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Wetterthema

07.08.2017

Klimamodelle

Wieso kann man Aussagen über das Klima in 100 Jahren treffen, wenn man nicht einmal das Wetter der kommenden Woche genau vorhersagen kann?

Bestimmt haben Sie sich auch schon einmal über eine misslungene Wettervorhersage geärgert. Das Wetter spielt uns leider immer mal wieder einen Streich, indem es sich anders entwickelt, als vorhergesagt. Wieso versucht man dann aber das Klima im Jahr 2100 vorherzusagen?

Klimamodelle liefern gar keine Prognosen! Es ist unmöglich vorherzusagen, dass es beispielsweise am 8. August 2097 in Frankfurt am Main maximal 26 Grad warm und wolkig mit Schauern und einzelnen Gewittern sein wird. Man erfährt lediglich, dass die durchschnittliche Höchsttemperatur im Jahresmittel in Deutschland mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit im Zeitraum 2090 bis 2100 etwa 2 bis 4 Grad höher liegen wird als heute.

Im Gegensatz zum Wirtschaftsleben fußen die Vorgänge in der Natur auf bekannten physikalischen Grundgesetzen, wie beispielsweise den Newtonschen Axiomen, den Gesetzen der Strahlungsübertragung oder den thermodynamischen Hauptsätzen. Aus diesen Gesetzen lassen sich sog. Entwicklungsgleichungen ableiten, welche die zeitlichen Änderungen der klimatologischen Größen wie Temperatur, Luftdruck, Wind oder Meeresströmungen beschreiben.

Diese Größen beeinflussen sich in der Regel jedoch gegenseitig, so dass zu deren Beschreibung ein komplexes System von untereinander abhängigen Gleichungen nötig ist. Zudem sollten diese Gleichungen für möglichst alle künftigen Zeiten an allen, für das Klimageschehen relevanten Orten auf unserem Planeten gelöst werden, um eine möglichst genaue Abschätzung der Klimaentwicklung zu erhalten.

Selbst die schnellsten Superrechner sind mit solchen Anforderungen natürlich bei weitem überfordert. In der Praxis werden die komplexen Gleichungen an einzelnen Punkten in einem virtuellen räumlichen Gitter gelöst. Die Abstände zwischen diesen Gitterpunkten betragen etwa 100 bis 300 km in der Waagerechten und 1 km in der Senkrechten und reichen bis ca. 30 km hoch. Die Zeitabstände, innerhalb derer Lösungen der Entwicklungsgleichungen berechnet werden, betragen in der Regel etwa 30 Minuten.

Nun gibt es aber viele Vorgänge im Klimasystem, wie beispielsweise Gewitter, die sehr kleinräumig sind und sprichwörtlich durch die Maschen dieses Modellgitters fallen. Die hierbei relevanten Prozesse wie Strahlung, Wolkenphysik oder Niederschlagsbildung müssen statistisch beschrieben, also möglichst gut geschätzt werden, man spricht in diesem Zusammenhang auch von Parametrisierungen. Die hierfür notwendigen Kenntnisse stammen aus speziellen Messkampagnen.

Diese Parametrisierungen stellen die größten Unsicherheiten in den Klimamodellen dar, da sie von vielen Faktoren wie der Oberflächenbeschaffenheit, der Jahreszeit oder auch dem Wetter abhängen. Es ist schlichtweg unmöglich für alle Orte und jede meteorologische Bedingung eine korrekte Parametrisierung zu erhalten. Um dieser Unsicherheit zu begegnen, werden Klimamodelle weltweit mit unterschiedlichen Parametrisierungen betrieben, um die Bandbreite der möglichen Entwicklungen zu erfassen.

Diese sogenannten Klimaprojektionen sind auch davon abhängig wie viele Mengen an Treibhausgasen künftig in die Atmosphäre eingebracht werden, was sich jedoch nur vage abschätzen lässt. Um hier Abhilfe zu schaffen bedient man sich unterschiedlicher Szenarien, die mögliche künftige Entwicklungen berücksichtigen sollen. Diese Szenarien unterscheiden sich beispielsweise in der Entwicklung der Weltbevölkerung, der wirtschaftlichen Zusammenarbeit der einzelnen Länder oder dem Einsatz regenerativer Energien in den kommenden Jahrzehnten.

Die Klimamodelle werden mit den Daten aus diesen Szenarien gefüttert und rechnen nun ähnlich wie Wettermodelle in die Zukunft. Nur sind für Klimaentwicklungen im Zeitraum von Jahrzehnten zusätzliche Informationen beispielsweise über sich ändernde Meeresströmungen, Eisbedeckungen oder Änderungen der Vegetation notwendig, die für das Wettergeschehen in den kommenden Tagen zu vernachlässigen sind.

Es werden bei diesen Klimaprojektionen (nicht Vorhersagen) noch weitaus mehr Prozesse simuliert, als bei einer Wettervorhersage. Deswegen brauchen selbst die leistungsfähigsten Großrechner mitunter mehrere Monate, um eine solche Projektion zu erstellen. Die Unwägbarkeiten sind bei einem Blick so weit in die Zukunft verständlicherweise immer noch so groß, dass ein Unsicherheitsbereich angegeben wird, innerhalb dem die Ergebnisse mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit liegen werden.

Klimamodelle liefern somit also Aussagen über die Statistik des Wetters in der Zukunft, also welche durchschnittlichen Temperaturen oder Niederschlagsmengen zu erwarten sind, aber auch wie stark diese Werte um den Mittelwert schwanken, wie variabel sie also sein werden. Denn Klima ist quasi die Statistik des Wetters.

Trotzdem zeichnet sich eine Erwärmung im weltweiten Mittel zwischen 2 und 4 Grad bis zum Jahr 2100 ab, diese Aussage wiederum ist sehr wahrscheinlich wahr. Am stärksten erwärmt sich die Arktis, wo eine positive Rückkopplung im Gange ist: durch abschmelzendes Meereis wird die Oberfläche dunkler, reflektiert weniger und erwärmt sich stärker, wodurch das Abschmelzen weiter verstärkt wird.

Montag, 7. August 2017

Tim Staeger
ARD-Wetterredaktion

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