FAQ

Wie zuverlässig sind die Modelle, die zur Projektion zukünftiger Klimaänderungen benutzt werden?

Es besteht eine große Übereinstimmung darin, dass Klimamodelle glaubwürdige quantitative Abschätzungen zukünftiger Klimaänderungen liefern, besonders auf kontinentaler Skala und darüber. Dieses Vertrauen beruht auf der Tatsache, dass die Klimamodelle auf anerkannten physikalischen Grundsätzen basieren und deren Fähigkeit, beobachtete Eigenschaften des aktuellen Klimas, wie auch frühere Klimaänderungen, zu reproduzieren. Das Vertrauen in Modellergebnisse ist für einige Klimagrößen (z.B. Temperatur) höher als für andere (z.B. Niederschlag). Über mehrere Jahrzehnte ihrer Entwicklung hinweg haben Modelle übereinstimmend ein robustes und eindeutiges Bild signifikanter Klimaerwärmung als Reaktion auf zunehmende Treibhausgaskonzentrationen geliefert.

Klimamodelle sind mathematische, in Computersprache ausgedrückte Darstellungen des Klimasystems und laufen auf Hochleistungsrechnern. Ein Grund für das Vertrauen in Modelle ergibt sich aus der Tatsache, dass die Modellgrundlagen auf feststehenden physikalischen Gesetzen wie der Erhaltung von Masse, Energie und Impuls basieren und mit einer Fülle von Beobachtungen verbunden sind. Ein zweiter Grund für das Vertrauen in Modelle basiert auf ihrer Fähigkeit, wichtige Erscheinungen des gegenwärtig bestehenden Klimas zu simulieren. Modelle werden regelmäßig und umfangreich überprüft, indem man ihre Simulationen mit Beobachtungen der Atmosphäre, des Ozeans, der Kryosphäre und der Landoberflächen vergleicht. Im letzten Jahrzehnt haben so viele Evaluierungen wie nie zuvor in Form von organisierten Multimodellvergleichen stattgefunden. Modelle zeigen zufriedenstellende und immer besser werdende Darstellungen vieler wichtiger Klimaeigenschaften, wie beispielsweise der großskaligen Verteilung der atmosphärischen Temperatur, dem Niederschlag, der Strahlung und des Windes sowie von ozeanischen Temperaturen, Strömungen und der Meereisbedeckung. Modelle können auch wesentliche Aspekte vieler Klimavariabilitätsmuster simulieren, die über verschiedene Zeitskalenbereiche beobachtet werden. Beispiele hierfür sind das Verständnis der wichtigsten Monsunsysteme, die saisonalen Temperaturverschiebungen, Sturmbahnen und Regenzonen. Weiterhin die Arktische Oszillation (AO), die den Luftdruckgegensatz zwischen den arktischen und den mittleren Breiten auf der Nordhemisphäre zum Ausdruck bringt (auf der Südhemisphäre: Antarktische Oszillation - AAO).

Einige Klimamodelle oder eng verwandte Varianten wurden darüber hinaus überprüft, indem man sie für Wettervorhersagen und saisonale Prognosen nutzte. Diese Modelle eigneten sich für solche Vorhersagen und zeigten, dass sie wichtige Eigenschaften der allgemeinen Zirkulation über kürzere Zeitskalen sowie Aspekte saisonaler und interannualer Variabilität, d. h. die Schwankungen von Jahr zu Jahr abbilden können. Die Fähigkeit der Modelle, diese und andere wichtige Klimaeigenschaften darzustellen, steigern unser Vertrauen, dass sie die wesentlichen physikalischen Prozesse wiedergeben können, die für die Simulation künftiger Klimaänderungen wichtig sind. Man beachte, dass die begrenzte Fähigkeit der Klimamodelle, das Wetter für mehr als ein paar Tage vorherzusagen, nicht ihre Fähigkeit einschränkt, langfristige Projektionen zukünftiger Klimaänderungen zu machen, denn es handelt sich hierbei um zwei sehr unterschiedliche Vorhersagen.

Ein dritter Grund für das Vertrauen in die Klimamodelle beruht auf der Fähigkeit der Modelle, Eigenschaften früherer Klimazustände und Klimaänderungen zu reproduzieren. Die Modelle wurden hierfür dazu genutzt, um historische Klimazustände wie z.B. das warme Mittelholozän vor 6.000 Jahren oder das letzte Eizeitmaximum vor 21.000 Jahren zu simulieren. Sie können viele Merkmale wiedergeben, (unter Berücksichtigung von Unsicherheiten bei der Nachbildung vergangener Klimazustände) wie beispielsweise die Größenordnung und das Muster der ozeanischen Abkühlung auf einer großräumigen Skala während der letzten Eiszeit. Modelle können weiterhin viele beobachtete Erscheinungen des Klimawandels für den Zeitraum der instrumentellen Messungen simulieren.

Ein Beispiel hierfür ist, dass der weltweite Temperaturtrend des letzten Jahrhunderts (gezeigt in Abbildung 1) nur durch Modelle nachgebildet werden kann, wenn sowohl menschliche als auch natürliche klimabeeinflussende Faktoren mit einbezogen werden. Modelle bilden auch andere beobachtete Veränderungen ab, z. B. dass die Nachttemperaturen schneller angestiegen sind als die Tagestemperaturen oder das größere Ausmaß der Erwärmung in der Arktis. Ein weiteres Beispiel ist die kurzfristige Abkühlung, die auf größere Vulkanausbrüche wie z.B. 1991 den des Mt. Pinatubo folgte. Globale Temperaturprognosen, die in den letzten beiden Jahrzehnten mit Modellen gemacht wurden, zeigten eine gute Übereinstimmung mit späteren Beobachtungen in diesem Zeitraum.

Dennoch haben die Modelle noch erhebliche Fehler. Obwohl diese generell auf kleinen Skalen größer sind, bestehen weiterhin auch wesentliche Probleme im großskaligen Bereich. Beispiele hierfür sind Defizite bei der Simulation der tropischen Niederschläge, der El Niño-Südlichen Oszillation (ENSO) oder der Madden-Julian-Oszillation (eine beobachtete Schwankung der tropischen Winde und Regenfälle mit einer Zeitskala von 30 bis 90 Tagen). Die größte Fehlerquelle ist, dass viele wichtige kleinskalige Prozesse in Modellen nicht explizit abgebildet werden können und deshalb geschätzt werden müssen, da sie mit den großskaligen Eigenschaften wechselwirken. Dies ist teilweise auf eine begrenzte Rechenleistung zurückzuführen, aber auch auf das fehlende wissenschaftliche Verständnis und auf die eingeschränkte Verfügbarkeit detaillierter Beobachtungen bestimmter physikalischer Prozesse. Weiterhin stellen z.B. Wolken in Klimaprojektionen eine der größten Unsicherheiten dar. Aus diesen Grünen zeigen die Modelle eine erhebliche Bandbreite weltweiter Temperaturänderungen als Reaktion auf bestimmte Treibhausgasantriebe. Trotz dieser Unsicherheiten stimmen jedoch die Modelle in ihrer Aussage einer erheblichen Klimaerwärmung bei einem Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen überein. Die Größenordnung dieser Erwärmung entspricht unabhängigen Schätzungen, die von anderen Quellen wie z. B. von beobachteten Klimaänderungen und Nachbildungen früherer Klimazustände abgeleitet wurden.

Abbildung 1: Weltweite Durchschnittstemperaturen nahe der Oberfläche während des 20. Jahrhunderts aus Beobachtungen (schwarz) und aus 58 Simulationen, die von 14 verschiedenen Klimamodellen erzeugt wurden, angetrieben sowohl durch natürliche als auch durch menschlich verursachte Faktoren, die das Klima beeinflussen (gelb). Der Mittelwert all dieser Läufe wird auch gezeigt (dicke rote Linie). Temperaturabweichungen werden im Verhältnis zu den Mittelwerten von 1901 bis 1950 gezeigt. Vertikale graue Linien zeigen den Zeitablauf großer Vulkanausbrüche. (Abbildung angepasst aus Kapitel 9, Abbildung 9.5, S. 684

Da das Vertrauen in die von globalen Modellen vorhergesagten Änderungen auf kleineren Skalen geringer ist, wurden eigens andere Techniken wie der Gebrauch von regionalen Klimamodellen oder der „numerischen Regionalisierung“ entwickelt, um Aussagen über regionale und örtliche Klimaveränderungen zu erhalten. Globale Modelle werden kontinuierlich weiterentwickelt, und ihre Auflösung wird ständig verbessert. Daher werden sie auch immer nutzbarer für die Erforschung wichtiger kleinskaliger Eigenschaften, wie z.B. Änderungen bei Extremwetterereignissen. Weitere Verbesserungen bei der Beschreibung von regionalen Klimaänderungen werden mit zunehmender Rechenleistung erwartet. Die Modelle werden auch immer umfassender in ihrer Betrachtung des Klimasystems, in dem sie mehr physikalische und biophysikalische Prozesse sowie Wechselwirkungen, die für die Beschreibung des Klimas als potentiell bedeutsam erachtet werden, vor allem auf längeren Zeitskalen, detaillierter abbilden. Beispiele sind die erfolgte Einbeziehung der Reaktion von Pflanzen, biologischen und chemischen Wechselwirkungen im Ozean sowie der Eisschilddynamik in einige globale Klimamodelle.

Zusammengefasst beruht das Vertrauen in Modelle auf deren physikalischen Grundlagen und ihrer Fähigkeit, das beobachtete Klima und frühere Klimaänderungen wiederzugeben. Modelle haben sich als enorm wichtiges Werkzeug für die Simulierung und das Verständnis von Klima erwiesen. Man geht davon aus, dass sie glaubhafte quantitative Schätzungen über zukünftige Klimaänderungen liefern können, besonders auf größeren Skalen. Die Modelle unterliegen weiterhin beträchtlichen Einschränkungen, z. B. bei der Darstellung von Wolken, was zu Unsicherheiten hinsichtlich der Größenordnung, dem Zeitablauf und den regionalen Besonderheiten der projizierten zukünftigen Klimaveränderungen führt. Nichtsdestotrotz hat sich über mehrere Jahrzehnte der Modellentwicklung ein durchweg stabiles und eindeutiges Bild beträchtlicher Klimaerwärmung als Reaktion auf zunehmende Treibhausgaskonzentrationen entwickelt.

Quelle (soweit nicht anders gekennzeichnet):
IPCC, 2007: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, S. 600-601, FAQ 8.1.

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