Projektbericht RIO+20 "reclip:century

Iris Berger, betreut von Dr. Wolfgang Loibl, AIT
reclip:century – Entwicklung eines Basisdatensatzes
regionalisierter Klimaszenarien
Es liegt auf der Hand, dass die Szenarien der künftigen Klimaentwicklung von großer
Bedeutung sind, denn die Auswirkungen des Klimawandels betreffen Natur,
Gesellschaft, Wirtschaft und Politik. Doch bis vor einigen Jahren gab es noch keine
Klimasimulationen mit Fokus auf Österreich und den Alpenraum. Darum hat sich nun
ein Wissenschaftlerteam dieser Aufgabe angenommen. Das Projekt wurde unter der
Leitung des AIT (Austrian Institute of Technology) gemeinsam mit
Partnerinstitutionen – Institut für Meteorologie der Universität für Bodenkultur,
Wegener Zentrum für Klima und Globalen Wandel der Universität Graz und
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik – durchgeführt.
Die Abschätzung, wie sich das weltweite oder auch regionale Klima entwickelt,
erfolgt anhand von Simulationen mit Klimamodellen. Es werden zwei Arten von
Klimamodellen verwendet, nämlich globale Modelle (General Circulation Models –
GCMs) und regionale Klimamodelle (RCMs). Letztere setzen auf Daten der globalen
Zirkulationsmodelle als Antrieb auf, weshalb ihre Ergebnisse von den Ergebnissen
der GCMs in gewissem Umfang abhängig sind. Klimamodelle simulieren das
Klimasystem der Erde in Minutenschritten mithilfe von mathematischen
Gleichungssystemen, wobei die komplexen Wechselbeziehungen des Klimasystems
nur vereinfacht berücksichtigt werden und die Ergebnisse bloß Annäherungen an die
Wirklichkeit sein können.
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Abbildung 1: Prinzipien der Klimamodellierung: Diskretisierung der Prozesse und
Wechselwirkungen innerhalb des Klimasystems mithilfe eines 3D-Gitternetzes
Dabei wird ein dreidimensionales sphärisches Gitternetz über die Erde gebreitet, und
für jede „Gitterzelle“ werden die atmosphärischen und luftchemischen Prozesse
sowie die Dynamik zwischen den Zellen berechnet. Atmosphäre und Ozeane sind
dabei die wichtigsten Komponenten des Klimasystems, wobei es in den GCMs für
beide eigene Teilmodelle gibt (z. B. simuliert das Ozeanmodell u. a. den Salzgehalt,
die Meeresströmungen, die Temperatur ...).
Da die GCMs im besten Fall Ergebnisse für ein Gitternetz von einer Maschenweite
von 1° (oder gröber) liefern (was bei unseren geografischen Breiten ca. 120
Kilometern entspricht), muss man auf RCMs zurückgreifen, welche die
atmosphärischen Prozesse für einen bestimmten Ausschnitt der Erdoberfläche
genauer simulieren. RCMs übernehmen dabei die atmosphärischen Zustände des
GCMs an den RCM-Gitterrändern und rechnen innerhalb des RCMs selbstständig
weiter („Nesting“). Um wie bei reclip:century eine 10-km-Auflösung erreichen zu
können, sind zwei solcher Nestingstufen notwendig (30 und 10 km).
Abbildung 2: Die der Klimasimulation zugrunde liegenden Topografiemodelle. Links:
100×100-km-Topografiemodell, rechts: 10×10-km-Topografiemodell
Im Falle von reclip:century kamen die regionalen Klimamodelle MM5 und COSMO­
CLM zum Einsatz, die Antriebsdaten der GCMs ECHAM5 und HadCM3
verwendeten. Dabei war es essenziell, eine bereits beobachtete Zeitspanne zu
modellieren, um eine Überprüfung der Qualität durch Vergleich der Simulationen der
Vergangenheit mit den Beobachtungen zu ermöglichen. Bei reclip:century wurde
dafür der Zeitraum 1981–1990 gewählt. Erst nach der Simulation der vergangenen
Entwicklung erfolgte die Simulation der Klimadynamik eines künftigen Zeitraums
(2001–2050).
Durch die vielen, unterschiedlich wirkenden Einflüsse ist es naheliegend, dass das
Modellergebnis Unsicherheiten zeigt, welche hier kurz dargestellt werden:
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Ein wesentlicher raumbezogener Unsicherheitsfaktor bei GCMs ist die grobe
räumliche Auflösung: Einzelne kleinere Täler und Gebirgsketten werden nicht als
solche im Topografiemodell abgebildet, deren lokale Wirkung wird damit nicht
einberechnet, da subskalige Prozesse innerhalb einer Rasterzelle nicht
berücksichtigt werden. Hierzu zählen Prozesse wie Energieumsätze an der
Erdoberfläche und Konvektionsvorgänge. Effekte von Wolken und Aerosolen werden
derzeit auch nicht im Detail, sondern mithilfe von Parametern berücksichtigt.
Eine weitere Unsicherheit liegt in der Entwicklung der künftigen Treibhausgaskonzen­
trationen. Hierzu hat das IPCC vier Treibhausgasszenarien (A1, A2, B1, B2), die
jeweils mehrere Subszenarien beinhalten, entwickelt. Für reclip:century wurden die
Szenarien A1B und B1 herangezogen. In Szenario A1B geht man davon aus, dass
die Weltwirtschaft stark wachsen wird und rasch neue produktive Technologien mit
entsprechendem Energieverbrauch (mit breiter Streuung der Energiequellen) und
Treibhausgasausstoß eingeführt werden. Ab Mitte des 21. Jahrhunderts wird mit
einer rückläufigen Weltbevölkerungszahl gerechnet. Szenario B1 beschreibt eine
stark vernetzte Welt, die verstärkte Einführung von ressourcenschonenden
Technologien mit einem geringeren Ausstoß von Treibhausgasen und ebenfalls
einen Rückgang der Weltbevölkerung ab der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts.
Deshalb spielt der zeitliche Aspekt eine wesentliche Rolle: Bei den weiter in der
Zukunft liegenden Zeitpunkten liegen die Ergebnisse der verschiedenen
Klimamodelle weiter auseinander als zu Beginn des zu berechnenden Zeitraumes –
die Unsicherheit der Ergebnisse nimmt zu, je weiter die Simulationsergebnisse in der
Zukunft liegen (siehe Abbildung 3).
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Abbildung 3: Entwicklung der bodennahen Temperatur in Europa anhand einer
Vielzahl von Klimasimulationen mit dem Treibhausgasszenario A1B: 2001–2050
(Referenz: 1971–2000). Die Temperaturverläufe der für reclip:century gewählten
GCM-Antriebsdaten sind orange (ECHAM5) und rot (HadCM3) markiert.
RCMs helfen einen Teil der – räumlichen – Unsicherheiten der GCMs
abzuschwächen, indem sie lokale Effekte durch ein feineres „Rechengitter“ besser
abbilden. Wichtig ist dabei jedoch, den passenden Ausschnitt der Erdoberfläche zu
wählen. Umfasst das Modell einen zu kleinen Ausschnitt der Erdoberfläche, können
bestimmte globale Effekte (z. B. das Einströmen feuchter atlantischer Luftmassen
oder die Wirkung von Mittelmeertiefs), die Einfluss auf das Wetter der gefragten
Region haben, nicht ausreichend erfasst werden. Im Falle von reclip:century, wo das
künftige Klima im Alpenraum gefragt ist, reicht der eingeschlossene Modellbereich
darum vom Golf von Lyon bis Budapest und vom Nordatlantik bis zum südlichen
Mittelmeer.
Nun zu den Ergebnissen, die das Projekt nach 36 Monaten hervorbrachte:
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Zuallererst ist zu sagen, dass die Simulationsergebnisse aufgrund der
unterschiedlichen verwendeten Modelle und Eingangsdaten voneinander abweichen.
Allerdings zeigen alle Simulationsergebnisse, dass mit einer überdurchschnittlich
starken Erwärmung in Österreich wie im gesamten Alpenraum (besonders im
Sommer und Herbst) zu rechnen ist. Im Sommer wird ein Temperaturanstieg von 1
bis 2,5 °C erwartet, wobei sich die Szenarien voneinander einigermaßen
unterscheiden. Im Herbst kann der Anstieg zwischen 1,7 °C und 2,3 °C betragen. Im
Frühling ist damit zu rechnen, dass die Temperatur im Mittel um 1 bis 1,2 °C steigt,
während sie in den Wintermonaten um 1,6 bis 2,2 °C anwächst, wobei die Szenarien
in diesen Monaten die größte Übereinstimmung zeigen. Im Hinblick auf den
Niederschlag ist zu erwarten, dass die Niederschlagssumme entweder leichte
Abnahmen verzeichnet oder fast unverändert bleibt. Lediglich im Winter sollte man
mit einer Zunahme von 8 bis 13 % rechnen (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Erwartete Veränderungen der Jahresmitteltemperatur (Mittelwerte der
Klimaperiode 2021–2050 gegenüber 1971–2000) in Abhängigkeit von der Wahl des
GCMs bzw. RCMs sowie des Treibhausgasszenarios
Die Ergebnisse aus reclip:century können dazu beitragen, dass sich die
(österreichische) Gesellschaft auf das sich ändernde Klima besser einstellen und
entsprechende Anpassungsmaßnahmen in den betroffenen Regionen treffen kann.
Umstellungen in der Landwirtschaft bis hin zu Schutzbauten, die der steigenden Zahl
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von Extremereignissen Rechnung tragen (z. B. Dämme gegen Hochwasser) wären
u. a. mögliche Maßnahmen.
Zurzeit ist der zweite Teil des Projekts, in dem das Klima zwischen 2051 und 2100
simuliert wird, in Bearbeitung.
Insgesamt war dies ein interessanter Einblick in den wissenschaftlichen Alltag, und
mir ist bewusst geworden, wie – im Vergleich zur Erdgeschichte – unglaublich schnell
und stark das Klima auf (von Menschen verursachte) Veränderungen der
Atmosphäre reagiert. Wichtig ist es zu erkennen, dass alles auf globaler Ebene wirkt
und dass Staaten nicht zu ihrem eigenen Vorteil handeln dürfen, denn die sich
daraus ergebenden Folgen reichen über die Grenzen der Verursacher-Staaten
hinaus.
Es war faszinierend zu sehen, was alles im Bereich Wissenschaft und Technik, von
der man im normalen Alltagsleben nichts mitbekommt, möglich ist. Die bereits heute
erstaunlichen Möglichkeiten bei der Klimamodellierung werden in Zukunft noch
verbessert werden, sodass damit zu rechnen ist, dass die Unsicherheitsbereiche
weiter reduziert und im Zuge dessen genauere Szenarien erzeugt werden können.
Weiteres war es reizvoll zu sehen, mit welchem Eifer sich manche Menschen
einsetzen, um eine möglichst (sozial) gerechte und umweltfreundliche Welt zu
gestalten.
Wien, 28. August 2012
Iris Berger
Dr. Wolfgang Loibl
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