
luft und die damit verbundenen Kaltluftabflüsse eine Kühlung der Stadt dienen (Schwammstadt Prinzip).
entscheidende Rolle. Mit Hilfe der Modellierung kann Das "Informationsportal Klimaanpassung in Städten"
flächendeckend das Potential von unbebauten Flächen (INKAS) ist ein internetbasiertes Beratungswerkzeug
zur Bildung von Kaltluft analysiert werden. Trajektori- für die Stadt- und Regionalplanung und auch für die
en simulieren beispielsweise wohin die Luft aus einem interessierte Öffentlichkeit, um in wenigen Schritten
Kaltluftentstehungsgebiet fließt oder woher die Luft die klimatische Wirkung von Anpassungsmaßnahmen
nachts in die besonders belasteten städtischen Gebie- gegen Hitze in der Stadt analysieren und vergleichen
te einströmt. zu können.
21Klimavorhersagen von Wochen bis einigen Jahren
Klimavorhersagen leiten aus dem vergangenen und aktuellen Zustand der Atmosphäre die Ent-
wicklung der Witterung und des Klimas in der Zukunft für Zeiträume von Wochen, Monaten und
Jahren ab. Sie liegen daher im Zeitraum zwischen Wettervorhersagen für die nächsten Tage und
Klimaprojektionen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts. Wie Klimaprojektionen werden Klimavor-
hersagen, vor allem dekadische, von der Treibhausgaskonzentration beeinflusst, deren zukünftige
Ausprägung anhand unterschiedlicher Szenarien zur sozioökonomischen Entwicklung abgeschätzt
wird. Zusätzlich ist bei Klimavorhersagen, wie bei Wettervorhersagen, die Kenntnis des aktuellen
Zustandes des Klimasystems als Ausgangsbedingung essentiell.
Klimavorhersagen der nächsten Wochen bis Jahre
Wettervorhersagen können die meteorologischen menden Wochen, Monate, Jahreszeiten oder Jahre
Ereignisse der nächsten Tage sehr detailgenau getroffen werden, indem neben der Atmosphäre auch
beschreiben. Vorhersagen, die über die nächsten Tage deren Wechselwirkungen mit anderen Komponenten
hinausgehen, sind durch wachsende Unsicherheiten des Klimasystems berücksichtigt werden. Insbesonde-
gekennzeichnet. Dies ist vor allem auf das chaotische re Komponenten mit sogenanntem „langem Gedächt-
Verhalten der Atmosphäre zurückzuführen. nis“, wie beispielsweise der Ozean und das Meereis,
tragen zur Vorhersagbarkeit der Klimaentwicklung
Da der errechnete zukünftige Zustand der Atmosphä-
bei.
re stark von den Anfangswerten abhängig ist, werden
diese in der Vorhersagemodellrechnung berücksich- Der Begriff "langes Gedächtnis" bezieht sich auf die
tigt. Für bestimmte Wettersituationen können schon Trägheit, mit der das System auf Änderungen reagiert.
geringe Abweichungen von diesen Anfangswerten Zum Beispiel wirkt der Einfluss von Sonne, Wind und
zu ganz verschiedenen Wetterentwicklungen in der Regen auf den Ozean viel länger nach und wird zu
Zukunft führen. einem anderen Zeitpunkt und Ort an die Atmosphäre
zurückgegeben. Durch die Berücksichtigung all dieser
Im Rahmen von Klimavorhersagen können dennoch
Komponenten wird aus einem reinen Atmosphären-
Abschätzungen über Klimaentwicklungen der kom-
Modell ein umfassendes Erdsystem-Modell.
▶ Illustration der unterschiedlichen Zeitskalen von Wettervorher- Randwert-
sagen (Klimavorhersagen
Start der Vorhersage ◀ Schematische Darstellung zur Klimavorhersa-
ge: Der Startpunkt im Klimavorhersagemodell
Klima der Vergangenheit Vorhersage ist vom Verlauf des Klimas in der Vergangenheit
abhängig. Verschieden ausgeprägte Anfangsbe-
Temperatur
dingungen (siehe Lupe), die zu unterschiedlichen
Modellverläufen für Zeiträume in der Zukunft
Simulation initialisiert
führen, werden berücksichtigt und führen zu
mit historischen
einem Vorhersage-Ensemble. Die Auswertung
Beobachtungen
des Ensembles ermöglicht Aussagen über die
Bandbreite und Wahrscheinlichkeit von klimati-
schen Ereignissen.
Monat Saison bis Dekade
Zeit
Die Komponenten des Klimasystems mit „langem lichen Beobachtungen der Vergangenheit reproduzie-
Gedächtnis“ geben dem chaotischen Verhalten auf ren. Wenn ein Modell die Vergangenheit gut wiederge-
Wetterzeitskalen auf längeren Zeitskalen eine Struk- ben kann, wird davon ausgegangen, dass es auch für
tur und können dadurch von Klimavorhersagemo- die Zukunft gute Vorhersagen liefert. Durch statisti-
dellen prognostiziert werden. Zum Start einer Kli- sche Nachbereitung können Modellfehler an tatsächli-
mavorhersage werden alle weltweit verfügbaren che Beobachtungen angepasst werden.
Beobachtungsdaten für die verschiedenen Komponen-
Das Ensemble der Klimavorhersagen kann auf zwei
ten des Klimasystems in das Klimamodell eingespeist
Arten ausgewertet werden: Der Mittelwert aller Vor-
(assimiliert). Um die Unsicherheiten dieser beobach-
hersage-Simulationen kann mit dem vieljährigen Mit-
teten Startwerte zu berücksichtigen, werden zahlrei-
tel eines zeitnahen Bezugszeitraums verglichen wer-
che Modellsimulationen mit leicht unterschiedlichen
den. Weiterhin kann die Verteilung des Ensembles als
Startwerten, ein sogenanntes Vorhersage-Ensemble,
Wahrscheinlichkeit interpretiert werden, ob und wie
berechnet.
stark zukünftige Zeiträume wärmer/kälter oder tro-
Zur Bestimmung der Qualität des Klimavorhersa- ckener/feuchter im Vergleich zum Bezugszeitraum
ge-Ensembles werden umfangreiche Klimavorhersa- erwartet werden. So kann der nächste Winter „2 °C
gen für vergangene Zeiträume berechnet, so genann- wärmer“ oder „mit 70 % Wahrscheinlichkeit feuchter“
te Nachhersagen. Statistische Qualitätsmaße können als der Bezugszeitraum sein. Der vieljährige Bezugs-
berechnen, wie gut diese Nachhersagen die tatsäch- zeitraum umfasst seit 2021 die Jahre 1991 bis 2020.
▶ Illustration von Ensemblemittel- und Wahrscheinlichkeitsvorhersagen
1 Die Vielzahl an Klimavorhersagen 2 Ensemblemittel- 3 Wahrscheinlichkeitsvorhersage
(links) bildet das Vorhersage-Ensemble. vorhersage
2 Die Klimavorhersagen werden als Klimasimulationen =
Abweichung (Anomalie) zu einem
Vorhersage-Ensemble vorhergesagter Trend
Bezugszeitraum in der Vergangenheit 1 höher als normal
ausgedrückt. Das Mittel über alle Simulationen 66 % Terzil
des Vorhersage-Ensembles bildet die
Ensemblemittelvorhersage. normal
3 Die Aufteilung der einzelnen Klima-
vorhersagen in die Kategorien 33 % Terzil
„höher als normal“, „normal“ und vorhergesagter Trend
„niedriger als normal“ (getrennt durch die 33 % Ensemblemittel niedriger als normal
und 66 % Terzile des Bezugszeitraums)
führt zur Wahrscheinlichkeitsvorhersage.
23Sie können auch lesen
