Integrierte Abschätzung von Klimaschutzstrategien

Integrierte Abschätzung von
Klimaschutzstrategien
Methodisch-naturwissenschaftliche Aspekte
Förderkennzeichen: 01 LK 9605/0
Abschlussbericht
Dezember 2000
Ferenc Toth (Projektleiter)
Thomas Bruckner
Hans-Martin Füssel
unter Mitarbeit von
Carsten Helm
Georg Hooss
Marian Leimbach
Jelle van Minnen
Hans-Joachim Schellnhuber
Eva Tothne-Hizsnyik
Potsdam-Institut
für
Klimafolgenforschung
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Inhaltsübersicht
I. Kurze Darstellung 2
I.1. Aufgabenstellung 2
I.2. Voraussetzungen zur Durchführung des Vorhabens 3
I.3. Planung und Ablauf des Vorhabens 5
I.4. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn 5
I.5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen 10
II. Eingehende Darstellung 12
II.1. Erzieltes Ergebnis 12
Überblick 12
Weiterentwicklung des “Tolerable Windows Approach” 16
Implementierung des “Tolerable Windows Approach” 24
Klimamodell 26
Klimawirkungsmodell 36
Landnutzungsmodell 55
Ökonomisches Wachstumsmodell 56
Ökonomisches Gleichgewichtsmodell 63
Integrierte Datenbank 69
Modellintegration 71
Politikwissenschaftliche Analyse 75
Modellanwendung 76
II.2. Verwertbarkeit des Ergebnisses 89
II.3. Fortschritte bei anderen Stellen 90
II.4. Publikation des Ergebnisses 91
II.A1. Fortschritte bei anderen Stellen (auf Englisch) 105
II.A2. Eigene Veröffentlichungen und Vorträge 110
II.A3. Zitierte Literatur 124
III. Erfolgskontrollbericht 134
III.1. Beitrag zu den förderpolitischen Zielen des Förderprogramms 134
III.2. Wissenschaftlicher Erfolg des Vorhabens 134
III.3. Einhaltung des Finanzierungs- und Zeitplans 135
III.4. Verwertbarkeit der Ergebnisse 136
III.5. Erfindungen, Schutzrechtsanmeldungen und erteilte Schutzrechte 137
III.6. Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben 137
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I. Kurze Darstellung
I.1. Aufgabenstellung
Im Rahmen des ICLIPS-Projektes wollten wir die folgenden Fragen auf der Grundlage des
besten verfügbaren Wissens beantworten:
• Welche Instrumente zur Emissionsreduktion stehen grundsätzlich bzw. über die bereits
bekannten hinaus den Individualakteuren zur Verfügung?
• Welche Quellen von Treibhausgasen befinden sich im Kontrollbereich der einzelnen
Akteure?
• Welche globalen und regionalen Klimaänderungen werden durch vorgegebene weltweite
Emissionsprofile erzeugt?
• Wie groß ist die Klimasensibilität der individuellen Subsysteme?
• Welche Folgen hätte ein globaler Klimawandel für das heutige (geostrategische) Beziehungsgeflecht zwischen den Subsystemen?
• Nach welchen akteursspezifischen Kriterien sind die Vor- und Nachteile von Klimaschutzstrategien zu bewerten?
• Nach welchen Prinzipien kann die Individualbewertung zu einer globalen Wohlstandsabschätzung zusammengefasst werden?
Die eigentliche Aufgabe des Projekts war das Zusammenfügen dieser Bestimmungsstücke
in einem integrierten Abschätzungsmodell für die Identifizierung akzeptabler Klimaschutzstrategien gemäß der außerwissenschaftlichen Vorgaben (insbesondere der politisch-gesellschaftlichen Wertsetzungen). Die Besonderheiten des Projektes liegen dabei insbesondere in
dem inversen Ansatz.
Hauptziel des ICLIPS-Projektes war es, der internationalen Gemeinschaft im allgemeinen
sowie der Bundesregierung im besonderen eine fundierte wissenschaftliche Hilfestellung bei
der Beantwortung der schwierigen Fragen anzubieten, die im Zusammenhang mit der konkreten Umsetzung der UN-Klimarahmenkonvention aufgeworfen werden. Zu diesem Zweck hat
das Projekt eine Reihe international führender Wissenschaftler zusammengeführt, die unter der
Leitung des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), dem Initiator des Projektes,
dazu beigetragen haben, neue, angepasste Entscheidungsfindungsverfahren zu entwerfen,
bestehende Teilmodelle des globalen Wandels zu verfeinern sowie die zur Anwendung dieser
Modelle erforderlichen Daten zu sammeln.
Im Zentrum des Projektes war dabei die Weiterentwicklung des sog. „Fensteransatzes“
(Leitplankenansatz, Tolerable Windows Approach, TWA), der vom Wissenschaftlichen Beirat
„Globale Umweltveränderungen“ der Bundesregierung (WBGU) anläßlich des Sondergutachtens zur 1. Vertragsstaatenkonferenz der Klimarahmenkonvention 1995 in Berlin vorgeschlagen wurde. Neben der konzeptionellen und methodischen Weiterentwicklung dieses Ansatzes
ist mit Hilfe eines integrierten Modells (ICLIPS-Modell) seine Anwendbarkeit unter Beweis
gestellt worden. Die Erstellung dieses Modells erforderte neben dem Aufbau einer Modelldatenbank insbesondere die Modellierung
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• des Einflusses des Klimas auf natürliche und bewirtschaftete Ökosysteme sowie auf sozioökonomische Systeme,
• des Verhaltens geobiochemischer Kreisläufe,
• des Klimas, d.h., des Einflusses atmosphärischer Spurengase auf relevante Klimavariablen,
• der anthropogen bedingten Emission von Treibhausgasen und Aerosolen sowie der
• Instrumente, die zur Umsetzung von Klimaschutzstrategien herangezogen werden können.
Die entsprechenden Modelle wurden von den Projektpartnern sowie Mitarbeitern am PIK
erstellt. Die Integration dieser Modelle in den Rahmen des Fensteransatzes erfolgte ebenso wie
die konzeptionelle Weiterentwicklung des Ansatzes am PIK.
I.2. Voraussetzungen zur Durchführung des Vorhabens
In Ermangelung international anerkannter, objektiv begründbarer Strategien zur bestmöglichen Bewältigung des vom Menschen bereits angestoßenen Klimawandels sind individuelle
Staaten oder Ländergruppen bestrebt, klimapolitische Positionen aufzubauen, die den spezifischen Interessen und der vermuteten Betroffenheit dieser Akteure gerecht werden können.
Vor diesem Hintergrund war es das Ziel des Forschungsvorhabens, eine integrierte Bewertung von Klimaschutzmaßnahmen (= Schutz von und vor Klima) aus deutscher und globaler
Sicht zu erstellen. Das Projekt wurde durch einen vom PIK orchestrierten Verbund von führenden in- und ausländischen Institutionen durchgeführt. Die Resultate haben
• der Bundesrepublik belastbare Hinweise für ihre Positionierung in den Klimaprotokollverhandlungen und darüberhinaus in der Klimapolitik im allgemeinen geliefert,
• über die Einspeisung in den IPCC-Prozeß die rationale Auseinandersetzung mit einer überaus sensiblen Thematik befördert.
Die durchgeführten Arbeiten lassen sich in politisch-wirtschaftliche Aspekte einerseits und
methodisch-naturwissenschaftliche Aspekte andererseits einordnen. Diese Einordnung diente
als Grundlage für eine Aufteilung des Gesamtvorhabens in zwei separate Einzelanträge, die
durch jeweils einen Zuwendungsgeber abgedeckt wurde. Dementsprechend setzte sich das
ICLIPS-Projekt aus zwei Teilprojekten zusammen. Die Erforschung der methodisch-naturwissenschaftlichen Aspekte wurde vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung
und Technologie gefördert. Die Förderung der politisch-ökonomischen Projektbeiträge wurde
vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit übernommen.
Eine Kerngruppe am PIK führte eine Reihe von Forschungsaufgaben durch und koordinierte die Arbeiten und Beiträge der Projektpartner. Mitglieder dieser Forschungsgruppe
waren:
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Name
Tätigkeitsbereich
Förderung
Prof. Dr. Ferenc Toth
Projektleitung, ökonomische Modellierung,
Politikanalyse.
PIK
Dr. Thomas Bruckner
Weiterentwicklung des Fensteransatzes (TWA,
Leitplankenansatz);
Entwicklung der Vektor-Optimierungsverfahren,
bzw. Anwendung einfacherer
Optimierungsverfahren im Rahmen des TWA;
Sensibilitäts- und Risikoanalysen;
Entwicklung des Klimamoduls.
BMBF
Dr. Marian Leimbach
Entwicklung vollintegrierter sozio-ökonomischer
Modelle zur Bestimmung der optimalen
Emissionsprofile und Allokationsschemata, bzw.
zur Berechnung der Utilitätsvektoren;
Analyse der verschiedenen Steuerungs- und
Ausgleichsinstrumente unter Verwendung der
sozio-ökomomischen Modelle.
BMU
Hans-Martin Füssel
Zentrale Beschaffung und Verwaltung der nötigen
sozialen, ökonomischen und politischen
Datengrundlagen;
Entwicklung biophysikalischer
Klimawirkungsfunktionen
Erstellung der graphischen Benutzeroberfläche.
BMBF
Eva Tothne-Hizsnyik
Koordinations und Organisationsaufgaben,
wissenschaftliche Assistenz (Partner, Workshops,
Veröffentlichungen).
BMBF
Dr. Gerhard Petschel-Held
Weiterentwicklung des Fensteransatzes und des
integrierten Modells.
PIK
Dr. Carsten Helm
Sozial- und politikwissenschaftliche Analyse.
PIK
Prof. Dr. Hans-Joachim
Schellnhuber
Weiterentwicklung des Fensteransatzes,
Einbindung in Politikberatung (WBGU).
PIK
Folgende Institutionen haben sich als Partner am ICLIPS-Projekt beteiligt:
• Modellierung von Klimafolgen (Teil 1):
Prof. Dr. J. Alcamo, Zentrum für Umweltsystemforschung (ZfU), Universität Kassel.
• Modellierung von Landnutzungsänderungen:
Dr. J. Edmonds, Batelle Pacific Northwest National Laboratories, Washington, DC, USA.
• Klimamodellierung:
Prof. Dr. K. Hasselmann, Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-Met), Hamburg.
• Modellierung der kurzfristigen ökonomischen Folgen von Klimaschutzstrategien:
Dr. G. Klepper, Institut für Weltwirtschaft (IfW), Kiel.
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II/1996
Globaler TWA
MGB/Multi-Akteurs-Analyse
(Kompensationsmechanismen)
MGB/Ein-AkteurAnalyse
Regionaler TWA
MGB/Multi-Akteurs-Analyse
(Alle Komponenten)
I/1997
I/1998
I/1999
Vollintegration
Vollintegriertes Modell
(RTWA
+
MGB/MAA)
Verbesserungen
Interaktive Version
Ende
Forschungsbericht
Interaktives Modell
Abbildung 2: Zeitplan des ICLIPS Projektes
• Modellierung der langfristigen technologischen Entwicklung:
Dr. N. Nakicenovic, International Institute for Applied System Analysis (IIASA), Laxenburg, Austria.
• Modellierung von Klimafolgen (Teil 2):
Prof. M. Parry, Jackson Environment Institute (JEI), University College, London.
I.3. Planung und Ablauf des Vorhabens
Das Projekt basierte auf der engen Kooperation zwischen den beteiligten Forschergruppen.
Dennoch war es sinnvoll, die Verantwortlichkeit für spezifische Beiträge an einzelne Gruppen
zu übertragen. Abbildung 1 gibt einen Überblick über diese Aufgabenverteilung und präsentiert auch den zeitlichen Ablauf der Arbeiten in den einzelnen Aufgabenbereichen.
Abbildung 2 gibt einen allgemeinen Überblick über den Prozeß der Modellentwicklung.
I.4. Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn
Mitarbeiter des PIK und die für das ICLIPS-Projekt gewonnenen nationalen und internationalen Kooperationspartner hatten schon vor Beginn dieses Projekts wesentliche Beiträge zur
„Response Surface“ für
Nahrungsmittelversorgung 1
Verbesserte Version des
integrierten ICLIPSModells
(Zusätzliche Impaktbe
reiche, einfaches Öko
nomiemodell als
Platzhalter)
Verbesserte Version des
ökonomischen Wachs
tumsmodells,
Szenarienrechnungen
Erste lauffähige Version
des statischen, ökono
mischen, empirischen,
allgemeinen Gleichge
wichtsmodells (EAG)
Erste lauffähige Version
der kombinierbaren
Version des MiniCAM
„Agriculture-and-landuse-change“ Modells
(ALM)
Parry,
JEI, London
Bruckner, Füssel,
PIK, Potsdam
Leimbach,
PIK, Potsdam
Klepper,
IfW, Kiel;
Nakicenovic,
IIASA, Laxenburg
Evaluierung des ALMModells im Hinblick auf
seine Einbindung in das
PIK/IfW-Ökono
miemodell (zusammen
mit PIK)
Verbesserte Version des
EAG,
Szenarienrechnungen
mit EAG-Modell
Gelungene Kopplung
des EAG (PIK/IfW)
(liefert energiebedingte
Emissionen) mit ALM
(liefert Emissionen
durch Landnutzung)
Erste lauffähige Version
des vollständig regiona
lisierten ICLIPS-Modells,
Szenarienrechnungen
Verbesserte IMP,
„Response Surfaces“ für
pot. Ernteerträge,
Wasserverfügbarkeit u.
nat. Vegetation
„Response Surface“ für
Nahrungsmittelversorgung 2
bis 30.6.98
abgeschlossen
Aktualisierte Version
des Klimamodells
Verbesserte Version des
gekoppelten EAG/ ALMModells,
Kopplung mit regionali
siertem Klimamodell und
Impaktmodellen
(=ICLIPS-Optimie
rungsmodell)
Dynamische Version
des EAG
(unter Einbeziehung der
internationalen Kapital
mobilität)
Verbesserte Version des
kombinierbaren ALMModells
Verbesserte Version des
regionalisierten ICLIPSModells
(Klima-, Ökonomie-, und
Impaktmodelle),
Szenarienrechnungen
„Response Surface“
für Hitzestress
bis 31.12.98
abgeschlossen
Zwischenbericht über
ausgeführte Optimie
rungsrechnungen mit
SIAM
Szenarienrechnungen
mit Hilfe der IMP
Szenarienrechnungen
mit dem gesamten
MiniCAM-Modell zur
ökonomischen Bewer
tung von Klimaschutz
strategien
Endversion d. ICLIPSModells,
Szenarienrechnungen
zur Bestimmung der
Gesamtheit aller tole
rierbaren Klimaschutz
strategien,
Interaktive Version des
ICLIPS-Modells
Endversion d. ICLIPSOptimierungsmodells,
Szenarienrechnungen
zur Bestimmung opti
maler Klimaschutzstra
tegien unter
Berücksichtigung von
Leitplanken
Szenarienrechnungen
mit der dynamischen
Version des EAG
„Response Surface“
für Meeresspiegelan
stieg
Szenarienrechnungen
mit IMP
bis 30.06.99
abgeschlossen
Szenarienrechnungen
mit SIAM
1.7.1996 — 30.6.2000
Dokumentation des
Modells
Dokumentation des
Modells
Dokumentation des
Modells
Dokumentation des
Modells;
Erstellung der
CD-ROM
(n Bearbeitung)
Dokumentation der
Modelle
Dokumentation der
Modelle
bis 30.6.00
abgeschlossen
Dokumentation der
Modelle
Die Erstellung der ICLIPS-Datenbank sowie die praktische Politikberatung erfolgt projektbegleitend. Auf eine Darstellung im Zeitplan wurde deshalb verzichtet.
Edmonds,
PNNL, Washington
Erste lauffähige Version
der Modellplattform für
den Impaktbereich (IMP)
bis 31.12.97
abgeschlossen:
Vollständig regionali
sierte Version des Kli
mamodells
Alcamo,
USF, Kassel
Hasselmann,
MPI, Hamburg
Projektpartner
Abbildung 1: Strukturplan und Ablauf des ICLIPS Projektes:
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Erforschung von Klimasystem, Klimafolgen und Klimaschutzstrategien geleistet. In dieser
kurzen Darstellung wird deshalb im folgenden auf eine getrennte Darstellung von allgemeinem
Stand der Forschung einerseits und eigenen Vorarbeiten andererseits verzichtet. Alle entsprechenden Informationen erschließen sich aus den gegebenen Literaturhinweisen.
Die Beschreibung des Wissensstandes ist bewußt ausführlich gehalten, um die Besonderheiten des abgeschlossenen Projekts und seine Einbettung in den damaligen Gesamtkontext
deutlich zu machen.
Kosten-Nutzen-Abschätzungen
Zentrales Element der formalisierten Kosten-Nutzen-Analyse von Klimafolgen sind so
genannte Schadensfunktionen, welche die wirtschaftlichen und gegebenfalls auch die sozialen
Auswirkungen von Klimaänderungen in monetarisierbarer Form zusammenfassen. Dabei gelten die Arbeiten von Nordhaus [1991] zur systematischen Quantifizierung von ökonomischen
Klimaschäden für die USA als Pionierarbeit und Ausgangspunkt für zahlreiche ähnliche Studien. So erweiterte Fankhauser [1993] den Ansatz zu einer globalen Perspektive. Beide Studien beziehen sich dabei auf eine Anreicherung von Treibhausgasen mit der äquivalenten
Wirkung einer CO2-Konzentrationsverdoppelung.
Die übliche Richtung für die Bestimmung direkter Klimawirkungen auf die Gesellschaft ist
bottom-up. Beispielsweise geht man von der Klimasensibilität wichtiger Ackerpflanzen in ausgewählten kleineren Regionen aus, aggregiert die gewonnenen Einsichten auf der Ebene ökonomischer (Sub-)Sektoren bzw. Großregionen und skaliert die Ergebnisse - falls diese nicht zu
bruchstückhaft ausfallen - schließlich bis zur Ebene der Volkswirtschaft hoch [siehe z.B. Parry
et al. 1988].
Der weitgehend statische bottom-up Ansatz liefert wertvolle Hinweise auf die Größenordnung der zu erwartenden Schäden. Doch erfordert die intensive Wechselwirkung zwischen
Klima- und Wirtschaftssystem eine dynamische Betrachtungsweise unter Berücksichtigung
indirekter Effekte, wie z.B. intersektoraler Ausgleichsbewegungen. Scheraga et al. [1993]
haben dieser Notwendigkeit als erste Rechnung getragen: Mit Hilfe des dynamischen Jorgenson-Wilcoxen-Modells vom "General Equlibrium"-Typ präsentieren sie eine top-down Analyse der volkswirtschaftlichen Gesamtwirkungen für einen genau definierten Satz von
klimainduzierten Störungen (Anstieg landwirtschaftlicher Produktionskosten, Anstieg der
Stromkosten, Anstieg der Aufwendungen für Küstenschutzmaßnahmen). Die Verwendung von
General Equilibrium-Modellen ermöglicht den Nachweis, dass ein Klimawandel bedeutsame
intersektorale Ressourcenflüsse auslösen kann. Leider fehlen selbst in den fortgeschrittensten
Modellen bisher wichtige klimasensible Eingangsgrößen, wie z.B. das Süßwasserangebot.
Was die Vermeidungskosten, also die gesellschaftlichen Aufwendungen für den Klimaschutz, angeht, existiert bereits eine Fülle modellgestützter Studien [z.B. Manne und Richels
1992; Manne und Rutherford 1993; Jorgenson und Wilcoxen 1993]. Diese Untersuchungen
kommen allerdings zu unterschiedlichen Kostenabschätzungen für die Erreichung desselben
Klimaschutzzieles, da sie von verschiedenen Zukunftsprojektionen für die ungebremste Entwicklung von Treibhausgasemissionen ausgehen.
Edmonds et al. [1993] haben mit Hilfe einer modifizierten Version des Edmonds-ReillyBarns-Modells einen quantitativen Vergleich verschiedener Mechanismen für die Implementierung eines hypothetischen Klimaschutzprotokolls durchgeführt. Eine solche Instrumentenanalyse ist nötig, da aufgrund der wirtschaftlichen und sozialen Disparitäten die beste sozioökonomische Strategie zur weltweiten Emissionsminderung möglicherweise nicht durch eine
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homogene Reduktionsverpflichtung gegeben ist. Edmonds et al. haben in ihren Berechnungen
insbesondere drei alternative Instrumente berücksichtigt: einheitliche Besteuerung, Zertifikatesystem und individuelle (regionale) Reduktionspflichten. Dabei kommen sie zu dem Schluß,
dass jedes internationale Abkommen zur Minderung von Treibhausgasemissionen aufgrund
der sich ändernden ökonomischen Randbedingungen fortwährend "nachgeregelt" werden
muss. Desweiteren erweisen sich im Rahmen der Modellrechnungen die Kosten individueller
Reduktionsziele als doppelt so hoch wie bei einem international koordinierten Vorgehen.
Ein erster Versuch, einen heterogenen Satz von Kosten-Nutzen-Abschätzungen in ein
geschlossenes Bild zu integrieren, stammt von Cline [1992]. Mit Hilfe eines einfachen Modells
vergleicht er die Ergebnisse verschiedener Energie-Wirtschafts-modelle (Vermeidungskosten)
bzw. einschlägige Untersuchungen zur Bewertung der Klimaschäden.
Integrierte Modelle
Im Rahmen der Klimaschutzproblematik sind solche Modelle als vollintegriert zu bezeichnen, welche den gesamten Bogen von den Treibhausgasemissionen über die biogeochemischen
Zyklen bis hin zu den Klimawirkungen beschreiben. Aus praktischen Gründen werden jedoch
drastische Vereinfachungen in der Darstellung dieser komplexen Zusammenhänge vorgenommen. Für Wirtschafts- und Sozialwissenschaftler bietet dieser Ansatz dennoch den Vorteil, die
möglichen ökonomischen Verluste aufgrund eines Klimawandels (Schadensfunktion) in einem
verständlichen und einheitlichen analytischen Rahmen mit den Kosten für eine Vermeidung
oder Abschwächung des Klimawandels zu vergleichen. Auf der Basis der jeweiligen Abschätzungen kann, unter Verwendung einer einheitlichen Metrik für Schäden und Kosten, eine effiziente Klimapolitik entwickelt werden.
Die radikalsten Strukturverdichtungen werden i. A. bei der Darstellung des gekoppelten
Ozean-Atmosphären-Systems vorgenommen, indem die hochkomplexen Eigenschaften der
allgemeinen Zirkulationsmodelle (AOGCMs) auf einige wenige Gleichungen heruntergebrochen werden. Doch auch die Abbildung der sozio-ökonomischen Systeme stellt eine extreme
Vereinfachung dar: der Globus wird nur durch einige wenige, einheitliche Regionen (manchmal nur eine einzige) dargestellt; es wird häufig nur eine repräsentative Ein-Gut-Produktionsfunktion verwendet; die Reduzierung von Treibhausgasemissionen entspricht eineindeutig
einer Reduktion des Energieverbrauchs, usw..
Konkret sind vier Modellansätze zu nennen, die das Prädikat integriert verdienen:
• DICE (Dynamic Integrated Model of Climate and the Economy) von Nordhaus [1993a,b].
Dabei handelt es sich um eine Variante von Ramsey’s Modell des optimalen Wachstums,
mit entsprechenden Erweiterungen zur Berücksichtigung von direkten Klimaschäden und
Ressourcenverschiebungen im Zuge von Emissionsreduktionsmaßnahmen. Maximiert wird
in DICE der diskontierte Gesamtnutzen des Pro-Kopf-Konsums. DICE arbeitet, genauso
wie die ähnlichen Modelle von Fankhauser [1993] und Maddison [1994], mit einer einzigen geographischen Region sowie mit einem einzigen aggregierten wirtschaftlichen Sektor.
• Ebenso handelt es sich bei PAGE [Hope et al. 1993] um ein vollintegriertes Modell, das als
Wahrscheinlichkeitskalkül mit einfachen Darstellungen der wichtigsten Elemente des
Mensch-Klima-Systems arbeitet. Dieses Modell benutzt zur Analyse individueller Wahrnehmungen der Klimaproblematik komplexere Nutzenfunktionen. Zu dieser Klasse von
Modellen gehört auch ICAM [Dowlatabadi and Morgan 1993].
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• Bei MERGE (Model for Evaluating Regional and Global Effects of GHG Reduction Policies; [Manne et al. 1995]) handelt es sich um ein Modell, das regionale Besonderheiten im
Hinblick auf die Klimaproblematik berücksichtigt. Es besteht aus drei Komponenten:
einem Modell zur Berechnung der gesamtwirtschaftlichen Dynamik [Manne und Richels
1992], einem vereinfachten Kohlenstoffkreislaufmodell [Maier-Reimer und Hasselmann
1987] und einem Modell zur Klimaschadensabschätzung. MERGE versucht als eines der
ersten integrierten Modelle auch nicht-ökonomische Auswirkungen des Klimawandels zu
berücksichtigen.
• Auch IMAGE 2.0 [Alcamo 1994] berücksichtigt räumliche Spezifika. Es ist jedoch nur als
teilintegriert zu bezeichnen, da es nicht erlaubt, Kosten von Emissionskontrollstrategien zu
berechnen oder ökonomische Klimawirkungen zu quantifizieren. Jedoch erlaubt IMAGE
die Berechnung fast beliebiger Szenarien, was sicherlich als eine wesentliche Stärke des
Modells zu bezeichnen ist.
• Schließlich sollte noch der Ansatz von Richels und Edmonds [1994; Wigley et al. 1996]
erwähnt werden, in dem von einer vorgegeben Obergrenze der Treibhausgaskonzentrationen auf die dafür in Frage kommenden globalen Emissionspfade zurückgerechnet wird.
Diese Pfade werden anschließend hinsichtlich ihrer Kosten miteinander verglichen. Die
Grundphilosophie diese Ansatzes ist in der nachfolgend dargestellten inversen Analysestrategie des WBGU vollständig umgesetzt.
Inversanalyse von Klimaschutzstrategien
Im Rahmen eines Sondergutachtens des Wissenschaftlichen Beirates “Globale Umweltveränderungen“ der Bundesregierung anläßlich der Berliner Vertragsstaatenkonferenz [WBGU
1995, 1996] hat das PIK umfangreiche Arbeiten zur “Rückwärtsberechnung“ globaler Klimaschutzstrategien unter Benutzung des “Tolerable Windows Approach“ durchgeführt.
Die inverse Analyse von Klimaschutzstrategien geht von der Spezifikation tolerierbarer
Klimaentwicklungen aus, d.h. jener Entwicklungen, die in ihren ethischen, ökonomischen,
sozialen oder politischen Implikationen und Wirkungen für die Menschheit noch akzeptabel
sind. In einer Rückwärtskalkulation werden - im Gegensatz zum traditionellen Zugang zu integrierten Abschätzungen - zunächst die globalen Emissionsprofile berechnet, welche die Realisierung solcher Klimaentwicklungen garantieren. In einem weiteren Schritt können daraus
nationale Reduktionspflichten errechnet werden, die (im Idealfall) den jeweiligen ökonomischen und gesellschaftlichen Besonderheiten Rechnung tragen.
Die Argumentation im WBGU-Sondergutachten war im einzelnen wie folgt: Zuerst wurde
aus ethischen und ökonomischen Überlegungen heraus eine grobe Abschätzung des tolerierbaren Klimafensters vorgenommen. Aus Einfachheitsgründen wurde das Fenster nur in Bezug
auf eine durch den Anstieg der globalen Mitteltemperatur und ihre Änderungsrate charakterisierte Klimaentwicklung formuliert. Die tolerierbaren Temperaturen wurden - unter Addition
einer Toleranzmarge - aus der Betrachtung der globalen Mitteltemperaturen während der jüngeren Menschheitsgeschichte (oberes Quartär) gewonnen. Die zulässigen Temperaturänderungen als vereinfachtes Maß ökonomischer Schäden wurden durch Expertenwissen abgeschätzt,
wobei die wirtschaftlichen Verluste 5% des globalen BSP nicht übersteigen sollten. Das resultierende Fenster tolerabler Klimaentwicklungen entspricht in etwa den von Krause et al.
[1992] entwickelten Grenzwerten für die Vermeidung untragbarer Risiken, wobei jedoch in der
letztgenannten Studie keine Synergieeffekte zwischen Temperaturanstieg und Temperaturänderungsrate berücksichtigt wurden.
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Durch Verwendung eines einfachen Klima- und Kohlenstoffzyklusmodells, das vom Deutschen Klimarechenzentrum entwickelt wurde [Hasselmann 1995] und sich aus Einfachheitsgründen auf CO2 beschränkt, konnten daraufhin die tolerierbaren Emissionspfade berechnet
werden - also jene künftigen globalen CO2-Emissionsszenarien, die die Klimadynamik innerhalb des tolerierbaren Fensters halten. Als Kriterium für die Bewertung der hinischtlich des
Klimafensters zulässigen Pfade diente die kumulative Emission innerhalb eines vorgegebenen
Zeithorizontes (in diesem Falle 200 Jahre).
Der unter diesen (wenigen) Randbedingungen ermittelte “optimale“ Emissionspfad wies
für den genannten Zeithorizont eine kumulative Emission von 867 Gt C (entspricht ca.
3180 Gt CO2) auf, verlangte aber im Rahmen der Optimierung zeitweise radikalste Emissionsreduzierungen von bis zu 60% pro Jahr! Ähnlich bizarre Züge wies auch der Emissionspfad
auf, der zunächst von einem möglichst langen Verfolgen des “business as usual“-Pfades (ca.
25 Jahre) ausging. In diesem Fall betrug die kumulative Emission 838 Gt C. Um die unrealistischen Sprünge in den Emissionspfaden zu verhindern, wurde die Menge der generell zulässigen Emissionsfunktionen auf glatte, durch einen kontinuierlichen exponentiellen Verlauf
gekennzeichnete Pfade beschränkt. Die sich dann ergebende Lösung mit der höchsten kumulativen Emission (ca. 785 Gt C) erforderte nach einer fünfjährigen Übergangsfrist eine jährliche
Reduktion der CO2-Emissionen von zunächst ca. 1%, später (nach 160 Jahren) von ca. 0.25%.
Die Ergebnisse der letztgenannten Analysen wurden sodann als Grundlage für erste
Berechnungen länderspezifischer Reduktionspflichten genutzt. Auf der Basis unterschiedlicher
Emissionszuweisungsschemata (weltweit gleiche pro-Kopf-Verschmutzungsrechte, Reduktionslast beschränkt auf die Annex-I Staaten, mittelfristige Steigerung der Emissionen zur
Ermöglichung einer nachholenden Entwicklung in den Entwicklungsländern) ergab sich für
die Bundesrepublik eine Reduktionslast von ca. 80% bis zum Ende des 21. Jahrhunderts.
Der besondere Charakter des ICLIPS-Projektes lag unter anderem darin, dass die Schlüsselhypothesen und quantitativen Setzungen der WBGU-Studie empirisch und theoretisch
untersetzt bzw. verbessert werden konnten. Der Invers-Ansatz wurde auf diese Weise zu einer
belastbaren vollintegrierten Abschätzung von Klimaschutzstrategien ausgedehnt.
I.5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Mitarbeiter des ICLIPS-Projektes haben weltweit mit zahlreichen anderen Forschungsgruppen zusammengearbeitet, die sich mit den gleichen wissenschaftlichen Problemen befassen. Form dieser Kooperationen waren gemeinsame Arbeiten zu ausgewählten Themen,
Vorträge bei diesen Instituten und deren Veranstaltungen sowie Beiträge zu deren Forschungsaktivitäten.
Die wichtigsten Kooperationspartner (über die eigentlichen Projektpartner hinaus) waren:
Deutschland
• Forum für Energiemodelle und Energiewirtschaftliche Systemanalysen,
Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung,
Universität Stuttgart
• Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung (DIW),
Berlin
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• Arbeitsgruppe Energiesystemanalyse (Prof. Dr. Reiner Kümmel),
Institut für Theoretische Physik,
Universität Würzburg
• Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie,
Wuppertal
Europa
• European Forum for Integrated Environmental Assessment (EFIEA),
Free University of Amsterdam,
Amsterdam, The Netherlands
• Climate Options for the Long Term (COOL) Project,
National Institute for Public Health and the Environment (RIVM),
Bilthoven, The Netherlands
Global
• Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC),
Geneva, Switzerland
• Energy Modeling Forum (EMF),
Stanford University,
Stanford, California, USA
• Department of Economics (William Nordhaus, DICE/RICE Model),
Yale University,
New Haven, Connecticut, USA
• Joint Program on the Science and Policy of Global Change,
Massachusetts Institute of Technology (MIT),
Cambridge, Massachusetts
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II. Eingehende Darstellung
II.1. Erzieltes Ergebnis
II.1.1. Überblick
Hauptziel des ICLIPS-Projekts war es, ein integriertes Modell des globalen Klimawandels
(“Integrated Assessment Model”, IAM) zu entwickeln, das zur Beratung klimapolitischer Entscheidungsträger für eine Vielzahl von Fragen hinsichtlich der Umsetzung der Klimarahmenkonvention einsetzbar ist. Solche integrierten Modelle zeichnen sich dadurch aus, dass die
gesamte Wirkungskette des Klimawandels von der anthropogenen Verursachung über die
atmosphärischen und klimatischen Veränderungen bis hin zu deren Auswirkungen auf natürliche Systeme und die Gesellschaft berücksichtigt werden und somit eine konsistente Analyse
verschiedener Politikoptionen möglicht ist.
Innerhalb der Projektlaufzeit konnte im Rahmen einer erfolgreichen internationalen
Kooperation mit dem ICLIPS-Modell ein detailliertes integriertes Modell des Klimawandels
erstellt werden. Damit ist es der deutschen Klimawirkungsforschung gelungen, in diesem für
die praktische Politikberatung wichtigen Forschungsfeld Anschluss an die internationale Entwicklung zu finden und in wichtigen Teilbereichen eine führende Rolle einzunehmen.
Das im Rahmen des ICLIPS-Projektes entwickelte integrierte Modell des Klimawandels
verknüpft eine Reihe von disziplinären Modellen auf innovative Weise. Es setzt sich zusammen aus einem Modell für den Kohlenstoffzyklus und die Atmosphärenchemie, einem Klimamodell, Klimawirkungsmodellen für die Bereiche natürliche Vegetation, Landwirtschaft und
Wasserverfügbarkeit, zwei ökonomischen Modellen mit unterschiedlichen Zeithorizonten,
einem Technologiemodul in Form dynamischer Vermeidungskostenfunktionen und einem
Landnutzungsmodell.
Als entscheidungstheoretische Grundlage für das ICLIPS-Modell wurde der erstmals 1995
vom WBGU vorgeschlagene “Tolerable Windows Approach” (Fensteransatz, Leitplankenansatz) gewählt. Charakteristisch für den Leitplankenansatz ist es, im Rahmen einer Inversanalyse die Gesamtheit der Klimaschutzstrategien zu ermitteln, die mit bestimmten, normativ
gesetzten Leitplanken verträglich sind. Ein solch umfassender Anspruch ist nur mit einem sehr
recheneffizienten Modell einzulösen. Dies macht zwar an manchen Stellen einen gewissen
Verzicht auf an sich wünschenswerte Komplexität erforderlich; dennoch konnten im ICLIPSModell für das Klimaproblem entscheidende Prozesse in einer Detailgenauigkeit abgebildet
werden, wie dies in anderen intertemporal optimierenden Modellen (z. B. DICE, RICE,
MERGE) bisher nicht der Fall war.
Hervorzuhebende Stärken des ICLIPS-Modells im Vergleich zu anderen für Inversanalysen
geeigneten Modellen sind insbesondere:
• die Einbeziehung wichtiger nichtlinearer Prozesse im Modell des Kohlenstoffzyklus,
• ein nummerisch sehr effizientes Klimamodell, das alle relevanten Treibhausgase berücksichtigt,
• regional aufgelöste, sektorspezifische Klimawirkungsfunktionen (“Climate Impact
Response Functions”, CIRFs) für die nicht-monetäre Beschreibung der erwarteten Auswirkungen einer Klimaänderung,
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• ein ökonomisches Langfristigmodell, das den Handel mit Emissionsrechten zwischen
11 Weltregionen ermöglicht und darüber hinaus erstmalig kostendämpfende Effekte des
technologischen Lernens mit einbezieht sowie
• das Vorhandensein eines konsistenten mathematischen Rahmens für die Inversanalyse.
Durch die erfolgreiche Modellanwendung gelang es dem ICLIPS-Projekt, die konzeptionelle Umsetzbarkeit, die nummerische Handhabbarkeit sowie die politische Relevanz des Leitplankenansatzes nachzuweisen. Mittels einer Vielzahl von Publikationen (insgesamt über 60,
davon mehr als 20 in begutachteten Zeitschriften) sowie durch die rege Teilnahme an nationalen und internationalen Kongressen und interdisziplinären Workshops (insgesamt mehr als
100 Vorträge der ICLIPS-Gruppe am PIK) konnte der Leitplankenansatz der wissenschaftlichen Gemeinschaft sowie einer Vielzahl klimapolitischer Entscheidungsträger bekannt
gemacht werden. Eine konkrete Beratung klimapolitischer Entscheidungsträger erfolgte unter
anderem im Rahmen mehrerer Gesprächsrunden mit Vertretern des Umweltbundesamtes und
des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, durch die aktive Mitarbeit an verschiedenen Stellungnahmen des Wissenschaftlichen Beirates “Globale Umweltveränderungen” der Bundesregierung (WBGU), durch Mitwirkung am “COOL Global
Dialogue Process” in den Niederlanden sowie durch die führende Beteiligung mehrerer Projektmitglieder an der Erstellung des 3. Sachstandsberichts (Third Assessment Report) des
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
Mehrere internationale ICLIPS-Workshops am PIK haben sowohl wichtige Erkenntnisse
für die weitere Projektarbeit erbracht als auch die Arbeit des ICLIPS-Projektes international
führenden Wissenschaftlern bekannt gemacht. Die Vorträge des ersten ICLIPS-Workshops am
PIK wurden als Buch veröffentlicht: F. Toth: FAIR WEATHER? - Equity Concerns in Climate
Change, Earthscan, London (1999). Die Vorträge des zweiten Workshops sind als Sonderausgabe der Zeitschrift “Climatic Change” erschienen (Climatic Change, Vol. 46, No. 3,
August 2000, Guest Editor: F. Toth).
Die wesentlichen Projektergebnisse werden in Kürze in einer (weiteren) Sonderausgabe
der Zeitschrift “Climatic Change” veröffentlicht sowie auf einer CD-ROM der Fachöffentlichkeit zugänglich gemacht.
Im Rest dieses Abschnitts werden die einzelnen Teilmodelle kurz eingeführt. In den folgenden Abschnitten werden dann alle wichtigen Aktivitäten innerhalb des ICLIPS-Projekt und die
dabei erzielten Ergebnisse detailliert beschrieben. Der Schwerpunkt liegt hierbei zwar auf den
vom BMBF finanzierten Vorhaben; im Hinblick auf eine abgeschlossene Darstellung des
Gesamtprojektes werden aber auch die vom BMU bzw. aus PIK-Eigenmitteln unterstützten
Arbeiten in der gebotenen Kürze dargestellt. Zuerst wird die Weiterentwicklung des Fensteransatzes beschrieben und das Lösungsverfahren für die Berechnung von zulässigen Emissionskorridoren (einem Hauptergebnis des ICLIPS-Modells) vorgestellt. In den folgenden
Abschnitten wird der erzielte Fortschritt in den einzelnen Komponenten des ICLIPS-Modells
erläutert. Abschließend wird die Zusammenführung der Teilmodelle zum integrierten ICLIPSModell dargestellt, und es werden beispielhafte Ergebnisse aus der Anwendung des integrierten Modells präsentiert.
Zentraler Bestandteil des ICLIPS-Gesamtmodells ist ein vereinfachtes Klimamodell, welches durch die Modellierung des Kohlenstoffkreislaufs, der Atmosphärenphysik aller weiteren
Treibhausgase und der Aerosole sowie des globalen Klimasystems eine Verbindung zwischen
der Emission von Treibhausgasen über die Zeit und den daraus resultierenden Klimafolgen
- 14 -
herstellt. Obwohl dieses Modell auch die wichtigsten nichtlinearen Prozesse des globalen Kohlenstoffkreislaufs berücksichtigt, konnte es nummerisch sehr effizient gestaltet werden.
Die Auswirkungen von Klimaänderungen auf relevante Systeme und Sektoren werden im
ICLIPS-Modellverbund durch Klimawirkungsfunktionen repräsentiert. Diese Funktionen
nehmen die von komplexen allgemeinen Zirkulationsmodellen prognostizierten Klimaänderungen einschließlich ihrer räumlichen und saisonalen Variabilität zum Ausgangspunkt, um
deren vielfältige Auswirkungen auf die natürliche Umwelt und die menschliche Gesellschaft
zu untersuchen. Regional spezifische Klimawirkungsfunktionen für die gesamte Erde wurden
für die Veränderung der natürlichen Vegetation, der landwirtschaftlichen Erträge sowie der
Wasserverfügbarkeit erstellt. Darüber hinaus liegen einzelne Ergebnisse für gesundheitliche
Auswirkungen einer Klimaänderung und für die Bedrohung von Küstenregionen durch einen
Anstieg des Meeresspiegels vor. Klimawirkungsfunktionen sind insbesondere nutzbar, um
Leitplanken im Bereich der Klimafolgen zu formulieren und in TWA-Analysen aufzunehmen.
Damit wurde es möglich, Korridorrechnungen durchzuführen, in denen Leitplanken aus der
gesamten im ICLIPS-Projekt untersuchten Wirkungskette konsistent berücksichtigt werden.
Die für das Klimaproblem relevanten Zeitskalen des gekoppelten Atmosphäre-OzeanSystems liegen überwiegend im Bereich von Jahrzehnten und sogar Jahrhunderten. Die Modellierung der Entwicklung des sozioökonomischen Systems über einen so langen Zeitraum ist
keine ökonomische Standardaufgabe. Das im integrierten ICLIPS-Modell genutzte Langfristmodell ist ein ökonomisches Wachstumsmodell, welches ein wesentliches Element des ökonomischen Entwicklungsprozesses, den Investitions- und Kapitalakkumulationszyklus,
endogen erklärt. Auf der Basis exogener Annahmen zur Bevölkerungsentwicklung und zur
Entwicklung bestimmter Technologieparameter wird die ökonomische Entwicklung (Entwicklung des Bruttosozialproduktes) jeder untersuchten Region berechnet. Das Modell wird als
multiregionales Modell für 11 Weltregionen formuliert. Dies erlaubt es einerseits, den unterschiedlichen Start- und Entwicklungsbedingungen verschiedener Regionen Rechnung zu tragen und die sich aus den interregionalen Wechselbeziehungen ergebenden,
wachstumsbestimmenden Einflüsse endogen abbilden; andererseits können die verschiedenen
Potenziale und Interessen hinsichtlich der Umsetzung von klimapolitischen Maßnahmen deutlich gemacht werden. Die im Modell berücksichtigten Kategorien interregionaler Beziehungen
umfassen den intertemporalen Handel, die Kapitalmobilität sowie den Emissionsrechtshandel.
Für den Emissionsrechtshandel zwischen Regionen muss jeweils die Anfangsverteilung der
Emissionsrechte angegeben werden. Desweiteren können Beschränkungen des Emissionsrechtshandels implementiert werden.
In das aggregierte Ökonomiemodell ist eine Technologiemodul integriert, das ausgehend
von Annahmen über die Entwicklung von mehreren hundert Energietechnologien die volkswirtschaftlichen Kosten von Emissionsreduktionen bestimmt. Die verschiedenen Optionen zur
Reduzierung von CO2-Emissionen im Energiesektor sind in einer aggregierten CO2-Vermeidungskostenfunktion zusammengefasst, welche die Vermeidungskosten in Abhängigkeit von
der über die Zeit aufsummierten Emissionsreduktion gegenüber dem Referenzpfad beschreibt.
Diese Form der funktionalen Abhängigkeit hat den Vorteil, dass eine Emissionsreduktionsstrategie als kontinuierlicher dynamischer Prozess betrachtet wird, in dem Reduktionsanstrengungen in einer Periode sich in den Folgeperioden kostenreduzierend auswirken. Traditionelle
Vermeidungskostenfunktionen sind nicht in der Lage, diesen endogenen Technologieeffekt
durch “learning by doing” zu berücksichtigen. An das Wachstumsmodell ist darüber hinaus ein
Landnutzungsmodell zur Ermittlung von landnutzungsbedingten Treibhausgasemissionen
angegliedert.
- 15 -
Das oben beschriebene Wachstumsmodell ist wegen seiner - notwendigerweise - einfacheren Struktur nicht geeignet, um detaillierte Analysen über die Auswirkungen kurz- und mittelfristiger Emissionsminderungsmaßnahmen auf einzelne Wirtschaftssektoren durchzuführen.
Zu diesem Zweck wurde ein berechenbares allgemeines Gleichgewichtsmodell entwickelt
und in den ICLIPS-Modellverbund integriert. Dieses Modell ermöglicht im Rahmen kurz- bis
mittelfristiger Politikanalysen Aussagen über Verschiebungen in der Sektor- und Handelsstruktur einschließlich der Relokation energieintensiver Produktionsbetriebe. Endogene Energieeinspareffekte
werden
im
sektoralen
Gleichgewichtsmodell
durch
Substitutionsmöglichkeiten zwischen den verschiedenen fossilen sowie den nicht-fossilen
Energieträgern, zwischen mehr oder weniger energieintensiven Produkten sowie zwischen
Produkten aus verschiedenen Weltregionen erreicht.
- 16 -
II.1.2. Weiterentwicklung des “Tolerable Windows Approach”
Stand der Wissenschaft
Die in der Literatur beschriebenen “Integrated Assessment Models (IAM)” (vgl. IPCC,
1996b; Schellnhuber und Yohe, 1997), deren Ziel es ist, eine integrierte Bewertung von Klimaschutzstrategien zu erlauben, lassen sich im allgemeinen einem der folgenden Modellierungsansätze (IPCC, 1996b) zuordnen.
• Politikbewertungsmodelle:
Die Modelle dieser Modellklasse versuchen, die physikalischen, ökologischen, ökonomischen und sozialen Konsequenzen vordefinierter Klimaschutzstrategien zu bestimmen. Sie
bestehen aus detaillierten prozessbasierten Teilmodellen, die teilweise rückgekoppelt
zusammenwirken und eine oftmals regional aufgelöste Abschätzung der langfristigen
Dynamik des komplexen Mensch-Klima-Systems erlauben. Typische Vertreter dieser Modellkategorie sind die Modelle IMAGE 2.0 bzw. 2.1 (Alcamo, 1994; Alcamo et al., 1998),
TARGETS (Rotmans et al. 1994) und AIM (Morita et al., 1994).
Die Vorgabe einer bestimmten, zu untersuchenden Klimaschutzstrategie erlaubt es, im Hinblick auf die zeitliche Entwicklung schrittweise vorzugehen, was den Einsatz komplexer
Teilmodelle (z. B. für das Klimasystem, die Kreisläufe der Spurengase sowie die
Auswirkungen von Klimaänderungen) und die Durchführung dementsprechend tiefgehender Untersuchungen ermöglicht. Diesem zweifellosen Vorteil steht als Nachteil
gegenüber, dass eine tolerierbare Klimaschutzstrategie u.U. erst am Ende eines langwierigen iterativen “Trial and Error”-Prozesses ermittelt werden kann.
• Politikoptimierungsmodelle:
Die Modelle dieser Klasse sind bestrebt, klimapolitisch relevante Kontrollvariablen, wie
z. B. Emissionsreduktionsraten bzw. CO2-Steuern, im Hinblick auf die Erreichung eines
vorgegebenen Zieles zu optimieren.
Das klassische Verfahren in diesem Zusammenhang stellt die Kosten-Nutzen-Analyse
(KNA) dar, die versucht, sowohl die Kosten von Emissionsminderungsmaßnahmen als
auch ihren Nutzen (die dadurch vermiedenen Klimafolgen) zu bestimmen, beide
gegenüberzustellen und denjenigen Pfad zu ermitteln, der die globale Wohlfahrt maximiert.
Da eine vollständige Bestimmung zukünftiger Klimafolgen aufgrund der bestehenden Wissenslücken im Bereich der noch sehr jungen, prozessorientierten Klimafolgenforschung
derzeit nicht realisierbar ist, spielen neben KNA-Modellen zunehmend auch Modelle eine
Rolle, die unter Zugrundelegung von Emissions- bzw. Konzentrationszielen kostenoptimale Klimaschutzstrategien zu bestimmen versuchen (Kosten-Effektivitäts-Analyse,
KEA).
Typische Politikoptimierungsmodelle sind die Modelle DICE (Nordhaus, 1994), RICE
(Nordhaus and Yang, 1996), MERGE (Manne et al., 1995), MiniCam (Richels and
Edmonds, 1995), FUND (Tol, 1995) und (mit im Vergleich zu diesen Modellen veränderter
Handhabung der Abdiskontierungsfrage) SIAM (Hasselmann et al., 1997).
Der wissenschaftliche Kenntnisstand im Bereich des globalen Klimawandels ist trotz
erheblicher Fortschritte in den letzten Jahren in vielen Bereichen weiterhin durch große
Unsicherheiten, teilweise sogar partielle Unwissenheit in Bezug auf gesamte, u.U. für die
Bewertung entscheidende Problembereiche gekennzeichnet.
- 17 -
In jüngster Zeit werden deshalb zunehmend IAM vorgeschlagen, welche die vorhandene
Unsicherheit zumindest partiell zu erfassen vermögen. Im Bereich der Politikbewertungsmodelle sind dies die stochastischen Projektionsmodelle, bei denen zumindest einige
Inputgrößen stochastisch behandelt werden, mit dem Ziel, Wahrscheinlichkeitsverteilungen
für die Outputgrößen angeben zu können. Vertreter dieser Kategorie sind Modelle wie
PAGE (Hope et al., 1993) und ICAM-2 (Dowlatabadi, 1995).
In Bezug auf die Ausgestaltung optimaler Klimaschutzstrategien steht naturgemäß die
Frage der Entscheidungsfindung unter Unsicherheit (gegebenenfalls unter Einbeziehung
der vorhandenen Lernmöglichkeiten) im Vordergrund. Wichtige Vertreter hier sind die in
Nordhaus (1994) beschriebene stochastische DICE-Version und das SLICE Modell (Kolstad, 1993).
• Politikleitmodelle:
Neben den beschriebenen Ansätzen hat sich seit kurzem eine neuer Ansatz herausgebildet,
der von normativ zu setzenden Grenzen für die Belastbarkeit der Bevölkerung durch Klimafolgen sowie durch Klimaschutzanstrengungen ausgeht und den mit diesen Restriktionen verträglichen klimapolitischen Spielraum bestimmt. Zu den Ansätzen, die sich in
diese Kategorie einordnen lassen, gehört die so genannte “Safe Landing Analysis”
(Alcamo and Kreileman, 1996; vgl. auch Matsuoka et al., 1996) sowie der “Tolerable Windows Approach” (synonym: Fensteransatz, Leitplankenansatz) der 1995 vom Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen vorgeschlagen
und in ICLIPS weiterentwickelt wurde (WBGU, 1995).
Zu den grundlegenden Eigenschaften dieser Ansätze gehört die explizite Trennung von
normativen Entscheidungen und wissenschaftlicher Analyse, die hohe Flexibilität in Bezug
auf unterschiedlichste normative Vorgaben von Seiten der zu beratenden klimapolitischen
Entscheidungsträger sowie die Fähigkeit, durch Vorgabe von “Grenzen des Wissens” auch
Aspekte partieller Unwissenheit zu berücksichtigen.
Politikleitmodelle rücken die Gesamtheit der mit den gesetzten Grenzen kompatiblen Klimaschutzpfade in den Vordergrund und vermeiden dadurch die bei Bewertungsmodellen
oftmals anzutreffende Fokussierung auf einige wenige Szenarien. Im Vergleich zu KostenNutzen-Modellen ist zu betonen, dass eine umfassende Monetarisierung von Klimafolgen
nicht zwingend erforderlich ist, dass dieses Verfahren aber bei entsprechender normativer
Vorgabe durch den zu beratenden Entscheidungsträger selbstverständlich ebenso wie eine
Abdiskontierung der Klimafolgekosten angewendet werden kann. Die den Politikleitmodellen zugrunde liegenden Ansätze versuchen somit die Lücke zu schließen, die zwischen
den bisher dominierenden Ansätzen klafft. Sie sind nicht als Ersatz zu ihnen anzusehen,
sondern sie dienen zur Erstellung komplementärer Modelle, die - wie im folgenden gezeigt
werden wird - wichtige, bisher nicht verfügbare Informationen liefern können.
Leitplankenansatz
Der 1995 vom Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) vorgeschlagene Fensteransatz konnte im Laufe des Projektes erfolgreich zu
einem umfassenden Leitplankenansatz (“Tolerable Windows Approach”, TWA) weiterentwikkelt werden (Petschel-Held et al., 1999; Bruckner et al., 1998; Bruckner et al., 1999; Helm et
al., 1998b; Schellnhuber und Bruckner, 1998; Bruckner und Schellnhuber, 1998), der nicht
allein auf den Bereich des globalen Klimawandels zugeschnitten ist, sondern auch in anderen
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RAUM DER
KLIMAFOLGEN
RAUM DER
BIOGEOCHEMISCHEN
ZUSTÄNDE
RAUM DER
KLIMAZUSTÄNDE
RAUM DER
ATMOSPHÄR.
ZUSAMMENSETZUNG
RAUM DER
TREIBHAUSGASEMISSIONEN U.
AEROSOLE
RAUM DER
NATIONALEN
EMISSIONSKONTINGENTE
RAUM DER
MÖGLICHEN
KLIMASCHUTZINSTRUMENTE
RAUM DER
AUSWIRKUNGEN
VON EMISSIONSMINDERUNGEN
NORMATIVE LEITPLANKEN
ANTROPOSPHÄRE
Abbildung 3: Beispiele für Zusammenhänge (durchgezogene rote Pfeile) zwischen den Teilbereichen
(schraffierte Flächen) des globalen Klimawandels. Neben Einflüssen zwischen benachbarten Räumen
(z. B. Temperaturabhängigkeit biogeochemischer Zustände) sind auch weiterreichende Beziehungen
(z. B. Kohlendioxidabhängigkeit des Pflanzenwachstums) relevant. Die Vorgabe von Leitplanken
führt primär zu einer Begrenzung der zugelassenen Entwicklungspfade auf die Elemente der grün
wiedergegebenen „Fenster“. Die durchgezogenen Doppelpfeile deuten an, dass sich diese
Begrenzungen beidseitig auswirken (Schellnhuber und Bruckner, 1998).
Bereichen der Global Change Forschung, insbesondere im Rahmen der Nachhaltigkeitsdiskussion, Anwendung finden kann.
Kurzgefasst lässt sich der Leitplankenansatz wie folgt beschreiben: In einem ersten Schritt
werden eine Reihe von Leitplanken explizit vorgegeben, die insbesondere intolerable Klimaänderungen, aber auch sozioökonomisch nicht akzeptable Emissionsminderungsmaßnahmen
ausschließen sollen. Ausgehend davon wird durch eine wissenschaftliche Analyse der dafür
relevanten Teile des „Systems Erde” die Gesamtheit aller Klimaschutzstrategien bestimmt, die
mit den normativ gesetzten Leitplanken verträglich sind. Hauptaufgabe dieses Ansatzes ist es
somit, unter Berücksichtigung der “Trägheit” des sozioökonomischen Systems, welche die
Minderungsrate der Treibhausgasemissionen beschränkt, mittelfristige Emissionsspielräume
bzw. mögliche Emissionsreduktionsziele zu bestimmen, die mit langfristig definierten Klimaschutzzielen verträglich sind. Abbildung 4 verdeutlicht die konkrete Vorgehensweise bei der
Umsetzung des Leitplankenansatzes.
Der Ansatz unterstützt die Beantwortung wichtiger Fragen, die zu Beginn der Verhandlungen über eine nächste “Commitment Period” der UN-Klimarahmenkonvention erhebliche
Bedeutung erlangen werden. Er ergänzt damit Analysen zu den ökonomischen Auswirkungen
konkreter Maßnahmen zur Realisierung kurzfristiger Emissionsreduktionsziele, die derzeit im
Mittelpunkt der klimapolitischen Diskussion stehen.
Der Leitplankenansatz kann in verschiedener Weise angewendet werden, um die Entscheidungsfindung zum Themenkomplex des Klimawandels zu unterstützen: Forscher haben die
Möglichkeit, die Leitplanken im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse systematisch zu variieren.
Entscheidungsträger können überprüfen, ob ihr Satz von Leitplanken konsistent ist, d. h., ob es
(zumindest) einen Politikpfad gibt, der mit den gewählten Leitplanken verträglich ist. Ausgestattet mit einem ganzen Bündel von möglichen, nicht a priori unverträglichen Politikstrate-
- 19 -
Empirische bzw. modellgestützte Analyse der
involvierten Teilsysteme: Ökosysteme, Klimasystem und
sozio-ökonomisches System
Informierte, explizit normative Vorgabe von
Leitplanken zum Ausschluss von
• intolerablen Klimafolgen sowie von
• sozio-ökonomisch nicht akzeptablen
Emissionsminderungsmaßnahmen
Bestimmung der Gesamtheit aller zulässigen
Klimaschutzstrategien durch integrierte modellbasierte
Analyse
Auswahl eines bestimmten Klimaschutzpfades durch
die zusätzliche Berücksichtigung qualitativer Aspekte
(z. B. Vorsorgeprinzip), durch eine quantitative
Optimierung innerhalb der Leitplanken
(z. B. Kostenminimierung) oder durch politische
Kompromisslösungen
Modellgestützte Detailanalyse der ausgewählten
Klimaschutzstrategie
Abbildung 4: Prinzipielles Vorgehen bei der Anwendung des Leitplankenansatzes
gien, werden klimapolitische Entscheidungsträger eher die notwendige Flexibilität aufweisen,
um in internationalen Verhandlungen tragfähige Kompromisse zu erzielen. Desweiteren
erlaubt das Vorliegen eines ganzen Lösungsbündels die Einbeziehung zusätzlicher (qualitativer) Aspekte, die keinen Eingang in die zugrundeliegende quantitative Analyse gefunden
haben.
Inversanalyse des WBGU
Den Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung des “Tolerable Windows Approach” stellte
die “inverse Translationsstrategie” (“Inversanalyse”) dar, die vom WBGU anlässlich des Sondergutachtens zur 1. Vertragsstaatenkonferenz 1995 in Berlin vorgeschlagen und in seinem
Jahresgutachten 1995 zur Weiterentwicklung empfohlen wurde (WBGU, 1995; WBGU,
1996).
Die inverse Analyse von Klimaschutzstrategien geht von der Spezifikation tolerierbarer
Klimaentwicklungen aus, d.h. jener Entwicklungen, die in ihren ethischen, ökonomischen,
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ICL IPS: I nv er s e Tr an s l at i o n S t r at eg y
Impact
Space s1
Geobiophysical
Space s2
Climate
Space s3
Composit.
Space s4
Emission
Space s5
Quota
Space s6
Instrument
Space s7
Utility
Space s8
Agreement
Zone
Adaptation
Strategies
Tolerable
Impacts
Negotiable
Allowances
Feasible
Measures
Comfortable
Domain
Abbildung 5: Inversanalyse von Klimaschutzstrategien: Grüne und blaue Pfeile kennzeichnen normative
Vorgaben; rote Pfeile stellen Umrechnungen dar, die durch eine wissenschaftliche Analyse der beteiligten
Teilsysteme ermöglicht werden.
sozialen oder politischen Implikationen und Wirkungen für die Menschheit noch akzeptabel
erscheinen. In einer Rückwärtsberechnung (Abbildung 5) werden - im Gegensatz zum traditionellen Zugang zur integrierten Bewertung von Klimaschutzstrategien - zunächst die globalen
Emissionsprofile berechnet, welche die Realisierung solcher Klimaentwicklungen erlauben. In
einem weiteren Schritt können daraus nationale Reduktionspflichten errechnet werden, die den
jeweiligen regional unterschiedlichen ökonomischen und gesellschaftlichen Besonderheiten
Rechnung tragen müssen. Im Idealfall ergibt sich daraus dann eine nichtverschwindende
“Agreement Zone” (Abbildung 5) innerhalb derer nach derzeitigem Wissensstand alle gesetzten normativen Vorgaben eingehalten werden können.
Obwohl sich die strikte Inversanalyse und der Leitplankenansatz von ihrer Grundphilosophie her, nämlich der Vorgabe von Grenzwerten und der Bestimmung des damit verträglichen
Handlungsspielraums, wenig unterscheiden, bietet letzterer dennoch erhebliche konzeptionelle
und methodische Vorteile. Konzeptionell gesehen erlaubt der Leitplankenansatz eine gleichberechtigte Berücksichtigung der erwarteten Folgen einer Klimaänderung und der sozio-ökonomischen Auswirkungen von Emissionsminderungsmaßnahmen, die bei der sukzessiven
Vorgehensweise der Inversanalyse nur schwer realisiert werden kann. Dem Schutz der Umwelt
wird somit im Rahmen des Leitplankenansatzes keine absolute Priorität vor sozio-ökonomischen Belangen eingeräumt. Stattdessen werden im Sinne von Abbildung 5 sowohl Klimafolgen als auch die sozio-ökonomischen Auswirkungen von Emissionsminderungsmaßnahmen
als mögliche Belastungen der betroffenen Gesellschaften interpretiert, die es in Beziehung zu
setzen gilt. Methodisch gesehen erleichtert die simultane Vorgabe von Leitplanken die Bestimmung des verbleibenden Handlungsspielraums, da z. B. auf die Berechnung von allein durch
die Begrenzung von Klimafolgen noch wenig bestimmten Klimapfaden verzichtet werden
kann.
Normative Festlegung von Leitplanken
Die normative, nichtsdestoweniger aber informierte Festlegung von Leitplanken erfolgt
i. A. auf der Basis sogenannter Klimawirkungsfunktionen (Abbildung 6), die im statischen
Fall den heute bekannten Zusammenhang zwischen Klimawandel (beschrieben durch geeignet
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Klimafolgen
Klimawandel
0
Kritischer
Grenzwert
Bereich
unbedeutender
Klimafolgen
Kritischer
Schwellenwert
Bereich
regulären
Verhaltens
Bereich
katastrophaler
Klimafolgen
Abbildung 6: Wissenschaftliche Perzeption des Zusammenhangs zwischen Klimawandel und
Klimafolgen: “Klimawirkungsfunktion” (Bruckner et al., 1999).
gewählte Indikatoren) auf der einen Seite und räumlich, zeitlich sowie sektoral disaggregierten
oder aber auch diesbezüglich aggregierten Klimafolgen auf der anderen Seite widerspiegeln.
Leitplanken können sich somit sowohl auf regional disaggregierte als auch auf globale Klimafolgen beziehen. Sie können transiente und sektor-spezifische Klimafolgen ebenso
beschränken, wie zeitlich oder über Sektoren hinweg gemittelte Werte. Darüber hinaus lässt
sich auch berücksichtigen, dass Klimaschutzanstrengungen ebenfalls zu Belastungen führen
können, die den Klimaschäden zur Bestimmung des Nettoschadens einer Klimaschutzstrategie
- sofern dieser quantifizierbar ist - entweder sektoral disaggregiert oder aber auch über Sektoren hinweg aggregiert gegenübergestellt werden können. Dadurch wird es möglich, Elemente
der traditionellen Kosten-Nutzen-Analyse in einfacher Art und Weise zu berücksichtigen.
Die im Rahmen der Kosten-Nutzen-Analyse eingesetzten Verfahren der Monetarisierung
und Abdiskontierung können bei der Definition von Leitplanken zur Anwendung kommen,
wenn der zu beratende Entscheidungsträger dies wünscht. Sie sind aber kein integraler
Bestandteil des Leitplankenansatzes. Die Abdiskontierung von Vermeidungskosten wird i. A.
weit weniger kontrovers diskutiert als die der meist erst in der ferneren Zukunft auftretenden
Klimaschäden, welche darüber hinaus oftmals Systeme betreffen, für die es keine Marktpreise
gibt. Konventionelle Wohlfahrtsindikatoren, wie z. B. das Bruttosozialprodukt, stellen somit
Indikatoren dar, die gut zur Beschränkung der rein ökonomischen Vermeidungskosten herangezogen werden können (Leimbach und Bruckner, 1999).
Der Leitplankenansatz besitzt eine beträchtliche Flexibilität im Hinblick auf die Möglichkeit, verschiedenartigste prozedurale oder ergebnisbezogene normative Setzungen vorzunehmen. Dies ist wichtig, da die normativen Setzungen durch eine Vielzahl von individuellen und
- 22 -
sozio-kulturellen Wahrnehmungen beeinflusst werden und somit je nach dem zu beratenden
Akteur unterschiedlich ausfallen werden.
Leitplanken können, müssen aber nicht statisch definiert werden. Sich zeitlich verändernde
Randbedingungen (z. B. Bevölkerungszahl, Einkommen, Technologie, Anpassungsfähigkeit)
können Anlass dazu geben, an diese Veränderungen angepasste, d.h. sich ebenfalls dynamisch
entwickelnde Leitplanken zu definieren.
Die Festlegung, welche Indikatoren zur Bestimmung der Leitplanken herangezogen werden, ist selbst eine normative Entscheidung. Antworten auf diese Frage sind daher nicht durch
den Leitplankenansatz vorgegeben; allerdings erscheinen zwei komplementäre Strategien hierfür besonders Erfolg versprechend.
Die Eingrenzungsstrategie versucht, kritische Schwellenwerte (siehe Abbildung 6) des Klimawandels zu identifizieren, die zu großräumigen und irreversiblen Änderungen des Klimasystems führen (z. B. sich selbst verstärkender Treibhauseffekt, Zusammenbruch der
thermohalinen Ozeanzirkulation). Ein Überschreiten solcher systemischer Leitplanken würde
unzweifelhaft eine “gefährliche anthropogene Störung des Klimasystems” darstellen. Die
schrittweise Einbeziehung weiterer solcher “K.O.-Kriterien” und die Ermittlung der zugehörigen, immer eingeschränkteren Emissionskorridore würde die Realisierung von Artikel 2 der
Klimarahmenkonvention unterstützen.
Die Ausweitungsstrategie geht in entgegengesetzter Richtung vor, indem sie sich zunächst
auf die besonders sensitiven Sektoren und Regionen konzentriert. Dementsprechend wird dasjenige Ausmaß des Klimawandels - der sog. kritische Grenzwert gemäß Abbildung 6 - gesucht,
unterhalb dessen, gemäß unserem derzeitigen Wissen, keine signifikanten Auswirkungen auftreten. Ein Einhalten dieser Klimaleitplanke könnte jedoch so hohe Klimaschutzaufwendungen
erfordern, dass die gleichzeitig zu beachtenden sozioökonomischen Leitplanken nicht mehr
eingehalten werden können. In diesem Fall wären die sozialen Akteure gezwungen, ihre normativen Leitplanken so lange zu modifizieren, bis diese miteinander kompatibel sind. Der notwendige politische Entscheidungsprozess wird dadurch transparent gemacht.
Klimapolitische Entscheidungsträger werden die normative Vorgabe von Leitplanken i. A.
auf der Basis von Klimawirkungsfunktionen durchführen, sind aber nicht gezwungen, die Leitplanken einem der beiden in Abbildung 6 explizit ausgewiesenen Werte (kritischer Grenzbzw. Schwellenwert) gleichzusetzen. In der Regel ist es leichter, anzugeben, welche Klimafolgen als sicher nicht mehr akzeptabel angesehen werden, als tolerierbare Klimafolgen zu benennen. Der TWA trägt diesem Umstand dadurch Rechnung, dass Leitplanken im Rahmen dieses
Ansatzes ausschließlich dazu dienen, a priori als nicht tolerierbar angesehene Klimafolgen
(Toleranzgrad 0 in Abbildung 7) auszuschließen. Innerhalb der Leitplanken ist somit ein
Bereich der Unentscheidbarkeit (nicht jedoch notwendigerweise der Indifferenz) denkbar, der
in Abbildung 7 durch Toleranzgrade zwischen 0 und 1 charakterisiert wird (Bruckner et al.
1999).
Aufbauend auf die so definierten Toleranzfunktionen, die die normative Bewertung der Klimawirkungsfunktionen visualisieren, lässt sich der Leitplankenansatz wie folgt skizzieren
(Abbildung 7):
Zuerst werden die entsprechenden Toleranzfunktionen sowohl im Hinblick auf mögliche
Klimafolgen als auch in Bezug auf sozio-ökonomische Auswirkungen von Klimaschutzmaßnahmen ermittelt. Unter Berücksichtigung des (systemaren) Zusammenhangs zwischen (noch
verbleibendem) Klimawandel und Höhe der Treibhausgas-Emissionsreduktion ergibt sich
dann die Menge der mit den Leitplanken verträglichen Emissionsminderungen (charakterisiert
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Normative Leitplankensetzung:
Klimafolgen (KF):
Sozioökonomische Folgen
von Klimaschutzmaßnahmen (SF):
Toleranzgrad
Toleranzgrad
1
1
0
0
Emissionsreduktion
Klimawandel
Wissenschaftliche Analyse:
Klimawandel
Emissionsreduktion
Bestimmung aller zulässigen Klimaschutzstrategien:
Toleranzgrad
1
SF
Toleranzgrad
Toleranzgrad
KF
0
Emissionsreduktion
(a)
Emissionsreduktion
(b)
Emissionsreduktion
(c)
Abbildung 7: Stark vereinfachte (statische) Skizze des Leitplankenansatzes. Gestrichelte Linien deuten
an, dass die wiedergegebenen Beziehungen nicht quantifiziert werden können - und damit auch nicht
notwendigerweise als linear anzusehen sind.
durch Toleranzgrade größer als Null). Die entsprechende Menge ist leer, wenn die Leitplanken
zu restriktiv gewählt wurden (Fall (a) in Abbildung 7). Andernfalls ergibt sich die unter (b)
bzw. (c) angedeutete Gesamtheit aller im hier definierten Sinne zulässigen Emissionsminderungsstrategien.
Abbildung 7 fasst die Diskussion der konzeptionellen Grundlagen des TWA in anschaulicher, wenn auch vereinfachender Weise zusammen. Der folgende Abschnitt beschreibt, wie
das hier für den statischen und (im Hinblick auf Klimafolgen und sozio-ökonomische Auswirkungen von Klimaschutzmaßnahmen jeweils) eindimensionalen Fall skizzierte Konzept auch
in dem problemadäquaten dynamischen und mehrdimensionalen Fall implementiert werden
kann.
- 24 -
II.1.3. Implementierung des “Tolerable Windows Approach”
Bei der Anwendung des TWA lassen sich zwei unterschiedliche Zielsetzungen unterscheiden. Dies ist zum einen die Bestimmung der Gesamtheit aller zulässigen Klimaschutzstrategien, die mit den normativ gesetzten Restriktionen (den „Leitplanken“) kompatibel sind, und
zum anderen - sofern gewünscht - die Bestimmung eines kostenoptimalen Pfades im Sinne
einer „second best“-Optimierung. Während die zweite Aufgabe in den etablierten Rahmen der
„Cost-Effectiveness Analysis“ eingebettet werden kann (IPCC, 1996c), erforderte die erste
Aufgabe die Entwicklung einer vollkommen neuen methodischen Grundlage einschließlich
entsprechender nummerischer Verfahren. Als geeignete mathematische Basis dafür hat sich die
noch sehr junge „Theorie der Differentialinklusionen“ (=Theorie der mengenwertigen Differentialgleichungen) erwiesen (Aubin, 1984; Aubin, 1991; Deimling, 1992).
Die entwickelten nummerischen Methoden berücksichtigen in adäquater Art und Weise die
dynamischen Aspekte des Gesamtproblems, z. B. Restriktionen hinsichtlich der Geschwindigkeit von Klimaänderungen oder der Trägheit des sozio-ökonomischen Systems. Im Hinblick
auf diesen Aspekt kann der TWA als dynamische Verallgemeinerung des im Bereich der
Schwefeldioxidemissionen erfolgreich eingesetzten „Critical Loads Concept“ angesehen werden.
Die eingesetzten Verfahren erlauben es, die Gesamtheit aller zulässigen Emissionspfade
unter Heranziehung von notwendigen bzw. hinreichenden Bedingungen zu beschreiben. Die
Projektion des Bündels der zulässigen Klimaschutzstrategien auf verschiedene Teilräume führt
zu so genannten (Emissions- bzw. Klima-) Korridoren, die später eingehend vorgestellt werden. Solche Korridore lassen sich im folgenden Sinne als Visualisierung notwendiger Bedingungen für akzeptable zukünftige Entwicklungen verstehen: Jeder zulässige Emissions- bzw.
Klimapfad muss in den entsprechenden Korridoren liegen, aber nicht jeder innerhalb des Korridors verlaufende Pfad ist automatisch zulässig. Emissionskorridore dürfen somit insbesondere nicht als „sichere Emissionskorridore“ („safe emission corridors“) missverstanden
werden. Die erforderliche Einsicht in die innere Struktur der Korridore lässt sich aber z. B.
durch geeignete Parametrisierung der Emissionspfade erreichen (vgl. Petschel-Held et al.,
1999).
Bezeichnet man mit x ( t ) den Vektor der Zustandsvariablen, die das zu untersuchende
Gesamtsystem (vgl. Abbildung 5) kennzeichnen, und mit u ( t ) die Gesamtheit aller Kontrollvariablen (z. B. Emissionsreduktionsraten), so lässt sich die Grundaufgabe bei der praktischen
Umsetzung des TWA folgendermaßen skizzieren (Bruckner et al., 1999): Bestimme unter
Berücksichtigung der Trägheit des Gesamtsystems die Menge aller zulässigen Klimaschutzstrategien, d.h. die Menge aller Kontrollpfade u ( t ) , die alle vorgegebenen Leitplanken einhalten.
Im folgenden wird dabei angenommen, dass sich die Evolution des Systems durch eine
geeignet definierte Zustandsdifferentialgleichung der Form
x˙( t ) = f ( x ( t ), u ( t ), t ),
hinreichend genau beschreiben lässt. Im Hinblick auf die Leitplanken wird darüber hinaus
angenommen, dass sie durch die folgende Vektorungleichung
h ( x ( t ), u ( t ), t ) ≤ 0
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wiedergegeben werden können.
Die umfassendste Lösung dieser Grundaufgabe bestünde in der Angabe des Bündels der
entsprechenden zulässigen Klimaschutzstrategien, wiedergegeben z. B. in einem geeignet definierten Funktionenraum. Die quantitative Bestimmung dieses Bündels ist jedoch beim gegenwärtigen Stand der Theorie der Differentialinklusionen nicht möglich, glücklicherweise aber
auch nicht nötig. Für Zwecke der praktischen Politikberatung müsste dieses Bündel nämlich
ohnehin unter Fokussierung auf Teilaspekte allgemein verständlich visualisiert werden. Diese
Teilaspekte (z. B. notwendige Zustandskorridore in Form von Emissionskorridoren) lassen
sich aber direkt bestimmen, ohne dass dazu die umfassende Lösung bekannt sein müsste.
Im Rahmen des ICLIPS-Projektes wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die die
Bestimmung von notwendigen Zustandskorridoren erlauben. In einfach gelagerten Fällen kann
der Rand des Zustandskorridors durch nummerisches Lösen der so genannten Hamilton-Bellman-Jacobi-Gleichung (vgl. Petschel-Held et al., 1999; Moldenhauer et al., 1999) direkt ermittelt werden.
Für die Berechnung von Emissionskorridoren hat sich aber ein alternatives Verfahren
bewährt, bei dem der (zeitlich diskretisierte) Rand des Korridors für verschieden gewählte
Zeitpunkte durch sukzessives Berechnen der entsprechenden maximalen bzw. minimalen
Emissionswerte bestimmt wird (Leimbach und Bruckner, 1999): Mathematisch gesehen ergibt
sich z. B. der Maximalwert E*(t’) der globalen CO2-Emissionen im Jahre t’ durch Maximierung der Emissionen E(t’) unter Beachtung der dynamischen Nebenbedingung (Zustandsdifferentialgleichung)
x˙( t ) = f ( x ( t ), u ( t ), t )
sowie unter Berücksichtigung der statischen Nebenbedingung
h ( x ( t ), u ( t ), t ) ≤ 0,
welche die Leitplanken repräsentiert. Dabei ist zu beachten, dass E(t) eine Komponente des
Zustandsvektors x ( t ) darstellt, die aufgrund der dynamischen Nebenbedingung Einfluss auf
die Entwicklung der anderen Zustandsgrößen nehmen kann. Dies stellt ein typisches dynamisches Optimierungsproblem dar, das z. B. unter Heranziehung des Maximumprinzips von Pontryagin gelöst werden kann (vgl. Petschel-Held et al., 1999). Da der Einsatz dieser auf weiten
Strecken analytischen Methode jedoch ebenfalls auf einfache Systeme beschränkt ist, erfolgt
die nummerische Lösung der dynamischen Optimierungsteilprobleme im Rahmen des
ICLIPS-Modells unter Heranziehung der flexiblen Optimierungsumgebung GAMS (General
Algebraic Modeling System). GAMS bietet verschiedene nummerische Lösungsverfahren an,
was insbesondere im Rahmen von Sensitivitätsanalysen bei nicht-konvexen Problemen von
erheblicher Bedeutung ist.
Aufgrund des erheblichen Rechenaufwandes, der mit der Lösung dynamischer Optimierungsprobleme verbunden ist, war die Verwendung von detaillierten Simulationsmodellen wie
etwa dem am PIK entwickelten Klimamodell CLIMBER (Ganopolski et al., 1998) im Rahmen
des ICLIPS-Modells nicht möglich. Stattdessen musste auf so genannte Reduced-FormModelle zurückgegriffen werden, die nummerisch effizient sind und das Verhalten der detaillierten Prozessmodelle dennoch möglichst genau wiedergeben können. Diese Modellkomponenten werden in den folgenden Abschnitten eingehend beschrieben.
- 26 -
II.1.4. Klimamodell
Überblick und methodische Aspekte
Globale Zirkulationsmodelle (“General Circulation Models”, GCMs) stellen die fortgeschrittensten derzeit verfügbaren Werkzeuge zur Modellierung der Reaktion des Klimas auf
fortgesetzte anthropogene Treibhausgasemissionen dar. Der Rechenzeitbedarf dieser Modelle
liegt jedoch in der Größenordnung von mehreren Monaten für typische Szenarien von einigen
hundert Jahren simulierten Klimas. Da das ICLIPS-Modell iterative Multiszenarienrechnungen
ausführen soll, muss der Rechenzeitbedarf seiner Klimamodule um mehrere Größenordnungen
unter dem der Zirkulationsmodelle liegen.
Hauptaufgabe der Klimamodellierung im Rahmen des ICLIPS-Projektes war es deshalb,
ein nummerisch höchst effizientes „reduced form“-Klimamodell zu erstellen, das die Ergebnisse von GCMs mit ausreichender Genauigkeit reproduzieren kann. Methodisch gelang dies
durch Untersuchung der Impulsantwort komplexer GCMs. Mit Hilfe dieses Verfahrens lassen
sich so genannte Impuls-Antwort-Modelle (Siegenthaler und Oeschger, 1978; Maier-Reimer
und Hasselmann, 1987; Joos et al, 1996, Hooss et al., 2000) erstellen, deren Rechenzeitbedarf
auch für tausendjährige Simulationen unter einer Sekunde liegt. Das gewählte Verfahren
erlaubt für “kleine” Störungen des Klimasystems (gemäß Maier-Reimer und Hasselmann,
1987 und Hasselmann et al., 1993 etwa bis zu einer Verdoppelung der vorindustriellen CO2Konzentration) eine sehr gute Reproduktion der Änderungen aller Variablen (z.B. der Temperatur- und Niederschlagsverteilungen und des Meeresspiegels), die für die Bestimmung von
Klimafolgen von Interesse sind.
Im Rahmen des ICLIPS-Projektes konnten die durch Anwendung der Impuls-AntwortMethode erstellen linearen Modelle durch eine explizite Behandlung dominierender nichtlinearer Effekte (z.B. der nicht-linearen Ozeanchemie, s.u.) erweitert werden, so dass nun auch
die klimatischen Folgen von fortgesetzt hohen Treibhausgasemissionen untersucht werden
können. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich die hierbei auch im Rahmen der GCMs noch
vorhandenen Unsicherheiten (z.B. Abschwächung oder Zusammenbruch des Nordatlantikstromes, Destabilisierung des West-Antarktischen Eisschildes, großräumiger Zusammenbruch von
Ökosystemen) naturgemäß auch in den auf der Basis ihrer Ergebnisse erstellten vereinfachten
Modellen wiederfinden.
Die konkrete Aufgabe des ICLIPS-Klimamodells ist es, durch eine Modellierung des globalen Klimasystems eine Verbindung zwischen den zu erwartenden Klimaänderungen und der
dafür ursächlichen Emission von Treibhausgasen herzustellen (s. Abbildung 8). Das Klimamodell verbindet somit das ökonomische Langfristmodell mit den verschiedenen Klimawirkungsfunktionen, aus denen das ICLIPS-Klimafolgenmodell besteht. Es betrachtet dabei alle
wesentlichen direkten und indirekten Treibhausgase (CO2, CH4, N2O, FCKWs und deren
Ersatzstoffe, SF6, troposphärisches und stratosphärisches O3 sowie stratosphärisches H2O) und
berücksichtigt darüber hinaus den abkühlenden Einfluss von Aerosolen, die durch SO2-Emissionen bzw. durch die Verbrennung von Biomasse verursacht werden.
Das ICLIPS-Klimamodell (s. Abbildung 8) besteht aus biogeochemischen Teilmodellen,
die die mit der Emission von Treibhausgasen verbundene Änderung der dazugehörigen atmosphärischen Konzentration bestimmen, Strahlungstransfermodellen, die die dadurch
bewirkte Veränderung der Strahlungsbilanz der Erde berechnen und dem Klima-Teilmodell
- 27 -
ICLIPS-Ökonomie-Langfristmodell
Extern vorgegebene
Emissionsszenarien
Beeinflussbare
Emissionen
Biogeochemische Teilmodelle
Atmosphärische Konzentration
Modelle zur Modellierung der Störung der Strahlungsbilanz
Extern definierte Störungen der Strahlungsbilanz
(Troposphärisches Ozon und Biomasse-Aerosole)
Gesamte Veränderung der Strahlungsbilanz
Klima-Teilmodell
Thermische Ausdehnung der Ozeane
Globale Mitteltemperatur
Meeresspiegelanstieg durch Abschmelzen
(Gletscher, Grönland, Antarktis)
Gesamter Meeresspiegelanstieg
ICLIPS-Klimawirkungsmodell
Abbildung 8: Struktur des ICLIPS-Klimamodells. Das Klima-Teilmodell erlaubt die Bestimmung der globalen
Mitteltemperatur auf der Bais des Strahlungsantriebes.
- 28 -
Atmospheric CO2
Biosphere Reservoirs
e(t)
Atmosphere
c Bc
Seawater inorganic carbon chemistry.
CO2
c B3
- ++ Ca++
CO2
+
-
+
- CO 3--
H3O + (H+ )
B(OH)3
OH +
-
B(OH)-4
H 2O
q2
c B4
c2
80
cs/GtC
+
H2CO 3
HCO 3-
-
c1
cs(c1)
nonlinear
0
0 c1/GtC
3000
qn
cn
Oceanic mixed layer
Ocean layers
Abbildung 9: ICLIPS-Modell für den globalen Kohlenstoffzyklus. Die Verbundschicht, welche die Atmosphäre
und die gut durchmischte obere Schicht des Ozeans (“oceanic mixed layer”) umfasst , ist links vergrößert
dargestellt. Das Modell berücksichtigt explizit die nichtlineare anorganische Kohlenstoffchemie im
Meerwasser, die zu einer verringerten Löslichkeit von zusätzlichem CO2 in Meerwasser bei steigenden
Hintergundkonzentrationen führt. Der resultierende nichtlineare Zusammenhang zwischen anthropogenem
Kohlenstoff in der durchmischten Ozeanschicht (cs) und in der Verbundschicht (c1) ist aus der eingesetzten
Grafik ersichtlich.
(im engeren Sinne), welches daraus die zu erwartende Veränderung der globalen Mitteltemperatur ermittelt. Die so erhaltenen Informationen dienen auch zur Berechnung des Meeresspiegelanstiegs, wobei die verschiedenen Teilbeiträge (thermische Ausdehnung der Ozeane,
Abschmelzen von Gletschern, Veränderung des grönländischen sowie des antarktischen
Eisschildes) getrennt bestimmt werden. Diese Indikatoren werden in einem nächsten Schritt
mit zeitunabhängigen Klimaänderungsmustern, die aus geeigneten GCM-Experimenten abgeleitet wurden, kombiniert, um eine Abschätzung regionaler Klimaänderungen im Zeitverlauf
zu erhalten.
Modellierung des Kohlenstoff-Kreislaufs
Das am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg erstellte Modell des Kohlenstoffkreislaufes (Hooss et al., 1999 und 2000) besteht aus einer differentiellen Impuls-Antwort-Darstellung des 3-dimensionalen Hamburger Modells des ozeanischen
Kohlenstoffkreislaufes (HAMOCC3i, Maier-Reimer und Hasselmann, 1987), welches durch
eine explizite Modellierung der nichtlinearen Chemie der ozeanischen CO2-Aufnahme erweitert wurde. Es erlaubt nun die Berücksichtigung der konzentrationsabhängigen Löslichkeit und
Dissoziation von CO2, durch die bei erhöhter Konzentration die ozeanische CO2-Nettoaufnahme immer langsamer zunimmt. Das Ozeanmodul, das 4 Ozeanschichten unterscheidet
(Abbildung 9), wird ergänzt durch ein nichtlineares Impuls-Antwort-Modell der Biosphäre
(unterteilt in 3 Reservoire), das die bei höheren Konzentrationen zunehmend geringer anwach-
- 29 -
sende Düngewirkung einer erhöhten CO2-Konzentration berücksichtigt. Die erweiterte
Impulsantwortdarstellung der Biosphäre basiert dabei auf dem Berner terrestrischen Vegetationsmodell (Siegenthaler und Joos, 1992, Kicklighter et al., 1999).
Durch die genannten Erweiterungen gelang es, ein Modell zu erstellen, das die nummerische Effizienz der zugrunde liegenden Impuls-Antwort-Funktionen weitgehend erhält, gleichzeitig aber auch jenseits des Gültigkeitsbereiches der linearen Näherung, d.h. im Bereich hoher
CO2-Konzentrationen, einsetzbar ist.
Modellierung des Verhaltens weiterer Treibhausgase
Die Modellierung des biogeochemischen Verhaltens aller anderen Treibhausgase erfolgt
ebenso wie die Bestimmung der Störung der Strahlungsbilanz (siehe Shine et al., 1990) sowie
des nicht durch thermische Ausdehnung der Ozeane bedingten Meeresspiegelanstiegs (Warrick und Oerlemans, 1990) auf der Grundlage von angepassten Komponenten des Klimamodells MAGICC (Wigley, 1988; Wigley und Raper, 1992; Wigley, 1994; Osborn und Wigley,
1994; Wigley et al., 1996). Ursächlich für diese Vorgehensweise ist, dass diese Teile nahezu
identisch mit den Komponenten des vereinfachten Klimamodells sind, das zur Durchführung
der im 2. Sachstandsbericht des IPCC ausgewiesenen Szenariorechnungen herangezogen
wurde (IPCC, 1997). Dadurch sind beste Voraussetzungen für vergleichende Ergebnisanalysen
gegeben.
Modellierung des Strahlungstransfers
Konzentrationsveränderungen gut durchmischter Gase (CH4, N2O, FCKWs und deren
Ersatzstoffe sowie SF6) werden mit Hilfe einfacher Boxmodelle bestimmt, wobei berücksichtigt wird, dass die effektive Lebensdauer von CH4 von dessen atmosphärischer Konzentration
abhängig ist. Veränderungen in der Konzentration des troposphärischen Ozons (indirekt verursacht durch die Emission von CH4 sowie von weiteren Gasen wie CO, NOx und flüchtigen
organischen Verbindungen), des stratosphärischen Ozons (verringert durch die ozonabbauende
Wirkung von FCKWs und teilweise auch durch ihre Ersatzstoffe) sowie des stratosphärischen
Wasserdampfes (indirekt vermehrt durch CH4-Emissionen) werden nicht explizit berechnet
(IPCC, 1997). Statt dessen wird der damit verbundene Strahlungsantrieb direkt aus der Konzentrationsänderung der die indirekten Effekte verursachenden Spurengase bestimmt. Aufgrund der kurzen atmosphärischen Verweildauer von Aerosolen kann auf eine Berechnung
ihrer Konzentration verzichtet werden. Die Sulfat-Emissionen können deshalb direkt mit der
durch sie hervorgerufenen momentanen Veränderung des Strahlungsantriebes verknüpft werden.
Modellierung der Klimaänderung
Das ebenfalls vom MPI für Meteorologie in Hamburg erstellte “reduced form”-Klimamodell (im engeren Sinne), das die Ergebnisse aufwändiger Rechnungen mit Hilfe des Hamburger
periodisch-synchron gekoppelten Atmosphären-Ozean-Zirkulationsmodells ECHAM3-LSG
(Voss und Mikolajewicz, 2000) gut reproduziert, erlaubt die Bestimmung transienter regionalisierter Muster der zu erwartenden Änderung der Temperatur, des Niederschlags und der
Bewölkung sowie des Meeresspiegelanstiegs. Die in Abbildung 10 gezeigten statischen Klimaänderungsmuster wurden durch empirische Orthogonalfunktionen-(EOF)-Analyse aus dem
Klimaänderungssignal einer Langzeitintegration von ECHAM3-LSG bestimmt. Dieses Ver-
- 30 -
Abbildung 10: Räumliche Klimaänderungsmuster für die oberflächennahe Lufttemperatur, den Niederschlag,
die Wolkenbedeckung und den Meeresspiegelanstieg.
fahren führt eine optimale Trennung zwischen dem Klimaänderungssignal und dem Rauschen
in den Simulationsergebnissen durch. Die entsprechenden transienten Klimaänderungsmuster
ergeben sich durch Multiplikation der statischen Muster mit einem vom Impuls-Antwort-Klimamodell berechneten zeitabhängigen Skalierungsfaktor, der im wesentlichen proportional zur
globalen Mitteltemperatur ist (siehe Abbildung 11).
Im Falle der lokalen Jahresmitteltemperatur können etwa 97 % der Varianz im GCMSignal allein durch die erste EOF erklärt werden. Da der Niederschlag und die Bewölkung eine
höhere natürliche Variabilität aufweisen als die Temperatur, liegen die erklärten Varianzanteile
hierfür entsprechend niedriger. Die Verbindung des skalierten Szenarienansatzes mit der EOFAnalyse ermöglicht somit eine kompakte Beschreibung künftiger Klimazustände unter Einbeziehung aller relevanten atmosphärischen Klimavariablen und unter Berücksichtigung der
räumlichen und saisonalen Variabilität des Klimaänderungssignals. Die lineare Kopplung zwischen globalem umd regionalem Klimawandel stößt allerdings dann an ihre Grenzen, wenn
erhebliche nicht-lineare Effekte im Klimaänderungssignal eines GCMs auftreten, wie etwa
eine regionale Abkühlung als Folge einer Abschwächung der thermohalinen Ozeanzirkulation.
Das vereinfachte Klimamodell, das sich um eine effiziente Wiedergabe der in GCM-Ergebnissen enthaltenen räumlichen Information bemüht, darf nicht mit dem Versuch verwechselt
werden, Klimaveränderungen auf Skalen vorherzusagen, die unterhalb der räumlichen Auflösung des verwendeten GCM liegen. Dies würde den flächendeckenden Einsatz von Regionalmodellen erfordern, die aufgrund des hohen Rechenzeitaufwandes bisher nur im Rahmen von
detaillierten Studien für ausgewählte Regionen zum Einsatz kommen. Auch der Einsatz stati-
- 31 -
Regionales Muster
x
Temperature: Principal Components (30 yr mean)
Climate change fields
1.4
(for quadruple CO2 concentration compared to present-day conditions)
Temperature
change
< 3 °C
5 - 7 °C
7 - 9 °C
> 9 °C
Precipitation
change
< -50%
-50% - -25%
-25% - -10%
-10% - +10%
x
1st PC = 1 <=> change in global mean = 4.67281 C
for temperature and precipitation
3 - 5 °C
= Transientes
regionales
Klima
Skalierungsfaktor
1. PC, expl. var. = 96.7%
1.2
1
=  T ( r, t )
 P ( r, t )
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
+10% - +25%
+25% - +50%
+50% - +100%
> +100%
-0.4
0
100
200
300
400
Years
500
600
700
800
Abbildung 11: Exemplarische Bestimmung der transienten Temperatur- und Niederschlagsänderung unter
Zugrundelegung eines Referenzemissionspfades. Die zeitliche Entwicklung der globalen Mittelwerte der
atmosphärischen Variablen (Temperatur, Niederschlag, Bewölkung) kann näherungsweise durch die
Änderung der globalen Mitteltemperatur als gemeinsame Proxyvariable beschrieben werden, während der
Meeresspiegelanstieg aufgrund der längeren Reaktionszeit des Ozeans eine eigenständige Behandlung
erfordert. Die Klimaänderungsmuster für die Temperatur werden in absoluten Größen angegeben, während
diejenigen für Niederschlag und Bewölkung relativ zum Basiswert angegeben werden.
stischer Downscaling-Verfahren scheidet derzeit im Rahmen eines globalen integrierten
Modelles aufgrund des sehr hohen Entwicklungsaufwandes aus.
Sensitivitätsanalyse
Zu den über eine reine Impuls-Antwort-Darstellung hinausgehenden Eigenschaften des
ICLIPS-Modells zählt die Berücksichtigung der nicht-linearen Ozeanchemie, der nicht-linearen biosphärischen CO2-Aufnahme sowie des nichtlinearen (logarithmischen) Verhaltens des
CO2-Strahlungsantriebes. Zur Untersuchung der Frage, inwieweit diese Neuerungen Einfluss
auf die Vorhersage zukünftiger Klimaveränderungen nehmen, wurde eine Reihe von Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Abbildung 12 zeigt für zwei (zur Verdeutlichung der Sensitivität
extrem gewählte) CO2-Emissionsszenarien (BAU und FRE) jeweils die Ergebnisse für die rein
lineare Impulsantwortdarstellung (linear convolution, LC, rote Kurven) sowie für die nichtlineare Darstellung ohne (non-linear ocean-only, NO, blaue Kurven) und mit Landvegetation
(non-linear with land biosphere, NB, grüne Kurven). Die schwarze Kurve bezieht sich jeweils
auf das „Vorbildmodell“ HAMOCC3i.
Das Szenario BAU kennzeichnet eine potentiell mögliche „Business-as-usual“-Entwicklung, bei der es innerhalb der nächsten 1000 Jahre zu einem zügigen Verbrauch der fossilen
Brennstoffvorräte kommt. Die globalen Reserven fossiler Brennstoffe (einschließlich bisher
nicht entdeckter) werden auf 4000 bis über 25000 Gigatonnen Kohlenstoff geschätzt (IPCC,
1996b, S. 40 und S. 85). Für diesen Fall sagt das vereinfachte vollständige Modell ein Ansteigen der atmosphärischen CO2-Konzentration auf etwa das Zwanzigfache des vorindustriellen
Wertes voraus. Nach dem Ende der Emission sinkt die Konzentration dabei nur sehr langsam
wieder ab. Die mittlere Temperaturänderung erreicht (ohne Berücksichtigung des Einflusses
anderer Treibhausgase) bis 2500 rund 9 Grad Celsius und steigt danach, wenn auch verlangsamt, noch weiter an. Der Meeresspiegelanstieg hat nach 1000 Jahren mit einem Anstieg von
rund drei Metern noch lange kein Gleichgewicht erreicht. Auch ein Einfrieren des Ausstoßes
auf dem Niveau der 90er Jahre (Szenario „Frozen Emissions“, FRE) reicht langfristig nicht
- 32 -
40
6000
GtC / y
ppm
5000
30
4000
BAU
20
3000
BAU
2000
10
FrE
year
0
1800
16
14
FRE
1000
2000
2200
2400
2600
2800
3000
0
1800
year
2000
2200
2400
2600
2800
3000
4
T2m / oC
Sea level / m
12
3
10
BAU
8
2
6
4
1
FRE
2
0
1800
year
2000
2200
2400
2600
2800
3000
0
1800
year
2000
2200
2400
2600
2800
3000
Abbildung 12: Emissionsentwicklung sowie Veränderung der CO2-Konzentration, der globalen
Mitteltemperatur und des (durch thermische Ausdehnung der Ozeane bedingten) Meeresspiegelanstiegs für
das „Business-as-Usual“-Szenario (BAU) und das „Frozen Emissions“-Szenario (FRE). Rot kennzeichnet
die lineare Modellvariante. Die nicht-lineare Modellvariante mit bzw. ohne Berücksichtigung der
terrestrischen Vegetation wird grün bzw. blau wiedergegeben. Die schwarze Kurve bezieht sich jeweils auf
das „Vorbildmodell“ HAMOCC3i.
aus, um die Konzentration zu stabilisieren. Die Angaben für das BAU-Szenario dürfen jedoch
nicht als sichere Vorhersagen verstanden werden. Gerade im Hinblick auf derart starke Störungen des Klimasystems weisen die heute verwendeten GCM noch erhebliche modellinhärente
Unsicherheiten auf. Die Untersuchung dient vielmehr zur Abschätzung der Größenordnung
der zu erwartenden Effekte und zur Analyse des Einflusses, den verschiedene Varianten des
vereinfachten Modells auf die Ergebnisse haben.
Die lineare LC-Variante (rote Kurven) liefert, wie bereits angedeutet, bis etwa 600 ppm
(ungefähr eine CO2-Verdoppelung im Vergleich zum vorindustriellen Wert) eine gute Näherung des Ozean-Kohlenstoffmodells HAMOCC3i. Oberhalb dieser Schwelle wird der Konzentrationsanstieg dagegen drastisch unterschätzt, im Extremfall des BAU-Szenarios sogar um
mehr als die Hälfte. Nach dem Ausklingen der Emissionen fallen die Konzentrationen zu
schnell wieder ab. Die NO-Variante (ohne Landvegetation, blaue Kurven) hingegen nähert die
Konzentrationen des dreidimensionalen Vorbildmodells HAMOCC3i (schwarze Kurven) bis
zu hohen Konzentrationen um 2000 ppm sehr gut an. Der Fehler bleibt sogar im extremen
Bereich der Verzwanzigfachung innerhalb von 10%. Die Unsicherheit der Vorhersage liegt,
wie oben diskutiert, bei solch extremen Bedingungen mehr in der Anwendbarkeit der Vorbildmodelle als in der Genauigkeit des Ersatzmodells. Die (in HAMOCC3i nicht vorhandene) Ein-
- 33 -
beziehung einer dynamischen Landvegetation (NB, grüne Kurve) senkt die simulierten
Konzentrationen um etwa 20% ab.
Der Zuwachs des Strahlungsantriebs durch eine Erhöhung der CO2-Konzentration nimmt
bei hohen Konzentrationen immer mehr ab. Dieser Zusammenhang wird recht gut durch eine
logarithmische Beziehung beschrieben. Das nichtlineare Model liefert daher bei sehr hohen
Konzentrationen eine schwächere Erwärmung als die gekoppelten linearen Modelle. Die
Unterschätzung der BAU-Konzentrationen durch das LC-Modell wird durch Kopplung mit
dem den Strahlungsantrieb überschätzenden linearen Strahlungsantriebmodells in ihrer Wirkung auf die Temperaturveränderung mehr als kompensiert. Bei den weniger extremen Konzentrationen des FRE-Szenarios sind die Strahlungsantriebe des linearen und logarithmischen
Strahlungsantriebsmoduls etwa gleich. Die nichtlinearen Effekte der Ozeanchemie und der
Landvegetation sind etwa gleich groß, aber von verschiedenem Vorzeichen, so dass die Antwort des nichtlinearen NB-Modells mit Vegetation (grüne Kurven) der des linearen LCModells ohne Vegetation (rote Kurven) sehr nahe kommt.
Für eine detailliertere Darstellung der Methoden, Annahmen, Stärken und Schwächen der
am MPI für Meteorologie erstellten Modellkomponenten sei auf Hooss et al., 2000 verwiesen.
Die Hamburger Modellkomponenten wurden aufgrund der Existenz eines in FORTRAN
bereits existierenden Impuls-Antwort-Modells zunächst ebenfalls in FORTRAN erstellt. Unter
Verwendung einer detaillierten Beschreibung des Modells sowie abgesichert durch einen nummerischen Vergleich mit verschiedenen Testszenarien wurde anschließend am PIK eine in
GAMS (General Algebraic Modeling System) programmierte Version geschaffen.
Während die FORTRAN-Version ein gewöhnliches Simulationsmodell darstellt, handelt es
sich bei der GAMS-Variante um die Komponente eines Modells, das zur dynamischen Optimierung in der Lage ist. Diese Eigenschaft ermöglichte es, weitere Verbesserungen an der Klimakomponente vorzunehmen. Zu nennen ist z.B. die dann einfache Möglichkeit, zunächst
unbekannte Modellparameter durch Minimierung der Abweichung transienter Modellergebnisse von in der Vergangenheit beobachteten Zeitreihen zu bestimmen („Parameterschätzung“). Durch die Anwendung einer entsprechenden inversen Kalibrierungstechnik wurde der
aus empirischen Untersuchungen nur schwer bestimmbare CO2-Düngefaktor so festgelegt,
dass sich - wie im Rahmen der Kohlenstoffkreislaufmodell-Vergleichstudie des IPCC (siehe
IPCC, 1996a) gefordert - für die 80-er Jahre des 20. Jahrhunderts ein ausgeglichenes CO2Budget ergibt.
Durch das Zusammenführen der Hamburger Modellkomponenten mit den Komponenten
zur Modellierung der anderen Treibhausgase konnte ein Modell geschaffen werden, dass sich
in sehr guter Übereinstimmung mit dem Referenzmodell MAGICC 2.3 und den Ergebnisse des
2. Sachstandsberichtes (IPCC, 1996a) befindet. So betragen die Abweichungen zwischen den
für das Jahr 2100 berechneten Ergebnissen des ICLIPS-Modells und des MAGICC-Modells
unter Zugrundelegung des IS92a-Szenarios für die CO2-Konzentration weniger als 1%, für den
sich aus der Gesamtheit des Einflusses aller Treibhausgase und Aerosole ergebenden Strahlungsantrieb weniger als 1% und für die sich daraus bestimmbare Veränderung der globalen
Mitteltemperatur weniger als 2%.
In Abbildung 13 sind Simulationsergebnisse des ICLIPS-Klimamodells (kalibriert auf eine
Klimasensitivität von 2.5 K) für ausgewählte Emissionsszenarien, darunter die Marker-Szenarien des IPCC-SRES-Teams (Nakicenovic and Swart, 2000), gezeigt. Da die Achsen die CO2Konzentration und die Änderung der globalen Mitteltemperatur gegenüber dem vorindustriellen Wert angeben, geht die zeitliche Information aus dieser Darstellung nur implizit hervor.
- 34 -
1000
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
ZERO
ZERO ENERGY
900
CO2 concentration [ppmv]
800
2100 (A2)
700
2100 (A1)
2100 (B2)
600
2100 (B1)
500
400
2000 (all)
300
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Global mean temperature change [K]
(for a climate sensitivity of 2.5 K)
3
3.5
Abbildung 13: Simulation der Klimaänderung für die 4 SRES-Markerszenarien des IPCC und zwei weitere
Emissionsszenarien (ZERO: gar keine Treibhausgasemissionen ab 2000; ZERO ENERGY: keine
energiebedingten Treibhausgasemissionen ab 2000) mit dem ICLIPS-Klimamodell. Angegeben ist in 10Jahresschritten von 1970 bis 2100 die CO2-Konzentration sowie die Änderung der globalen Mitteltemperatur
gegenüber dem vorindustriellen Wert für eine Klimasensitivität (bzgl. einer CO2-Verdopplung) von 2.5 K.
Zusammenfassung
Das ICLIPS-Klimamodell basiert auf der am MPI für Meteorologie in Hamburg entwickelten Klimamodellkomponente des SIAM-Modells (Hasselmann et al., 1997). Es handelt sich
bei letzterem um ein lineares Impuls-Antwort-Modell, welches nur das Treibhausgas CO2
berücksichtigt und nur globale Temperaturmittelwerte liefert. Durch Zusammenarbeit zwischen Klimamodellierern am MPI-Met und am PIK konnte ein speziell den Anforderungen des
Leitplankenansatzes angepasstes Klimamodell erstellt werden, dass vor allem im Hinblick auf
folgende Eigenschaften erheblich über das ursprüngliche Hamburger Modell hinausgeht:
• Berücksichtigung aller relevanten Treibhausgase und des Einflusses der Aerosole
• Berücksichtigung der nichtlinearen Ozeanchemie beim Kohlenstoffkreislauf
• Berücksichtigung der nichtlinearen CO2-Aufnahme durch die Biosphäre
• Berücksichtigung des nichtlinearen Verhaltens des CO2-Strahlungsantriebs
• Berechnung regionalisierter Muster für die treibhausgasbedingte Veränderung der oberflächennahen Lufttemperatur, des Niederschlags, der Wolkenbedeckung und des Meeresspiegelanstiegs
• Einbindung in ein dynamisches Optimierungsmodell
Im Gegensatz zu den meisten optimierenden Modellen zur integrierten Bewertung von Klimaschutzstrategien, wie sie z.B. im Rahmen von Kosten-Nutzen-Analysen eingesetzt werden
- 35 -
(vgl. die Diskussion in Schultz und Kasting, 1997 sowie in Joos und Bruno, 1996), enthält das
in seinem Kern ebenfalls intertemporal optimierende ICLIPS-Modell somit nummerisch hocheffiziente Teilmodelle zur Abbildung des Kohlenstoffkreislaufes, der atmosphärischen Chemie
aller anderen relevanten Treibhausgase, des Klimasystems (im engeren Sinne) sowie des Meeresspiegelanstiegs, die ein “state-of-the-art”-Verständnis des dynamischen Verhaltens der
betrachteten Teilsysteme widerspiegeln und die Ergebnisse komplexer Modelle im Hinblick
auf die zu untersuchenden Fragestellungen genügend genau reproduzieren. Es stellt damit
unseres Wissens nach das umfassendste Klimamodul dar, das derzeit in einem intertemporal
optimierenden integrierten Modell des globalen Klimawandels zum Einsatz kommt.
- 36 -
II.1.5. Klimawirkungsmodell
Dieses Kapitel beschreibt die Modellierung der Auswirkungen eines Klimawandels auf
verschiedene klimasensitive Systeme in ICLIPS. Wir beginnen mit einer kurzen Schilderung
der Rahmenbedingungen der Klimawirkungsmodellierung in ICLIPS und einer Erläuterung
des Konzepts der Klimawirkungsfunktionen. Anschließend werden die angewandten Modelle
vorgestellt und ausgewählte Ergebnisse präsentiert.
Ausgangssituation
Eine Änderung des Klimas wird vielfältige Auswirkungen auf die natürliche Umwelt und
die menschliche Gesellschaft haben. Letztlich sind es diese Klimafolgen (“Impakts”), die die
wissenschaftlichen und politischen Anstrengungen zur Erforschung und Eindämmung des globalen Klimawandels begründen. So wird in Artikel 2 des Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (Klimarahmenkonvention, UNFCCC) von 1992 als Ziel
dieses Übereinkommens angegeben,
“die Stabilisierung der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre auf einem Niveau
zu erreichen, auf dem eine gefährliche anthropogene Störung des Klimasystems verhindert
wird. Ein solches Niveau sollte innerhalb eines Zeitraums erreicht werden, der ausreicht,
damit sich die Ökosysteme auf natürliche Weise den Klimaänderungen anpassen können,
die Nahrungsmittelerzeugung nicht bedroht wird und die wirtschaftliche Entwicklung auf
nachhaltige Weise fortgeführt werden kann.”
Integrierte Modelle des globalen Klimawandels sollen klimapolitische Entscheidungsträger
bei der Umsetzung der Klimarahmenkonvention unterstützen, indem sie insbesondere folgende
Aspekte miteinander in Beziehung setzen:
• die voraussichtlichen Folgen zukünftiger Klimaänderungen mit dem erforderlichen Aufwand zur Abschwächung des Klimawandels sowie zur Anpassung an den Klimawandel;
• globale Emissionsminderungsstrategien mit regionalen Klimafolgen und regional wirksamen Anpassungsmaßnahmen;
• die meist langen Zeitskalen, auf denen Klimafolgen auftreten mit den eher kurzfristigen
Zeitskalen, für die (etwa im Kyoto-Protokoll) Emissionsminderungsmaßnahmen vereinbart
werden.
Die möglichst umfassende Berücksichtigung der voraussichtlichen Folgen einer Klimaänderung ist also von großer Wichtigkeit für integrierte Modelle des Klimawandels. Hierbei
waren traditionell zwei Ansätze dominierend (siehe hierzu auch Abschnitt II.1.3):
In Politikoptimierungsmodellen (z. B. DICE, RICE, FUND) müssen die Kosten und der
Nutzen (durch die Vermeidung negativer Klimafolgen) von Maßnahmen zur Emissionsreduzierung und zur Anpassung an einen Klimawandel in einer gemeinsamen Metrik spezifiziert
werden. Die Auswirkungen einer Klimaänderung werden hierzu typischerweise durch Schadenskostenfunktionen dargestellt, die den funktionalen Zusammenhang zwischen einer Änderung der globalen Mitteltemperatur (sowie ggf. der Änderungsrate) und den daraus
resultierenden Kosten für die Volkswirtschaft wiederzugeben versuchen. Eine solche Monetarisierung von Klimafolgen wird allerdings kaum umfassend sein können. Darüber hinaus führt
die Notwendigkeit, alle Klimafolgen miteinander vergleichbar zu machen, dazu, dass eine
Vielzahl von Werturteilen ins Modell integriert werden muss. Dies betrifft insbesondere die
Berücksichtigung von Klimafolgen, für die keine Marktpreise existieren (einschließlich des
- 37 -
menschlichen Lebens und der Gesundheit) sowie die Substituierbarkeit von positiven und
negativen Klimafolgen über verschiedene Generationen, Weltregionen, Bevölkerungsgruppen
und Sektoren hinweg.
In Politikbewertungsmodellen (z. B. IMAGE) werden die biogeophysikalischen Auswirkungen einer Klimaänderung für ausgewählte Klimaszenarien durch prozessbasierte, geografisch explizite Klimawirkungsmodelle simuliert. Die ermittelten Klimafolgen werden dann
häufig in Form von thematischen Karten dargestellt, die einen zukünftigen Zustand mit dem
heutigen vergleichen. Eine Monetarisierung ist hierbei nicht notwendig und auch nicht unbedingt gewollt.
Das ICLIPS-Modell ist ein Repräsentant der so genannten Politikleitmodelle. Die Modellierung von Klimafolgen soll hierbei insbesondere die Festlegung von nicht tolerierbaren Klimafolgen (d. h. von Auswirkungen eines Klimawandels, die von sozialen Akteuren als nicht
mehr akzeptabel angesehen werden) unterstützen. Es ist an dieser Stelle hilfreich, zwei grundlegende Kategorien von Klimafolgen zu unterscheiden. Die erste betrifft solche (i. d. R. großräumigen) Systeme, bei denen die Überschreitung eines klimatischen Grenzwertes zum
Übergang in einen qualitativ neuen Zustand führt. Der prominenteste Fall ist die thermohaline
Ozeanzirkulation. Diese ist u. a. Voraussetzung dafür, dass der Nordatlantikstrom als “Warmwasserheizung” für Nord- und Mitteleuropa wirken kann. Andere Beispiele betreffen den sich
selbst verstärkenden Treibhauseffekt, Änderungen in der asiatischen Monsundynamik und das
Abschmelzen des westantarktischen Eisschildes. In diesen Fällen muss durch die Erstellung
vereinfachter Modelle versucht werden, die kritischen Grenzen im Klimaraum näher zu
bestimmen. Während der Laufzeit von ICLIPS konnten externe Modelle zur thermohalinen
Zirkulation erfolgreich in das ICLIPS-Modell integriert und entsprechende Simulationen
durchgeführt werden.
Die zweite Kategorie umfasst diejenigen Systeme und Sektoren, bei denen die Abhängigkeit zwischen einer Klimaänderung und deren Auswirkungen bei hinreichendem Aggregationsniveau stetig ist. Die in ICLIPS untersuchten stetigen Klimawirkungskategorien umfassen
die natürlichen Ökosysteme, die Landwirtschaft, die Wasserverfügbarkeit, die menschliche
Gesundheit und den Meeresspiegelanstieg. Der Schwerpunkt wurde hierbei bewusst darauf
gelegt, “state-of-the-art”-Modelle für die geobiophysikalischen Folgen einer Klimaänderung in
das ICLIPS-Modell zu integrieren und deren Bewertung, ggf. unter Berücksichtigung von
regionalen Anpassungspotentialen, den Anwendern zu überlassen. Im Gegensatz zu szenarioorientierten Ansätzen der Klimafolgenforschung, die lediglich ausgewählte Klimaszenarien
untersuchen, dafür aber ggf. einen höheren Detaillierungsgrad aufweisen können, soll im Fensteransatz das gesamte Spektrum möglicher Klimaentwicklungen berücksichtigt werden. Die
hierzu notwendige Simulation einer großen Anzahl von Szenarien schließt eine direkte Integration von prozessbasierten Klimawirkungsmodellen in das ICLIPS-Gesamtmodell allerdings
aus.
Für das ICLIPS-Klimawirkungsmodell ergeben sich als zentrale Anforderungen, dass es
• regional spezifische Abschätzungen für die Auswirkungen einer Klimaänderung auf relevante Sektoren zu ermitteln hat, und zwar in biophysikalischen Einheiten, falls keine weithin akzeptierten (Markt-)Preise für die betroffenen Systeme bestehen;
• flexibel genug sein muss, um die Auswirkungen beliebiger plausibler Klimaszenarien zu
ermitteln und die Einhaltung von normativ gesetzten Leitplanken im Klimafolgenbereich
zu überprüfen;
• nummerisch sehr effizient zu sein hat;
- 38 -
• zu den übrigen Komponenten des integrierten ICLIPS-Modells, insbesondere dem Klimamodell, kompatibel zu sein hat.
Konzept der Klimawirkungsfunktionen
Um die teilweise gegensätzlichen Anforderungen an das ICLIPS-Klimawirkungsmodell
zufriedenstellend erfüllen zu können, wurde das Konzept der Klimawirkungsfunktionen (Climate Impact Response Functions, CIRFs) entwickelt, das die jeweiligen Vorteile der Klimafolgenmodellierung aus optimierenden und szenario-orientierten Ansätzen möglichst weitgehend
zusammenführt.
Die grundlegenden Ideen für die Entwicklung von Klimawirkungsfunktionen waren
• die Projektion des zukünftigen globalen Wandels auf wenige fundamentale Dimensionen,
die durch das ICLIPS-Klima-Ökonomie-Modell beschrieben werden können;
• die Wahl nicht-monetarisierter aggregierter Indikatoren für sektorspezifische Auswirkungen einer Klimaänderung (“Impaktindikatoren”), die zur Grenzwertsetzung geeignet und
möglichst auf verschiedenen räumlichen Skalen aussagekräftig sind;
• die einmalige Bestimmung des Zusammenhangs zwischen den fundamentalen Indikatoren
des globalen Klimaandels und den Impaktindikatoren durch eine Vielzahl von Simulationen mit einem prozessbasierten, geographisch expliziten Klimawirkungsmodell;
• die Speicherung der aggregierten Simulationsergebnisse in Form von Klimawirkungsfunktionen zur späteren Verwendung durch das integrierte ICLIPS-Modell.
Eine Klimawirkungsfunktion in ihrer derzeitigen Form repräsentiert also den UrsacheWirkungs-Zusammenhang zwischen relevanten Dimensionen der anthropogenen Klimaänderung einerseits und einem aggregierten Indikator für sektorale Klimafolgen andererseits. Sie
ermöglicht sowohl die Darstellung der Beziehungen zwischen relevanten Klimavariablen und
Impaktindikatoren als auch die nicht-monetäre Grenzwertsetzung für inakzeptable Klimafolgen.
Bei der Entwicklung von Klimawirkungsfunktionen innerhalb des ICLIPS-Modells war
deren Kompatibilit mit den anderen Modellkomponenten sicherzustellen. Das wesentliche
Resultat des dynamischen ICLIPS-Klimamodells besteht aus Zeitverläufen für die globale
Mitteltemperatur, die atmosphärischen Konzentrationen aller relevanten Treibhausgase und
den Anstieg des Meeresspiegels (vgl. Abschnitt II.1.4). Prozessbasierte Klimawirkungsmodelle haben jedoch meist detailliertere Datenanforderungen, sowohl hinsichtlich der zeitlichen
und räumlichen Auflösung als auch im Hinblick auf die berücksichtigten Klimavariablen. Die
Lücke zwischen den beiden Modelltypen wurde mittels eines skalierten Szenarienansatzes
geschlossen (Mitchell et al., 1999; Smith and Pitts, 1997). Dieser Ansatz basiert auf der weitgehenden Trennung des transienten Verhaltens und der räumlichen Variabilität im Klimaänderungssignal aus allgemeinen Zirkulationsmodellen (GCMs). Eine Analyse diesbezüglicher
Modellergebnisse zeigt, dass Änderungen der wichtigsten atmosphärischen Klimavariablen
(oberflächennahe Temperatur, Niederschlag und Bewölkung, jeweils jahreszeitlich aufgelöst)
im Zeitverlauf in guter Näherung dargestellt werden können, indem statische Änderungsmuster für diese Variablen synchron mit dem Anstieg der globalen Mitteltemperatur skaliert werden (siehe Abbildung 11). Im Gegensatz dazu haben die atmosphärische CO2-Konzentration
und der Anstieg des Meeresspiegels jeweils ihre eigene Dynamik.
Für die in ICLIPS bestimmten Klimawirkungsfunktionen wurden die Änderung der globalen Mitteltemperatur gegenüber dem Klima des Referenzzeitraums 1961-1990 (New et al.,
- 39 -
1999) und im Fall von Vegetationsänderungen zusätzlich die CO2-Konzentration (Jones et al.,
1998) als Prädiktoren genutzt. Obwohl der Anstieg der atmosphärischen CO2-Konzentration
die wichtigste Antriebsgröße für den globalen Klimawandel darstellt, gibt es aufgrund der
Trägheit des Klimasystems, des Einflusses weiterer Treibhausgase und unterschiedlicher Klimasensitivitäten von GCMs keine eineindeutige Beziehung zwischen beiden Variablen.
Trotz der einfachen Beschreibung zukünftiger Klimazustände konnte die jahreszeitliche
und die räumliche Variabilität des Klimaänderungssignals aus den GCM-Simulationen konsistent berücksichtigt werden. Klimaprojektionen von verschiedenen GCMs oder für verschiedene Mitglieder eines Ensembleexperiments zeigen allerdings selbst für identische
Emissionsszenarien teilweise erhebliche Unterschiede (IPCC, 1996a). Um die Sensitivität der
Ergebnisse hinsichtlich unterschiedlicher GCM-Ergebnisse abschätzen zu können, wurden alle
Simulationen für Klimaanomalien aus neueren Experimenten mit drei verschiedenen GCMs
(ECHAM3, ECHAM4 und HadCM2) durchgeführt.
An Klimawirkungsindikatoren, die in integrierten Modellen des Klimawandels im Rahmen
einer Inversanalyse eingesetzt werden sollen, sind eine Reihe von Anforderungen zu stellen.
Diese betreffen insbesondere ihre Verständlichkeit und Relevanz für die Modellnutzer, die Existenz eines wissenschaftlich akzeptierten kausalen Zusammenhangs mit bestimmten Klimavariablen, wobei weitere Einflussfaktoren entweder unbedeutend, bekannt oder kontrollierbar
sind sowie die globale Verfügbarkeit von plausiblen Projektionen für diese Klimavariablen.
Bei der im folgenden geschilderten Auswahl von sektorspezifischen Impaktindikatoren wurden diese Kriterien weitestgehend berücksichtigt. Darüber hinaus wurde darauf geachtet, dass
die zunächst auf Länderebene ermittelten Ergebnisse einfach auf größere Regionen aggregiert
werden können. Damit werden Grenzwertsetzungen für maximal zulässige Klimafolgen auf
verschiedenen räumlichen Aggregationsebenen ermöglicht.
Im Zusammenhang mit der Entwicklung von Klimawirkungsfunktionen mussten Methoden
zur grafischen Darstellung der simulierten Klimafolgen gefunden werden, die eine Festlegung
von Leitplanken im Klimafolgenbereich unterstützen. Im weiteren Verlauf dieses Abschnitts
werden die folgenden Diagrammtypen genutzt, um verschiedene Aspekte von Klimawirkungsfunktionen zu visualisieren:
• Klimawirkungsdiagramme (siehe Abbildung 18) zeigen den Ursache-Wirkungs-Zusammenhang zwischen den beiden unabhängigen Variablen einer Klimawirkungsfunktion
(hier: die Änderung der globalen Mitteltemperatur und die CO2-Konzentration) und dem
Impaktindikator für den gesamten Zustandsraum in einer dreidimensionalen Darstellung.
Sie geben ein komplettes Bild der Klimawirkungsfunktion wieder, enthalten jedoch mehr
Informationen, als für eine Inversanalyse nötig sind.
• Isoliniendiagramme (siehe Abbildung 18) zeigen die Projektion von Isolinien aus einem
Klimawirkungsdiagramm in den Zustandsraum der Klimawirkungsfunktion. Eine Isolinie
enthält alle Klimazustände, die hinsichtlich ihrer (aggregierten) Auswirkungen vergleichbar sind; sie entspricht daher genau dem Rand des zulässigen Klimafensters („tolerable climate window“) für die entsprechende Impakt-Leitplanke. Von daher ist diese
Darstellungsform für Inversanalysen von Klimafolgen besonders wichtig. Isoliniendiagramme können entweder für eine einzige Region (mit abgestuften Grenzwerten für zulässige Klimafolgen) oder für verschiedene Regionen (mit nur einem Grenzwert für zulässige
Klimafolgen) erstellt werden. Der letztere Typ ermöglicht es insbesondere, die Sensitivität
verschiedener Regionen hinsichtlich einer Klimaänderungen miteinander zu vergleichen.
- 40 -
• Bilanzdiagramme (siehe Abbildung 15) stellen Bilanzänderungen für verschiedenen
Kategorien oder Regionen in kompakter Form dar. Im Gegensatz zu den anderen Diagrammtypen, die jeweils den gesamten Zustandsraum der Klimawirkungsfunktion in einer
Darstellung behandeln, beziehen sich Bilanzdiagramme jeweils nur auf einen zukünftigen
Klimazustand. Für diesen werden die Gewinne und Verluste (z. B. von geeigneten Anbauflächen für landwirtschaftliche Produkte) im Vergleich mit dem Referenzklima angegeben.
Sie können somit einen Überblick über zu erwartende Klimawirkungen geben, sind aber
nicht unmittelbar für Inversanalysen verwendbar.
Die Einbindung von Klimawirkungsfunktionen in das integrierte ICLIPS-Modell wurde
erfolgreich durchgeführt. Exemplarische Ergebnisse für Grenzwertsetzungen im Bereich der
natürlichen Vegetation sind in Abschnit II.1.12 dargestellt. Im folgenden werden die in den
jeweiligen Sektoren eingesetzten Modelle sowie die gewählten Impaktindikatoren erläutert.
Außerdem werden jeweils exemplarische Ergebnisse vorgestellt. Eine vollständigere Präsentation von Ergebnissen findet sich auf der ICLIPS CD-ROM, deren Erstellung derzeit abgeschlossen wird.
Klimawirkungen auf die natürliche Vegetation
Zur Abschätzung der Auswirkungen klimatischer Veränderungen auf die natürliche Vegetation wurde, in Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftlichen Zentrum für Umweltsystemforschung der Universität Gesamthochschule Kassel (GhK), eine für IMAGE 2.1 modifizierte
Version des globalen Vegetationsmodells BIOME 1 (Prentice et al., 1992) eingesetzt. Die Veränderungen gegenüber der ursprünglichen Modellversion betrafen insbesondere die Berücksichtigung des Einflusses erhöhter CO2-Konzentrationen auf die Wassernutzungseffizienz von
Pflanzen (Leemans and van den Born, 1994).
Das Modell berechnet die Verteilung von Vegetationsklassen (Biomen) unter Nutzung von
monatlich aufgelösten Daten für die Temperatur, den Niederschlag, die Bewölkung sowie der
CO2-Konzentration und wichtiger Bodenparameter mit einer räumlichen Auflösung von
0.5 Längengraden und 0.5 Breitengraden. Zunächst werden aus den lokalen Daten (Klima,
CO2, Boden) für jede Gitterzelle der Landoberfläche eine Reihe von Indikatoren abgeleitet, die
für die Vegetationsentwicklung von besonderer Bedeutung sind. Durch Vergleich mit spezifischen Mindestanforderungen hinsichtlich dieser Indikatoren für 16 funktionale Pflanzentypen
(charakterisiert durch morphologische und phänologische Eigenschaften) wird im nächsten
Schritt ermittelt, welche dieser Pflanzentypen in einer Gitterzelle wachsen könnten. Im letzten
Schritt wird eine Konkurrenzhierarchie angewandt. Basierend auf den zulässigen Kombinationen von gleich konkurrenzstarken Pflanzentypen sind insgesamt 19 Biome definiert (siehe
Tabelle 14).
Ein Vergleich der simulierten Vegetationsbedeckung für das gegenwärtige Klima sowie für
zukünftige Klimazustände erlaubt es, das Ausmaß der voraussichtlichen Änderung der Vegetation in einer Region quantitativ zu beschreiben. Durch Beschränkungen auf bestimmte Gebiete
(z. B. geschützte Naturreservate) oder auf bestimmte Biome (z. B. Wälder) sowie durch die
Einbeziehung bzw. den Ausschluss von Migration wurden die folgenden aggregierten Indikatoren für die natürliche Vegetation berechnet:
- 41 -
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Biom
Landwirschaft
Wiederaufforstung
Eis
Tundra
Bewaldete Tundra
Borealer Wald
Kühler Nadelwald
Kühler Mischwald
Gemäßigter Laubwald
Warmer Mischwald
Steppe
Wüste
Buschland
Savanne
Andere tropische Wälder
Tropischer Regenwald
Feldfrucht
Winterweizen
Sommerweizen
Reis
Mais (gemäßigt)
Mais (tropisch)
Echte Hirse (gemäßigt)
Echte Hirse (tropisch)
Sorghumhirse (gemäßigt)
Sorghumhirse (tropisch)
Hülsenfrüchte (gemäßigt)
Hülsenfrüchte (tropisch)
Kartoffeln
Cassava
Erdnüsse
Sesam
Sojabohnen
Sonnenblumen (gemäßigt)
Sonnenblumen (tropisch)
Zuckerrohr
Tabelle 14: Verzeichnis der berücksichtigten Biome und Feldfrüchte.
• Anteil der Landfläche mit Biomänderung:
Dieser Indikator beschreibt den Anteil der (nicht eisbedeckten) Landoberfläche, in dem das
derzeitige Biom unter veränderten klimatischen Bedingungen nicht mehr überlebensfähig
ist.
• Anteil der naturnahen Gebiete mit Biomänderung:
Dieser Indikator entspricht dem vorherigen mit dem Unterschied, dass landwirtschaftlich
genutzte Gebiete aus der Betrachtung ausgeschlossen werden.
• Anteil der gefährdeten Naturreservate:
Ein Naturreservat wird als gefährdet angesehen, wenn das derzeitige Biom unter
veränderten klimatischen Bedingungen nicht mehr überlebensfähig ist. Dieser Indikator
entspricht dem vorherigen mit dem Unterschied, dass ausschließlich Vegetationsänderungen in Naturreservaten betrachtet werden. Diese Beschränkung hat u. a. den Vorteil, dass
nichtklimatische Einflüsse wie Landnutzungsänderungen hier weniger relevant sind als in
anderen Gebieten. Wir messen diesem Indikator daher besondere Bedeutung bei.
• Verlust einzelner Biome (ohne Migration) / stabile Biomfläche:
Für diesen Indikator wird jede Umwandlung eines Bioms in ein anderes als Verlust gezählt.
• Verlust von Waldgebieten (ohne Migration) / stabile Waldfläche:
Dieser Indikator entspricht dem vorherigen mit dem Unterschied, dass lediglich zwei aggregierte Biomklassen unterschieden werden, nämlich “Wald” und “andere Biome”.
- 42 -
16
All continents
Ice
Tundra
Wooded tundra
Boreal forest
Cool conifer forest
Cool mixed forest
Temp. decid. forest
Warm mixed forest
Steppe
Hot desert
Scrubland
Savanna
Tropical woodland
Trop. evergr. forest
14
Extent of biome [% of land area]
12
10
8
6
4
2
TrEF
TrW
Sav
Scr
HotD
Ste
WMF
TDF
CMF
CCF
BoF
WoT
Tun
Ice
0
Scenario SRES98 A1 in the year 2100: ∆Tnorm=+1.00, CO2=686 ppmv
(ECHAM3/LSG: ∆Tglob=+2.69 °C, ∆Treg=+3.70 °C, ∆Preg=+7.7 %, ∆Creg=-1.7 %)
Abbildung 15: Bilanzdiagramm für Änderungen in der weltweiten Ausdehnung von Biomen zwischen dem
derzeitigen Klima und dem Klima des Jahres 2100 basierend auf Projektionen von ECHAM3 für das SRES A1Emissionsszenario. Punkt: potentielle Fläche jedes Bioms im Referenzklima; unterer Balken: stabile Fläche;
oberer Balken: gesamte potentielle Fläche jedes Bioms im Gleichgewicht mit dem veränderten Klima.
• Verlust einzelner Biome (mit Migration) / potentielle Biomfläche:
Für diesen Indikator wird jede Umwandlung eines Bioms in ein anderes zunächst als Verlust gezählt. Diese Verluste sind allerdings kompensierbar durch mögliche Flächengewinne für dasselbe Biom an anderer Stelle.
• Verlust von Waldgebieten (mit Migration) / potentielle Waldfläche:
Dieser Indikator entspricht dem vorherigen mit dem Unterschied, dass lediglich zwei aggregierte Biomklassen unterschieden werden, nämlich “Wald” und “andere Biome”.
Im folgenden werden ausgewählte Ergebnisse für Klimawirkungsfunktionen aus dem
Bereich der natürlichen Vegetation präsentiert. Für eine umfassendere Darstellung und Diskussion der Ergebnisse siehe (Füssel and van Minnen, 2000).
Abbildung 15 zeigt die globale Flächenbilanz aller Biome im Gleichgewicht mit einem
ausgewählten zukünftigen Klimazustand, der unter Zugrundelegung des SRES A1-Emissionsszenarios im Jahre 2100 erreicht würde. Dargestellt sind für jedes Biom die derzeitige potentielle Ausdehnung, die stabile Fläche sowie die gesamte potentielle Fläche nach vollständiger
Anpassung an das geänderte Klima. Erwartungsgemäß wurden für die einzelnen Biome sehr
unterschiedliche Folgen einer Klimaänderung simuliert. Während tropischer Regenwald („tropical evergreen forest“) unter diesem Klimaszenario (basierend auf ECHAM3) keine gravierenden Änderungen seiner Ausdehnung erfahren würde, könnten andere tropische Wälder
- 43 -
Abbildung 16: Geschützte Naturreservate gemäß der “United Nations List of Protected Areas” (World
Conservation Union, 1998).
Abbildung 17: Übersicht der biogeografischen Regionen der Erde (Bick, 1989).
(„tropical woodland“) ihre Ausdehnung annähernd verdoppeln, falls der Migration in zukünftig geeignete Gebiete keine Hindernisse entgegen stünden. Tundra würde etwa zwei Drittel
ihrer derzeitigen Fläche verlieren, ohne anderweitig signifikante Flächengewinne erzielen zu
können. Kühler Nadelwald („cool conifer forest“) könnte seine potentielle Ausdehnung zwar
signifikant steigern, allerdings würde keines seiner derzeitigen Vorkommen bestehen bleiben.
Abbildung 18 zeigt ausgewählte Klimawirkungsfunktionen für Vegetationsänderungen in
Naturreservaten (vgl. Abbildung 16). Alle Diagramme decken denselben Klima- und CO2Raum ab, der bis zu einer Erwärmung von etwa 4.5 oC (global) bzw. 6.0 oC (eisfreie Land-
- 44 -
Change in biome [% of protected area]
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
2
Change in biome
[% of protected area]
0
0.4
CO2 concentration [ppmv]
50
40
30
20
1000
800
600
480
CO2 conc.
400
[ppmv]
325
0.5
1
1.5
2
2.5
1
0.6
325
1
CO2 concentration [ppmv]
0
1.6
1
0.6
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.69 °C)
0.2
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.69 °C)
0.4
0.4
1
CO2 concentration [ppmv]
1.2
0.6
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
1
2
2.5
3
1.5
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.69 °C)
0.4
0.2
0
4
T=30.0 °C
P=724 mm/a
C=30.0 %
2
1.4
1.6
0
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.69 °C)
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1000
1.6
1.6
1.4
1.4
800
1.2
1
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
1.5
1.4
Change in biome [% of protected area]
0.6
1
1.6
480
0
0.5
T=24.1 °C
P=621 mm/a
C=30.9 %
0.8
0.5
1.6
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
480
325
1.4
0.8
4
T=8.6 °C
P=639 mm/a
C=50.0 %
600
400
1.2
1
325
0
Isolines for: 20
All continents
Palaearctis
Aethiopis
Neotropis
Australis
Orientalis
Nearctis
800
1
400
0.4
CO2 concentration [ppmv]
0.8
0.8
0.2
log2 (CO2/CO2,base)
0.6
0.6
600
2
0.4
0
4
T=19.3 °C
P=882 mm/a
C=42.4 %
1.2
Change in biome [% of protected area]
0.2
3.5
0.2
Aethiopis
30
20
10
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
1000
3
800
1.2
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
1.5
2.5
1.4
480
1
2
1000
1.6
0.8
0
0.5
T=1.7 °C
P=617 mm/a
C=51.1 %
1.5
0.4
2
1.4
600
325
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
2100 (WBGU)
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
Nearctis
70
60
50
40
30
20
10
400
0.8
Change in biome [% of protected area]
1.2
800
1.2
480
2000 (all)
CO2 concentration [ppmv]
0.8
1.4
1
400
log2 (CO2/CO2,base)
0.6
1.6
2100 (B1)
2
0.4
1.6
2100 (B2)
600
Change in biome [% of protected area]
0.2
1.4
2100 (A1)
0
0.5
T=13.4 °C
P=786 mm/a
C=43.6 %
1000
1.2
All continents
50
40
2100 (A2)
30
20
10
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
0
1
log2 (CO2/CO2,base)
0
3
3.5
4
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.69 °C)
0
0.8
600
0.8
0.6
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
400
4
1
480
0.2
0
1.2
Isolines for: 50
All continents
Palaearctis
Australis
Nearctis
325
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
log2 (CO2/CO2,base)
10
0
0.6
800
60
0
0.2
1000
log2 (CO2/CO2,base)
All continents
50
40
30
20
10
0.4
0.2
0
4
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.69 °C)
Abbildung 18: Klimawirkungsfunktionen, die den Anteil der gefährdeten Naturreservate für ein weites
Spektrum von Änderungen des Klimas (x-Achse) und der CO2-Konzentration (y-Achse) angeben.
Obere Zeile: Klimawirkungsdiagramm (links) und Isoliniendiagramm (rechts) für global gemittelte
Vegetationsänderungen. Die farbigen Isolinien geben die Ränder der zulässigen Klimafenster für ausgewählte
Grenzwerte im Klimafolgenbereich an, die einem “Verlust” von 10% bis 50% der Naturreservate weltweit
entsprechen. Die Zeitverläufe der vier vom IPCC ermittelten Referenzemissionsszenarien (SRES) sowie eines
vom WBGU vorgeschlagenen Stabilisierungsszenarios werden in 10-Jahres-Schritten gezeigt, ausgehend vom
Referenzklima in der linken unteren Ecke des Diagramms.
Mittlere Zeile: Isoliniendiagramme für die biogeographischen Regionen Nearktis (links) und Aethiopis
(rechts).
Untere Zeile: Isoliniendiagramme für alle biogeographischen Regionen. Die Isolinien entsprechen einer
Vegetationsänderung in 20% (links) bzw. 50% (rechts) der Naturreservate in der jeweiligen Region.
- 45 -
Change in biome [% of protected area]
Change in biome [% of protected area]
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
0.6
0.8
1
1.2
1.6
0
0.8
0.6
480
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
0.4
1
0
0.5
T=13.4 °C
P=787 mm/a
C=43.6 %
1
1.5
CO2 concentration [ppmv]
1.2
1.6
0
1.5
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM4/OPYC: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.79 °C)
0.4
0.6
0.8
3.5
1
0
4
T=19.7 °C
P=830 mm/a
C=43.1 %
1
0.4
1.6
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
480
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
400
4
1.4
600
0.2
0
1.2
Isolines for: 20
All continents
Palaearctis
Aethiopis
Neotropis
Australis
Orientalis
Nearctis
800
1.2
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
1
0.2
1.4
480
0.5
3
Global mean temperature change [°C]
(HadCM2: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.78 °C)
1000
1.6
0.6
0
2.5
0.2
2
1.4
0.8
325
2
0.4
Change in biome [% of protected area]
600
400
1.2
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
Isolines for: 20
All continents
Palaearctis
Aethiopis
Neotropis
Australis
Orientalis
Nearctis
800
1.4
0.6
325
CO2 concentration [ppmv]
0.8
1.6
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
400
log2 (CO2/CO2,base)
0.6
1.6
480
0.2
0
1.4
0.8
2
0.4
1.2
1
Change in biome [% of protected area]
0.2
1
All continents
40
30
20
10
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
0
0.8
600
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
T=13.4 °C
T=20.4 °C
P=786 mm/a
P=873 mm/a
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM4/OPYC: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.79 °C)
C=43.6 %
C=43.6 %
1000
0.6
800
1.2
600
325
0.4
1.4
1
400
0.2
1000
1.6
All continents
50
40
30
20
10
800
CO2 concentration [ppmv]
2
1.4
325
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
log2 (CO2/CO2,base)
0.4
CO2 concentration [ppmv]
0.2
log2 (CO2/CO2,base)
0
1000
log2 (CO2/CO2,base)
2
0.4
0.2
0
4
Global mean temperature change [°C]
(HadCM2: ∆Tnorm=1 <=> ∆Tglob=2.78 °C)
Abbildung 19: Isoliniendiagramme zur Vegetationsänderung in Naturreservaten für Klimaprojektionen von
ECHAM4 (links) und HadCM2 (rechts). Vergleiche mit den Ergebnissen für ECHAM3 in Abbildung 18.
masse) gegenüber dem heutigen Referenzklima und bis zu einer CO2-Konzentration von
1000 ppmv reicht. Ergebnisse werden sowohl global gemittelt als auch für einzelne biogeografische Regionen (englisch: floral kingdoms; vgl. Abbildung 17) angegeben. Diese sind als
räumliche Cluster der von Pflanzenfamilien definiert, in denen sich im Laufe der Evolution
jeweils eine einzigartige charakteristische Vegetation herausgebildet hat.
Für die SRES-Basisszenarien wurden bis zum Jahre 2100 Biomänderungen in 30-45% der
Naturreservate weltweit simuliert. Hierbei ist zu beachten, dass Biome die gröbste Klassifikationsstufe der Vegetation darstellen. Ein klimabedingter Wechsel innerhalb eines Bioms, z.B.
von Ahorn zu Eiche als vorherrschendem Baum, wird durch den betrachteten Indikator nicht
erfasst. Von daher sind die Simulationsergebnisse eher als untere Abschätzung der zu erwartenden Vegetationsänderungen anzusehen. Die gesellschaftliche Relevanz der Ergebnisse leiten wir daraus ab, dass Naturreservate aufgrund ihrer derzeitigen Naturausstattung unter
Schutz gestellt wurden. Es kann deshalb davon ausgegangen werden, dass ihr Schutzzweck
nach einer grundlegenden Änderung der Vegetation in der Regel nicht mehr erfüllt wäre.
Abbildung 19 zeigt als Ergebnis einer Sensitivitätsanalyse Isoliniendiagramme für Vegetationsänderungen in Naturreservaten basierend auf Klimaprojektionen der GCMs ECHAM4
und HadCM2. Obwohl gewisse Abweichungen zu den entsprechenden Ergebnissen für
ECHAM3 bestehen (vgl. Abbildung 18), sind Grenzwertsetzungen aus dem Bereich der global
gemittelten Klimafolgen dennoch weitgehend robust in den Klimabereich übertragbar. Für
regional spezifische Klimafolgen trifft dies wegen der dann größeren Abweichungen in den
GCM-Ergebnissen allerdings nicht in jedem Fall zu.
- 46 -
Klimawirkungen auf die landwirtschaftliche Produktion
Zur Abschätzung der Auswirkungen klimatischer Veränderungen auf die landwirtschaftliche Erzeugung wurde, in Zusammenarbeit mit der GhK, eine für IMAGE 2.1 modifizierte Version des globalen landwirtschaftlichen Produktionsmodells FAO-AEZ eingesetzt (Leemans
and van den Born, 1994). Das Modell berechnet die potentiellen regengespeisten Erträge der
19 weltweit bedeutendsten Feldfrüchte unter Nutzung von monatlich aufgelösten Daten für die
Temperatur, den Niederschlag, die Bewölkung sowie der CO2-Konzentration und wichtiger
Bodenparameter (Fruchtbarkeit, Salzgehalt, pH-Wert, Wurzeltiefe, Entwässerungsbedingungen) mit einer räumlichen Auflösung von 0.5 Längengraden und 0.5 Breitengraden. Zunächst
werden aus den lokalen Daten (Klima, CO2, Boden) für jede Gitterzelle der Landoberfläche
eine Reihe von agroklimatischen Indikatoren abgeleitet. Durch Vergleich mit den spezifischen
Mindestanforderungen der 19 Feldfrüchte (siehe Tabelle 14) wird in einem nächsten Schritt
ermittelt, welche Feldfrüchte in einer Gitterzelle wachsen könnten. Für die geeigneten Feldfrüchte wird daraufhin Beginn und Ende der Wachstumsperiode berechnet. Der potentielle
Ertrag wird bestimmt durch Modellierung der Photosynthese, der autotrophen Respiration und
der resultierenden Nettozunahme der Biomasse in Abhängigkeit von Klima und CO2-Konzentration während der Wachstumsperiode.
Durch Beschränkungen auf bestimmte Gebiete (z. B. die derzeit landwirtschaftlich
genutzte Fläche; siehe Ramankutty et al., 1998), auf einzelne Feldfrüchte sowie durch die Einbeziehung bzw. den Ausschluss von Fruchtwechseln wurden die folgenden aggregierten Indikatoren für die landwirtschaftliche Erzeugung berechnet:
• Ertrag einer einzelnen Feldfrucht (auf der gesamten Landfläche):
Für diesen Indikator wird der Ertrag einer Feldfrucht auf der gesamten Landfläche einer
Region betrachtet. Standardmäßig wird der Ertrag als Prozentanteil des maximalen Ertrags
dieser Feldfrucht unter optimalen klimatischen Bedingungen angegeben. Alternativ kann
die Angabe in Gewichtseinheiten pro Flächeneinheit (z. B. in t/ha) oder als Energiegehalt
pro Flächeneinheit (z. B. in Mcal/ha) erfolgen. Eine Umrechnung in monetäre Einheiten ist
problematisch, da zum einen die Erlöse für landwirtschaftliche Produkte regional variieren
(für Produkte, die in großem Umfang gehandelt werden, wäre dem durch die Verwendung
mittlerer Exportpreise beizukommen), und da der Arbeitsaufwand beim Anbau zwischen
den einzelnen Feldfrüchten stark variiert.
• Ertrag einer einzelnen Feldfrucht (auf der landwirschaftlich genutzten Fläche):
Dieser Indikator entspricht dem vorherigen mit dem Unterschied, dass nur die derzeit landwirtschaftlich genutzten Flächen einer Region betrachtet werden.
• Ertrag einer einzelnen Feldfrucht (auf der spezifischen Anbaufläche):
Auch für diesen Indikator werden nur die derzeit landwirtschaftlich genutzten Flächen
einer Region betrachtet. Darüber hinaus werden die Ergebnisse für einzelne Länder bei der
Aggregation zu größeren Regionen mit der tatsächlichen Anbaufläche dieser spezifischen
Feldfrucht (gemäß Angaben der FAO; siehe Alexandratos, 1995) gewichtet.
• Potentielle Anbaufläche einer einzelnen Feldfrucht (für die gesamte Landfläche);
Potentielle Anbaufläche einer einzelnen Feldfrucht (für die landwirtsch. genutzte Fläche);
Potentielle Anbaufläche einer einzelnen Feldfrucht (für die spezifische Anbaufläche):
Für diese Indikatoren werden alle Flächen gezählt, auf denen ein bestimmter Mindestertrag
erzielbar ist. Wie bereits bei den oben aufgeführten Ertragsindikatoren kann entweder die
- 47 -
gesamte Landfläche, die landwirtschaftlich genutzte Fläche oder die spezifische Anbaufläche betrachtet werden.
• Flächengewichteter aggregierter Ertrag:
Für diesen Indikator werden nur die derzeit landwirtschaftlich genutzten Flächen einer
Region betrachtet. Die Erträge der einzelnen Feldfrüchte in einem Land werden mit ihrer
jeweiligen Anbaufläche gewichtet. Dieser Indikator beschreibt daher die Auswirkungen
einer Klimaänderung auf das derzeitige landwirtschaftliche System einer Region unter der
Annahme, dass keine Änderungen der angebauten Feldfrüchte erfolgen.
• Maximaler relativer Ertrag (auf der gesamten Landfläche):
Bei der Bestimmung dieses Indikators wird angenommen, das in jeder Gitterzelle diejenige
Feldfrucht angebaut wird, die den höchsten relativen Ertrag, ausgedrückt als Prozentsatz
des maximalen Ertrags dieser Feldfrucht, liefert. Dieser Indikator gibt also an, ob irgendeine Feldfrucht erfolgreich angebaut werden kann. Es wird eine vollständige Flexibilität
des landwirtschaftlichen Sektors unterstellt, in dem weder kulturelle noch ökonomische
Beschränkungen den Anbau oder den Absatz von Feldfrüchten behindern.
• Maximaler relativer Ertrag (auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche):
Dieser Indikator entspricht dem vorherigen mit dem Unterschied, dass nur die derzeit landwirtschaftlich genutzten Flächen betrachtet werden.
• Maximaler energetischer Ertrag (auf der gesamten Landfläche);
Maximaler energetischer Ertrag (auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche):
Diese Indikatoren entsprechen den beiden vorherigen mit dem Unterschied, dass bei der
Wahl der “besten” Feldfrucht nicht der relative Ertrag, sondern der Energiegehalt (ausgedrückt in Kalorien) maximiert wird. Der Indikator kann entweder für die gesamte Landfläche oder für die derzeit landwirtschaftlich genutzte Fläche bestimmt werden.
Abbildung 20 zeigt Klimawirkungsfunktionen für die Änderung von drei aggregierten
Indikatoren der landwirtschaftlichen Produktion in Deutschland. Es ist erkennbar, dass die prognostizierte Änderung des Klimas alleine überwiegend negative Auswirkungen zur Folge
hätte, während erhöhte CO2-Konzentrationen ertragssteigernd wirken. Kurzfristig überwiegt in
allen betrachteten Szenarien der positive CO2-Einfluss. Unter Zugrundelegung der SRESEmissionsszenarien würde sich dieser Trend jedoch spätestens gegen Ende des
21. Jahrhunderts umkehren. Für den Indikator “flächengewichteter aggregierter Ertrag”, bei
dem die heutigen Anbauflächen der 19 modellierten Feldfrüchte konstant bleiben, werden
innerhalb des betrachteten Klimazustandsraumes drastische Produktionseinbrüche bis zu über
80% simuliert. Erwartungsgemäß zeigen die beiden anderen Indikatoren, die einen beliebigen
Wechsel der Feldfrucht erlauben, deutlich geringere Einbußen.
Offensichtlich ist keiner der aggregierten Indikatoren realistisch in dem Sinne, dass er das
Verhalten des landwirtschaftlichen Sektors auf veränderte klimatische Bedingungen exakt vorhersagt. Verbraucherpräferenzen und Weltmarktpreise haben generell einen ganz erheblichen
Einfluss auf die landwirtschaftliche Praxis; in Deutschland kommt derzeit noch die starke
Regulierung der Landwirtschaft durch die europäische Union hinzu. Vor dem Hintergrund der
sehr eingeschränkten Möglichkeit, Änderungen in diesen nicht-klimatischen Parametern vorherzusagen, geben die oben beschriebenen Indikatoren dennoch wichtige Informationen über
zu erwartende klimatische Effekte, die bei der Festlegung von Klimaschutzzielen berücksichtigt werden können und sollten.
- 48 -
100
80
60
40
1000
800
20
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
600
480
400
325
0.8
1
1.2
2100 (A2)
2100 (B2)
600
2100 (B1)
2000 (all)
CO2 conc.
[ppmv]
1000
800
2
2.5
3
3.5
4
0.4
0.2
1.5
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
2
4
T=14.0 °C
P=719 mm/a
C=62.9 %
Isolines for: Crop performance (agr. area)
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1000
1.6
Germany
120 %
110 %
100 %
90 %
80 %
2100 (A2)
1.4
1.2
2100 (A1)
1
2100 (B2)
600
0.8
2100 (B1)
0.6
480
2100 (WBGU)
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
400
CO2 conc.
[ppmv]
2000 (all)
0.4
0.2
325
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
0
0
0.5
T=8.5 °C
P=718 mm/a
C=66.7 %
2
T=14.0 °C
P=719 mm/a
C=62.9 %
T=8.5 °C
P=718 mm/a
C=66.7 %
0.8
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
CO2 concentration [ppmv]
42.8
1.5
1
0
1
800
1
1.2
325
52.5
0.5
1.4
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
400
Germany
120 %
110 %
100 %
90 %
80 %
0
1.6
0.6
2100 (WBGU)
0
0.5
T=8.5 °C
P=718 mm/a
C=66.7 %
600
480
400
325
1.6
480
T=14.0 °C
P=719 mm/a
C=62.9 %
33.6
1.4
Germany
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
2100 (A1)
2
Crop performance (agr. area) [% of max. yield]
0.6
800
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
T=8.5 °C
P=718 mm/a
C=66.7 %
0.4
log2 (CO2/CO2,base)
120
2
0.2
log2 (CO2/CO2,base)
140
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
0
1000
CO2 concentration [ppmv]
Crop production (wgt. by acreage) [% of base]
Isolines for: Crop production (wgt. by acreage) [% of base]
Germany
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
2
4
T=14.0 °C
P=719 mm/a
C=62.9 %
Isolines for: Food energy (agr. area)
Germany
100 %
90 %
Normalized global mean temperature change [∆T2*CO ]
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1000
Germany
100 %
90 %
2100 (A2)
800
1000
800
1654
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
2
T=8.5 °C
P=718 mm/a
C=66.7 %
T=14.0 °C
P=719 mm/a
C=62.9 %
600
480
400
325
1.4
1.2
2100 (A1)
1
2100 (B2)
600
0.8
2100 (B1)
0.6
480
2100 (WBGU)
Emission scenarios
SRES98 A1
SRES98 A2
SRES98 B1
SRES98 B2
WBGU97
400
2000 (all)
CO2 conc.
[ppmv]
325
log2 (CO2/CO2,base)
1927
CO2 concentration [ppmv]
Food energy (agr. area) [Gcal/km2]
2049
1.6
0.4
0.2
0
0
0.5
T=8.5 °C
P=718 mm/a
C=66.7 %
1
1.5
2
2.5
3
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
2
3.5
4
T=14.0 °C
P=719 mm/a
C=62.9 %
Abbildung 20: Klimawirkungsdiagramme (links) und Isoliniendiagramme (rechts) für die Änderung von
aggregierten Indikatoren der landwirtschaftlichen Produktion in Deutschland.
Obere Zeile: Flächengewichteter aggregierter Ertrag;
Mittlere Zeile: Maximaler relativer Ertrag auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche;
Untere Zeile: Maximaler energetischer Ertrag auf der landwirtschaftlich genutzten Fläche.
(Definitionen der Indikatoren im Text.)
- 49 -
Southeast Europe
100 %
90 %
80 %
70 %
60 %
776
Runoff [mm/yr]
Runoff [mm/yr]
213
South Asia
150 %
140 %
130 %
120 %
110 %
110
348
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
T=10.1 °C
P=668 mm/a
C=45.7 %
2
4
4.5
T=17.1 °C
P=532 mm/a
C=36.4 %
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Global mean temperature change [°C]
(ECHAM3/LSG: ∆T2*CO =2.69 °C)
T=22.7 °C
P=984 mm/a
C=34.0 %
2
4
4.5
T=28.3 °C
P=1406 mm/a
C=38.3 %
Abbildung 21: Klimawirkungsfunktion für die Wasserverfügbarkeit in den Regionen Südosteuropa (links) und
Südasien (rechts).
Klimawirkungen auf die Wasserverfügbarkeit
Zur Abschätzung der Auswirkungen klimatischer Veränderungen auf die Wasserverfügbarkeit wurde, in Zusammenarbeit mit der GhK, das globale hydrologische Modell WaterGAP 1.1
(Döll et al., 1998) eingesetzt. Das Modell berechnet den oberflächennahen Abfluss in Abhängigkeit von monatlich aufgelösten Daten für die Temperatur, den Niederschlag und die Bewölkung sowie von Bodenparametern für die Einzugsgebiete von 1162 Flüssen.
Für diesen Sektor wurde lediglich ein Indikator definiert:
• Mittlerer oberflächennaher Abfluss:
Dieser Indikator beschreibt die Summe aus dem Oberflächenabfluss und der Grundwasserneubildung (in mm/Jahr). Er charakterisiert daher die mittlere niederschlagsgestützte
Wasserverfügbarkeit im Einzugsgebiet eines Flusses. Da diese Gebiete sich in der Regel
nicht mit Ländergrenzen decken, wurde für jedes Land der Erde ein repräsentatives Einzugsgebiet ermittelt.
Abbildung 21 zeigt exemplarisch zwei regionale Klimawirkungsfunktionen für die Wasserverfügbarkeit basierend auf Klimaprojektionen von ECHAM3. Da in WaterGAP die CO2-Konzentration keinen unmittelbaren Einfluss auf den Wasserhaushalt hat, wird die
Wasserverfügbarkeit lediglich in Abhängigkeit von der Änderung der globalen Mitteltemperatur angegeben, die wiederum als Skalierungsfaktor für die verschiedenen Klimaänderungsmuster fungiert.
Für Südosteuropa wird bei fortschreitendem Klimawandel eine deutliche Verknappung der
Wasserverfügbarkeit prognostiziert, die erhebliche Probleme erwarten ließe. Im Gegensatz
dazu wird für das südliche Asien eine starke Zunahme des verfügbaren Wassers simuliert. Einschränkend muss allerdings angemerkt werden, dass Niederschlagsvorhersagen für diese
Region aufgrund der unbefriedigenden Repräsentation des indischen Monsuns in vielen GCMs
eine besonders hohe Unsicherheit aufweisen. Hier wären sowohl belastbarere Klimaprojektionen als auch Verbesserungen des hydrologischen Modells mit der Zielsetzung, sowohl saisonale Wasserknappheit als auch mögliche Überschwemmungen besser abschätzen zu können,
wünschenswert.
- 50 -
Abbildung 22: Idealisierte Beschreibungen des Zusammenhangs zwischen Temperatur und Sterblichkeit.
Klimawirkungen auf die menschliche Gesundheit
Das Klima einer Region hat vielfältige Auswirkungen auf die dort lebenden Menschen und
ihre Gesundheit. Klimatische Extremereignisse wie Stürme, regenbedingte Überflutungen und
lang andauernde Hitzewellen ziehen oft den Tod von vielen Menschen nach sich; Dürren können die Ernährungssituation so stark beeinträchtigen, dass das Immunsystem der Menschen
empfindlich geschwächt wird, und viele Infektionskrankheiten (z. B. Malaria) sind durch die
klimatischen Anforderungen der Infektionsverursacher und ihrer Wirtstiere auf bestimmte Klimazonen beschränkt. In ICLIPS wurde von den Projektpartnern am Jackson Environment
Institute (JEI) des University College London (mittlerweile verlegt an die University of East
Anglia in Norwich) insbesondere der Zusammenhang zwischen der Umgebungstemperatur
und der Sterblichkeit für eine Reihe von wichtigen Krankheiten untersucht.
In einer Vielzahl von Studien wurden klimatische Zeitreihen für einzelne Städte oder größere Regionen korreliert mit den dazu gehörigen Zeitreihen für die Sterblichkeit, unterschieden
nach den wichtigsten Todesursachen und dem Alter der Betroffenen. Dabei zeigt sich regelmäßig ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur und Sterblichkeit, der bei älteren Menschen (ab etwa 60 Jahren) besonders stark ausgeprägt ist. In den
meisten Fällen ist dieser Zusammenhang jedoch nicht monoton. Vielmehr ergibt sich ein
„komfortabler“ Temperaturbereich, der mit minimalen Todesraten einhergeht, während für
Temperaturen oberhalb und unterhalb des Komfortbereiches die Sterblichkeit jeweils ansteigt
(siehe Abbildung 22 und Tabelle 23). Die Komforttemperatur variiert in verschiedenen Klimazonen deutlich. Während etwa in den Niederlanden die Sterblichkeit bei 16.5 oC minimal ist,
liegt der Komfortbereich in Taiwan bei 26-29 oC (siehe Abbildung 24).
Die Gesamtheit der Studien lässt klar erkennen, dass Menschen sich durch physiologische,
verhaltensmäßige und technische Maßnahmen recht gut an verschiedene klimatische Bedingungen angepasst haben. Wir halten es daher nicht für zulässig, den heute beobachteten
Zusammenhang zwischen der Temperatur und gesundheitlichen Folgen unreflektiert in die
- 51 -
Tabelle 23: Ergebnisse aus länderweiten Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Temperatur und
Sterblichkeit für die folgenden Todesursachen: CHD=Coronary heart diseases, CEVD=Cerebrovascular
diseases, CAD=Coronary artery diseases, CH=Cerebral haemorrhage, CI=Cerebral infarction.
Zukunft zu übertragen. Vielmehr müsste zunächst untersucht werden, mit welcher Geschwindigkeit sowie mit welchen sozialen und ökonomischen Kosten sich Menschen an steigende
Temperaturen anpassen können, und wo die absoluten Obergrenzen für eine solche Anpassung
liegen. Hierbei sollte auch hinterfragt werden, ob solche Anpassungsmaßnahmen, die zum Teil
tief greifende Änderungen im alltäglichen Leben nach sich zögen, für die betroffene Bevölkerung akzeptabel erscheinen.
Leider ist die empirische Datenbasis derzeit nicht ausreichend, um diese Fragen zufrieden
stellend beantworten zu können. Insbesondere aus tropischen Regionen, die wertvolle Hinweise auf die Grenzen der Anpassungsfähigkeit geben könnten, sind kaum Studien vorhanden.
Insofern können die in Tabelle 23 und in Abbildung 24 gezeigten Ergebnisse nur erste Hin-
- 52 -
Abbildung 24: Klimawirkungsfunktionen für den Zusammenhang zwischen Temperatur und Sterblichkeit. Oben:
Empirische Ergebnisse aus Taiwan. Mitte: Empirische Ergebnisse aus den Niederlanden. Unten:
Verallgemeinerte Klimawirkungsfunktion. (Zur Erläuterung der Abkürzungen siehe Tabelle 23.)
- 53 -
Abbildung 25: Methoden zur Untersuchung der Auswirkungen eines Meeresspiegelanstiegs auf besiedelte
Gebiete (links) und auf Feuchtgebiete (rechts).
weise auf die möglichen Folgen eines Temperaturanstiegs für die menschliche Gesundheit
geben. Ihre Verwendung in Inversanalysen wird daher nicht empfohlen. Belastbarere Ergebnisse sind von Fortschritten in der diesbezüglichen medizinischen Forschung abhängig.
Auswirkungen eines Meeresspiegelanstiegs auf Küstenregionen
Viele Küstenregionen sind besonders verwundbar hinsichtlich des globalen Klimawandels.
Steigende Temperaturen haben über die thermische Ausdehnung des Meerwassers sowie das
Abschmelzen von Gletschern und polarem Eis unmittelbaren Einfluss auf den globalen Meeresspiegel. In manchen Regionen mit einem geringen Tidenhub und flachem Küstenverlauf
würde schon ein moderater Anstieg des mittleren Meeresspiegels eine Gefährdung für die dort
lebenden Menschen und ihren Besitz darstellen. Mögliche Änderungen in der Häufigkeit, der
Stärke und den Zugbahnen von Stürmen wären hingegen auch für solche Regionen bedeutsam,
wo signifikante Schäden bisher nur bei extremen klimatischen Ereginissen auftreten.
Innerhalb des ICLIPS-Projektes wurden am JEI detaillierte Untersuchungen zu den regionalen Auswirkungen eines abgestuften Meeresspiegelanstiegs durchgeführt. Die entsprechenden Indikatoren umfassen u. a. die von Überflutung betroffene Bevölkerung für verschiedene
Wiederkehrperioden sowie den Verlust von Feuchtgebieten in der Küstenzone, die oftmals eine
herausragende ökologische und z. T. auch ökonomische Bedeutung haben. Die entsprechende
Methodik ist in Abbildung 25 skizziert. Wichtige Ergebnisse dieser Untersuchungen für alle
betrachteten Regionen sind in Tabelle 26 angegeben.
- 54 -
Abbildung 26: Ergebnisse zu den Auswirkungen eines Meeresspiegelanstiegs in allen betrachteten Regionen.
Oben: Anzahl der jährlich von Überflutung betroffenen Menschen (in Tausenden).
Unten: Verluste von Feuchtgebieten. Für die Regionen 15, 17, 21 und 22 liegen keine Daten vor.
- 55 -
II.1.6. Landnutzungsmodell
Das Landnutzungsmodell, welches an den Battelle Pacific Northwest National Laboratories
in Washington, D.C. entwickelt wurde, dient der Ermittlung von Treibhausgasemissionen, die
durch die Landnutzung und deren Änderung bedingt sind. Es basiert auf dem “Agriculture and
Land-Use (AgLU-)Modell” (Edmonds u.a., 1996), das wiederum als Ergänzung zum
Edmonds-Reilly-Barns-(ERB)-Modell (Edmonds und Reilly, 1985) konzipiert wurde. Während ERB das Marktgeschehen für die Energieträger Erdöl, Erdgas, Kohle und Biomasse simuliert, betrachtet AgLU die aggregierten landwirtschaftlichen Güter Getreide, tierische Produkte
und Forstprodukte. Die Schnittstelle zwischen den beiden Modellen stellt die Biomasse dar,
welche in ERB als Energieträger fungiert, während sie in AgLU mit den anderen Agrar- bzw.
Forstprodukten um Anbauflächen konkurriert.
Diese Konkurrenz wird in analoger Weise im ICLIPS-Landnutzungsmodell dargestellt, um
die verfügbare Anbaufläche zwischen den Nutzungsformen Ackerbau, Weidewirtschaft, Forstwirtschaft und Brache aufzuteilen. Die Zuordnung erfolgt entsprechend den wirtschaftlichen
Gewinnen, die sich durch die verschiedenen Nutzungsformen erzielen lassen. Die Gewinne
berechnen sich als Differenz zwischen den Ertragserlösen und den Produktionskosten. Die
Hektarerträge unterliegen Veränderungen durch den exogen vorgegebenen technologischen
Fortschritt.
Der Bedarf nach Agrar- und Forstprodukten wird in Abhängigkeit von der Entwicklung der
Bevölkerungszahlen und des pro-Kopf-Einkommen bestimmt. Jede Landnutzungsart ist durch
eine spezifische Kohlenstoffdichte charakterisiert. Die landnutzungsbedingten (positiven oder
negativen) Emissionen von Kohlendioxid (CO2) ergeben sich aus der Differenz der Kohlenstoffbestände zwischen zwei Modellperioden. Die Emissionen von Methan (CH4) können aus
dem Umfang der Reisproduktion und der Rinderhaltung und diejenigen von Lachgas (N2O)
aus dem Düngemitteleinsatz berechnet werden. In den später erläuterten Anwendungen des
ICLIPS-Gesamtmodells wurden für die Emissionen von CH4 und N2O allerdings Werte aus
den SRES-Emissionsszenarien des IPCC zugrunde gelegt.
Bei der Modellierung der Landnutzung werden die unterschiedlichen Wachstumszeitspannen von Forstwirtschaft und Landwirtschaft berücksichtigt. Die Entscheidung über den
Umfang der Holzanpflanzung wird auf der Basis des erwarteten Holzpreises 45 Jahre nach der
Anpflanzung getroffen. Solche Preisinformationen können im ICLIPS-Landnutzungsmodell
durch intertemporale Optimierung unter Angleichung von Angebot und Nachfrage auf dem
Holzmarkt endogen ermittelt werden.
Im Rahmen von Klimaschutzanstrengungen kann die Substitution fossiler durch biogene
Energieträger eine wichtige Rolle einnehmen. Anwendungen des ICLIPS-Landnutzungsmodells zeigen, dass eine Steigerung der auf Plantagen betriebenen Biomasseproduktion zwar
einen - durchaus beträchtlichen - Rückgang der CO2-Emissionen im Energiesektor bewirken
kann, dass er aber auch häufig mit einer Reduktion der Waldanbaufläche einhergeht und somit
zu einem temporären Anstieg der Netto-CO2-Emissionen aus der Landnutzung führen kann.
- 56 -
II.1.7. Ökonomisches Wachstumsmodell
Bei der Betrachtung von Klimaschutzmaßnahmen besteht zum einen die Notwendigkeit,
die ökonomische Analyse mit den eher langfristig orientierten naturwissenschaftlichen Untersuchungen des Klimawandels zu verbinden; zum anderen gilt es, die Politikberatung durch
eine Analyse kurzfristiger Handlungsoptionen und deren intersektoralen und interregionalen
Auswirkungen zu unterstützen. Die Entwicklung zweier zwar abgestimmter, aber dennoch verschiedener ökonomischer Modelle stellt derzeit die einzige Möglichkeit dar, diesen unterschiedlichen Aktionshorizonten gerecht zu werden. Die sozio-ökonomische Modellierung
innerhalb des ICLIPS-Projektes umfasste daher die Erstellung eines
• hochaggregierten Wachstumsmodells zur Untersuchung der langfristigen Auswirkungen
von Klimaschutzstrategien (“ICLIPS-Wachstumsmodell”) sowie eines
• allgemeinen Gleichgewichtsmodells zur Abschätzung der kurz- und mittelfristig zu erwartenden ökonomischen Konsequenzen von Klimaschutzmaßnahmen (“ICLIPS-Gleichgewichtsmodell”).
In diesem Abschnitt wird das am PIK entwickelte multiregionale Wachstumsmodell nach
Ramsey (Tóth et al., 1998b) vorgestellt, während das am Institut für Weltwirtschaft in Kiel
erstellte multiregionale und multisektorale Gleichgewichtsmodell in einem späteren Abschnitt
beschrieben wird.
Im Hinblick auf die Analyse von Klimaschutzstrategien kam es im ICLIPS-Projekt darauf
an, ein Modell zu entwickeln, dass in der Lage ist, wesentliche Einflussfaktoren der langfristigen ökonomischen Dynamik endogen abzubilden. Ökonomische Wachstumsmodelle sind
intertemporal optimierende Modelle, denen die Annahme optimal wirtschaftender Akteure mit
vollkommener Voraussicht zugrunde liegt. Dieser Voraussicht unterliegen insbesondere Entscheidungen über die Aufteilung des verfügbaren Einkommens in Investition und Konsum.
Das Wachstumsmodell ermittelt auf der Basis exogener Annahmen zur Bevölkerungsentwicklung und zur Entwicklung bestimmter Technologieparameter die ökonomische Entwicklung,
ausgedrückt als Entwicklung des Bruttosozialproduktes, in jeder untersuchten Region. Die entscheidende Steuervariable dabei ist die Investitionsrate. Darüber hinaus wird die Wachstumsdynamik beeinflusst von interregionalen Beziehungen (Handel und Kapitalmobilität). Da es
sich bei dem vorliegenden Modell um ein Ein-Sektor-Modell handelt (d. h., dass in jeder
Region nur ein aggregiertes Gut produziert wird), beschränkt sich der Handel auf intertemporalen Handel. Die Anwendung des Wachstumsmodells im Rahmen von Klimapolitikanalysen
bringt weitere wachstumsbeeinflussende Komponenten mit ins Spiel: Emissionsreduktionsziele und klimapolitische Instrumente zu deren Einhaltung (z. B. Emissionsrechtshandel).
Treibende Kraft bei der Bestimmung des optimalen Wachstumspfades ist die Maximierung der
materiellen Wohlfahrt einer Gesellschaft. Das Wachstumsmodell ist zwar ein vorausschauendes Modell, kann aber aufgrund der Vielzahl der einfließenden Annahmen keine eindeutigen
Vorhersagen machen. Es liefert vielmehr in sich konsistente Szenarien für die transiente Entwicklung wichtiger makroökonomischer Variablen (z. B. Bruttosozialprodukt, pro-Kopf-Einkommen).
Wachstumsmodelle nach Ramsey sind eine in der Ökonomie seit langem etablierte Modellkategorie, die dementsprechend häufig implementiert wurde. Im Rahmen des ICLIPS-Projektes war es dennoch erforderlich, ein solches Modell neu zu entwicklen, um eine Reihe von
Prozessen abzubilden, die für die Langfristanalyse von Klimaschutzstrategien von großer
Bedeutung sind. Insbesondere wurden im ICLIPS-Wachstumsmodell dynamische Vermei-
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REGION I
Bevölkerungsentwicklung
Kapitalbestand
Arbeit
Technologischer Fortschritt
Kohlenstoffintensität
Energieeffizienz
Bruttosozialprodukt
Primärenergie
Fossile Energieträger
Investitionen
Vermeidungskosten
Konsum
THG-Emissionen
Kapitalmobilität
Wohlfahrt
REGION II
Intertemporaler Handel
Emissionsrechtshandel
REGION XI
Abbildung 27: Struktur des ICLIPS-Wachstumsmodells
dungskostenfunktionen für Treibhausgasemissionen implementiert, und die “nicht-traditionellen” Verbindungen zwischen den Regionen durch den Handel mit Emissionsrechten und durch
die Berücksichtigung der internationalen Mobilität von Investitionskapital wurden einbezogen.
Desweiteren wurde eine Regionalisierung in 11 Weltregionen gewählt, die mit den in der Klimarahmenkonvention und im Kyoto-Protokoll angegebenen Ländergruppen kompatibel ist,
und für die eine ausreichende Datenbasis für Kalibrierungszwecke verfügbar war. Nicht zuletzt
wurde von Anfang an darauf geachtet, dass das Wachstumsmodell mit dem ICLIPS-Klimamodell voll integrierbar ist und adäquate Schnittstellen zu den anderen Komponenten des ICLIPSGesamtmodells besitzt.
Das ICLIPS-Wachstumsmodell umfasst folgende Komponenten, deren Zusammenwirken
in Abbildung 27 wiedergegeben ist:
• Wohlfahrtsfunktion (zur Bewertung der wirtschaftlichen Entwicklung),
• regional spezifisch parametrisierte Produktionsfunktionen zur Berechnung des Bruttosozialprodukts,
• regional spezifisch parametrisierte Emissionsfunktionen, die den Zusammenhang zwischen
der Entwicklung der Produktion und den damit verbundenen Emissionen beschreiben,
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• regional spezifisch parametrisierte dynamische Vermeidungskostenfunktionen, welche die
spezifischen Emissionsminderungskosten für CO2 unter Berücksichtigung des induzierten
technologischen Fortschritts beschreiben,
• Teilmodell zur Bestimmung der optimalen Kapitalakkumulation,
• Teilmodell zur Modellierung der internationalen Kapitalmobilität,
• Teilmodell für den Handel mit Emissionsrechten.
Angetrieben von exogenen Szenarien der Bevölkerungsentwicklung, bestimmt das Wachstumsmodell einen “optimalen” Wachstumspfad durch die endogene Modellierung der Investitionsdynamik unter Berücksichtigung der vielfältigen Verbindungen zwischen den einzelnen
Weltregionen. Weiteren Einfluss auf das Modellverhalten haben klimapolitisch motivierte
Maßnahmen wie Beschränkungen der Emission von Treibhausgasen und der Handel mit entsprechenden Emissionszertifikaten. Die Kosten der Verminderung von Treibhausgasemissionen werden durch dynamische Vermeidungskostenfunktionen bestimmt, auf die im folgenden
noch eingegangen wird. Das Wachstumsmodell ist unmittelbar gekoppelt mit dem Landnutzungsmodell, das für einen gegebenen wirtschaftlichen Entwicklungspfad die zu erwartenden
landnutzungsbedingten CO2-Emissionen ermittelt sowie mit dem Klimamodell, das auf der
Basis der gesamten CO2-Emissionen eine Klimaprojektion erstellt und diese auf ihre Verträglichkeit mit den vorgegebenen Leitplanken überprüft.
Die in Zusammenarbeit mit dem Internationalen Institut für angewandte Systemanalyse
(IIASA) in Laxenburg entwickelten dynamischen CO2-Vermeidungskostenfunktionen
beschreiben in aggregierter Form die kumulierten Vermeidungskosten in Abhängigkeit von der
kumulierten Emissionsreduktion gegenüber einem Referenzemissionspfad. Diese Kostenfunktionen wurden auf der Grundlage umfangreicher Analysen der Entwicklung von neuen Energietechnologien bestimmt. Diese Form der funktionalen Abhängigkeit hat gegenüber
traditionellen Vermeidungskostenfunktionen den Vorteil, dass die Reduktion von Treibhausgasemissionen als ein kontinuierlicher Prozess betrachtet wird, in dem vorausgegangene Reduktionsanstrengungen sich kostenmindernd auswirken können (“learning by doing”). Daraus
ergeben sich Konsequenzen für die Bewertung von alternativen Emissionspfaden, wie sie in
Abbildung 28 rot dargestellt sind. Traditionelle Kostenfunktionen würden für beide Reduktionsstrategien zum Zeitpunkt ti aufgrund der übereinstimmenden Abweichung vom Referenzpfad identische Kosten implizieren und aufgrund der geringeren Reduktionsanforderungen zu
anderen Zeitpunkten Strategie (a) bevorzugen. Mit der hier verwendeten Kostenfunktion würden für Strategie (b) zumindest zum Zeitpunkt ti geringere Kosten anfallen, und diese Strategie
könnte sich auch insgesamt als vorteilhaft erweisen. Als weiterer wesentlicher Vorteil ist die
zeitabhängige und regional differenzierte Formulierung der Vermeidungskostenparameter zu
nennen.
In allen ökonomischen Komponenten des ICLIPS-Modells werden die folgenden
11 Weltregionen unterschieden:
• AFR
Afrika (ohne Nordafrika)
• CPA
China, Mongolei, Vietnam, Kambodscha, Laos
• EEU
Osteuropa
• FSU
frühere UdSSR
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Emissionen im Referenzfall
Emissionen im Referenzfall
Reduktions
strategie (a)-
Reduktions
strategie (b)-
ti
(a)
(b)
ti
Abbildung 28: Alternative Emissionspfade mit gleichem Emissionsziel
• LAM
Lateinamerika
• MEA
Mittlerer Osten, Nordafrika
• NAM
Nordamerika
• PAO
Pazifik-OECD (Japan, Australien, Neuseeland)
• PAS
Südostasien
• SAS
Südasien (insbesondere Indien, Pakistan und Bangladesh)
• WEU
Westeuropa.
Im ICLIPS-Wachstumsmodell werden folgende Beziehungen zwischen den 11 Regionen
berücksichtigt:
• Intertemporaler Handel wird durch das vorübergehende Zulassen von Handelsbilanzdefiziten ermöglicht.
• Kapitalmobilität wird auf der Basis von Unterschieden in den regionalen Kapitalertragsraten modelliert. Kapitalströme werden im Modell teilweise beschränkt, um sie den in der
Realität zu beobachtenden Kapitalflüssen anzupassen.
• Handel mit Emissionsrechten erlaubt es, unter Beachtung der regional differenzierten
Reduktionsziele die tatsächlichen Emissionsreduktionen in denjenigen Regionen durchzuführen, die vergleichsweise niedrige Vermeidungskosten aufweisen. Handelsbeschränkungen können eingeführt werden, um inländische Reduktionsmaßnahmen zu forcieren. Die
Anfangsverteilung der Emissionsrechte ist von wesentlichem Einfluss auf das Ausmaß des
Handels und den sich einstellenden Preis von Emissionsrechten. Das Modell ermöglicht die
Analyse unterschiedlicher Verteilungsprinzipien.
Abschließend wird eine zusammenfassende verbale Beschreibung der Modellgleichungen
gegeben. Nähere Informationen finden sich im Abschlussbericht des vom BMU geförderten
ICLIPS-Teilprojektes (Leimbach et al., 2000),
(1) Zielfunktion
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Sie beinhaltet die Berechnung der globalen Wohlfahrt als gewichtete Summe der regionalen Wohlfahrten. Letztere ergeben sich als abdiskontierte logarithmische Funktion des privaten
und staatlichen pro-Kopf-Konsums.
(2) Produktionsfunktion
Die Bestimmung der regionalen Bruttosozialprodukte (BSP) erfolgt mit Hilfe einer CobbDouglas-Produktionsfunktion.
(3) Nettoproduktion
Ein Teil des Bruttosozialprodukts wird für Klimaschutzmaßnahmen verausgabt und steht
daher nicht mehr für andere Investitionen oder für den privaten bzw. öffentlichen Konsum zur
Verfügung.
(4) Kumulierter BSP-Verlust
Der kumulierte BSP-Verlust im Jahr t ergibt sich als Summe der mit den Vermeidungskosten des Jahres t bewerteten jährlichen Bruttosozialprodukte bis zum Jahre t.
(5) Vermeidungskosten
Diese Gleichung entspricht formal der traditionellen Vermeidungskostenfunktion vom
Nordhaus-Typ mit erweiterter regionaler und temporaler Auflösung. Allerdings wird als unabhängige Variable nicht die Emissionsreduktion im Jahr t (bezogen auf den Referenzpfad) verwendet, sondern die kumulierte Emissionsreduktion bis zum Jahr t, um kostenmindernden
Effekte von “learning-by-doing” berücksichtigen zu können.
(6) Kumulierte Emissionsreduktion
Sie dient der Berechnung der kumulierten Emissionsreduktionskosten in (5).
(7) BSP-Verteilung
Das um die Klimaschutzausgaben bereinigte Bruttosozialprodukt wird in Investitionsausgaben und Konsumausgaben geteilt. Diese Bilanzgleichung wird erweitert durch Kapitalmobilität und Handel. Letzterer repräsentiert intertemporalen Handel mit dem aggregierten Gut
sowie den Handel mit Emissionsrechten.
(8) Handelsbilanz
Exporte und Importe (von Emissionsrechten und von aggregiertem Gut) sind in jeder Periode ausgeglichen. Handelsströme werden nicht bilateral bilanziert, sondern alle Regionen
exportieren in einen gemeinsamen Pool und importieren aus selbigem. Dies dient der Übersichtlichkeit und der nummerischen Effizienz. Bilaterale Wirkungen können im Rahmen von
Vergleichen verschiedener Modelläufe dennoch analysiert werden.
(9) Beschränkung von Einnahmen aus Emissionsrechtshandel
(10) Beschränkung von Ausgaben für Emissionsrechtshandel
(9) und (10) können fallweise als politisch-normative Grenzwertsetzung fungieren - in
Ersatz oder Ergänzung zu (11) und (12).
(11) Beschränkung des Emissionsrechtsexports
Es kann festgelegt werden, dass nur ein bestimmter Teil der durch Zuteilung erworbenen
Menge an Emissionsrechten verkauft werden darf.
(12) Beschränkung des Emissionsrechtsimports
Der Import von Emissionsrechten kann auf einen bestimmten Anteil der Gesamtemissionen beschränkt werden. Damit kann der in der Klimapolitik von verschiedenen Seiten erhobenen Forderung Rechnung getragen werden, dass ein (wesentlicher) Anteil der
Emissionsreduktion im eigenen Land erfolgen sollte.
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(13) Kapitalstockbilanz
Sie beschreibt den Investitions- bzw. Kapitalakkumulationsprozess. Dabei enspricht die
Veränderung des Kapitalstocks der Differenz aus Investitionen und abgeschriebenen Kapitalbestand.
(14) Investitionsbeschränkung
Diese Nebenbedingung dient dem Ausschluss unrealistisch hoher (durch die Annahme
vollkommener Voraussicht bedingter) Investitionsraten in einigen Entwicklungsregionen während der Anfangsperioden.
(15) Kapitaltransferbilanz
Kapitaltransfers zwischen den Regionen gleichen sich in jeder Periode aus.
(16) Auslandsvermögen
Durch Kapitaltransfer werden Auslandsvermögen auf- und abgebaut. Anders als beim Handel (mit dem aggregierten Gut) wechselt der Besitzer bei Kapitaltransfers nicht. Auslandsvermögen werden entsprechend einer globalen gemittelten Kapitalertragsrate verzinst.
(17) Kapitalertragsrate
Die globale Kapitalertragsrate ergibt sich als Durchschnitt der regionalen, auf der Basis
von Kapitalproduktivität und Abschreibungsrate ermittelten, Kapitalertragsraten.
(18) Endbilanz
Es wird angenommen, dass am Ende des betrachteten Zeitraums alle Auslandsvermögen
abgebaut und damit alle Verbindlichkeiten aus Kapitaltransfers aufgelöst sind.
(19) Kapitalmobilitätsbeschränkung
Die Annahme unbegrenzter Kapitalmobilität würde im Modell zu unrealistisch hohen
Kapitalströmen in die Entwicklungsregionen führen. Dieser Widerspruch des Modellverhaltens zur Realität ist durch Defizite sowohl der theoretischen als auch der empirischen ökonomischen Forschung begründet. Restriktionen für Kapitaltransfers sind ein Hilfsmittel, um das
Modellverhalten den Beobachtungen anzupassen.
(20) Beschränkung von Auslandsvermögen
Diese Nebenbedingung soll vor allem verhindern, dass Regionen langfristig Verbindlichkeiten aufbauen, die dann schlagartig in den letzten Perioden abzubauen wären, um in (18)
eine ausgeglichene Endbilanz zu erreichen.
(21) Pro-Kopf-Konsum
Der pro-Kopf-Konsum bildet die Basis für die Wohlfahrtsberechnung in (1).
(22) und (29) Emissionsreduktionsbeschränkung
Durch die Vorgabe einer maximalen Emissionsreduktionsrate kann die Fluktuation der
Emissionen beschränkt werden.
(23) Emissionsbilanz
Die in einer Region produzierten Emissionen müssen durch Emissionsrechte (direkt zugewiesene plus importierte) gedeckt sein.
(24) Endverteilung
Standardmäßig wird angenommen, dass die langfristige Verteilung der Emissionsrechte
sich an gleichen pro-Kopf-Emissionen gemäß den Bevölkerungszahlen in einem (i. d. R. früheren) Basisjahr orientiert.
(25) Anfangsverteilung
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Die Verteilung von Emissionsrechten erfolgt standardmäßig zunächst entsprechend dem
status quo ("Grandfathering") und geht sukzessive in die durch (24) festgelegte Gleichverteilung über.
(26) Globale Emissionen
Die globalen industriellen CO2-Emissionen ergeben sich als Summe der entsprechenden
regionalen Emissionen.
(27) Totale Emissionen
Die totalen anthropogenen CO2-Emissionen ergeben sich als Summe der industriellen
Emissionen und der landnutzungsbedingten Emissionen.
(28) Festgelegte Emissionen
Im ökonomischen Modell werden Emissionen nur bis zum Jahr 2110 endogen berechnet.
Die Berücksichtigung von langfristigen Klimaschutzzielen kann es aber erfordern, den
Betrachtungshorizont des Gesamtmodells bis zu einem späteren Zeitpunkt auszudehnen. Hierbei sind Annahmen über die Entwicklung der Emissionen ab dem Jahr 2110 zu machen, indem
z. B. die Emissionen konstant gehalten oder die Emissionsänderungsrate begrenzt wird.
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II.1.8. Ökonomisches Gleichgewichtsmodell
Zur Analyse der Allokations- und Verteilungseffekte alternativer klimapolitischer Strategien in den nächsten Dekaden, für die das aggregierte ökonomische Modell weniger geeignet
ist, wurde ein berechenbares Simulationsmodell der Weltwirtschaft entwickelt. Dieses empirische allgemeine Gleichgewichtsmodell (EAG) ist ein regional und sektoral disaggregiertes,
rekursiv dynamisches Modell. Das ökonomische Verhalten ist für jede Region vollständig spezifiziert und umfasst Produktion, Konsum, Investitionen und Staatstätigkeit. Es wird angenommen, dass auf allen Märkten vollkommener Wettbewerb herrscht. Die Güter- und Faktorpreise
sind im Prinzip flexibel, werden aber teilweise durch staatliche Aktivitäten wie Steuern oder
Subventionen beeinflusst. Die Regionen werden über internationale Handelsbeziehungen miteinander verknüpft. Innerhalb jeder Region werden drei Arten von Akteuren unterschieden:
• Unternehmen,
• private Haushalte,
• Staat.
Modellstruktur des ökonomischen Gleichgewichtsmodells
Jeder Wirtschaftssektor besteht aus Unternehmen, deren Ziel darin besteht, unter vollkommenem Wettbewerb ihre Gewinne zu maximieren. Die Produktionstechnologie ist durch konstante Skalenerträge beschrieben. Der Output eines jeden Wirtschaftssektors wird produziert
durch den Einsatz von Energie, von nichtenergetischen Zwischenprodukten sowie von den Primärfaktoren Arbeit und Kapital. Der Agrarsektor setzt zusätzlich noch landwirtschaftliche Fläche in der Produktion ein. Die Produktionstechnologien werden für jede Industrie durch eine
hierarchisch genestete separable Funktion mit konstanter Substitutionselastizität (CES)
beschrieben. Damit können unterschiedliche Substitutionsprozesse in den einzelnen Produktionssektoren flexibel abgebildet werden.
Für die Analyse von Klimaschutzpolitiken ist insbesondere die Unterscheidung zwischen
Energie und nichtenergetischen Zwischenprodukten notwendig. In Abhängigkeit von den verwendeten fossilen Brennstoffen verursacht der Energieverbrauch in der Produktion und im
Konsum verschiedene Mengen an Treibhausgasemissionen. Im Modell werden ausschließlich
die aus dem Verbrauch von fossilen Brennstoffträgern entstehenden CO2-Emissionen berücksichtigt. Andere Treibhausgase wie Methan, Stickoxide, Ozon und Halokarbone sowie das
durch Landnutzungsänderungen freigesetzte CO2 werden nicht betrachtet.
Die gesamtwirtschaftliche Höhe der Investitionen ergibt sich aus dem Sparverhalten in
jeder Region. Die sektoralen Investitionshöhen werden nach der Rentabilität des eingesetzten
Kapitals bestimmt. Internationale Kapitalbewegungen werden in dieser Modellvariante nicht
berücksichtigt. Die gesamtwirtschaftliche Nachfrage nach produzierten Gütern wird durch die
Haushalte in einzelnen Regionen, die Industriesektoren, die Investitionssektoren, die staatlichen Entscheidungsträger und das Ausland bestimmt. Weltangebot und Weltnachfrage nach
Gütern gleichen sich in jeder Periode aus, das heißt, eine intertemporale Lagerhaltung findet
nicht statt.
Die Konsumentscheidungen innerhalb jeder Region werden über einen repräsentativen
Haushalt abgebildet. Dieser repräsentative Haushalt bezieht das gesamte Einkommen einer
Region, das aus der Bereitstellung der Primärfaktoren für den Produktionsprozess sowie durch
staatliche Transfers entsteht. Das verfügbare Einkommen, nach Abzug der Steuern und der
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Ersparnisse, verwendet der Haushalt für den Kauf von Gütern, mit dem Ziel, seinen Nutzen zu
maximieren. Um ein bestimmtes Konsumniveau mit den geringsten Ausgaben zu erreichen,
wählt der Haushalt zwischen verschiedenen fossilen Brennstoffträgern und sonstigen Gütern
gemäß der herrschenden relativen Preise die nutzen-maximale Konsumstruktur aus. Darüber
hinaus spart der Haushalt in jeder Zeitperiode einen festen Anteil seines Einkommens. Diese
Ersparnisse werden vollständig in den Produktionssektor investiert.
Der repräsentative Haushalt kann bei seinen Konsumausgaben zwischen Energie und sonstigen Gütern substituieren. Dies wird durch eine CES-Funktion beschrieben. Bei den NichtEnergie-Gütern wird davon ausgegangen, dass bei relativen Preisänderungen der Haushalt
seine Ausgabenanteile an den einzelnen Produktgruppen konstant hält. Dieses Verhalten wird
durch eine Cobb-Douglas-Funktion dargestellt.
Der Staat als dritter Akteur erhebt Steuern, um seine staatlichen Aktivitäten zu finanzieren.
Die Steuereinnahmen werden zum einen dazu verwendet, ein öffentliches Gut bereitzustellen,
sowie Transfers an die Haushalte zu leisten. Für die Herstellung des öffentlichen Gutes kauft
der Staat die Produkte bei dem Unternehmenssektor. Die öffentlichen Güter werden mit der
gleichen zweistufigen Struktur hergestellt wie in der Haushaltsproduktionsfunktion. Es wird
angenommen, dass der Staatsanteil an der Gesamtwirtschaft im Zeitablauf konstant bleibt.
Die Weltwirtschaft ist in verschiedene Regionen unterteilt, die miteinander in Handelsbeziehungen stehen. Alle Güter bis auf das Investitionsgut werden zwischen den Regionen
gehandelt. Gemäß der Armington-Annahme (Armington, 1969) sind einheimische und ausländische Güter imperfekte Substitute. Das heißt, für jede Güterart gibt es ein heimisches und
jeweils regionenspezifische Importgüter.
Die Importnachfrage unterscheidet einerseits zwischen importierten und einheimisch produzierten Gütern, sowie andererseits zwischen Importgütern verschiedener Herkunftsländer.
Dabei können zwischen einheimischen und Importgütern einerseits, und zwischen den Importgütern aus verschiedenen Regionen andererseits unterschiedliche Substitutionselastizitäten
angenommen werden. Transportkosten, die nach Güterart und Handelsentfernung unterschieden werden, fallen nur im internationalen Handel an, jedoch nicht bei inländischen Verkäufen.
Die Transportkosten sind proportional zur Exportmenge. Auf der Exportseite gilt ebenso die
Armington-Annahme für die Endprodukte der einzelnen Industriesektoren. Hierbei produzieren die Unternehmen Güter für den heimischen Markt und für den Exportmarkt.
Es wird auf allen Faktormärkten Vollbeschäftigung angenommen. Das heißt, dass Marktversagen oder staatliche Interventionen, wie sie auf dem Arbeitsmarkt stattfinden, nicht im
Modell integriert sind. Dem zufolge müssen sich die Faktorpreise so anpassen, dass Angebot
und Nachfrage einander entsprechen. Der Faktor Arbeit wird als homogenes Gut behandelt. Er
ist zwar intersektoral, jedoch nicht international mobil. Im Gleichgewicht muss demnach die
sektorale Nachfrage nach Arbeit dem exogenen Arbeitsangebot in jeder Region entsprechen
und sich ein markträumender Gleichgewichtslohn einstellen. Der Faktor Kapital wird im
Modell ebenfalls als intersektoral mobil, jedoch international immobil angesehen. Es wird kein
sektorspezifisches Kapital unterstellt, das heißt, Kapital wird ebenfalls als homogener Faktor
behandelt. In jeder Zeitperiode resultiert der verfügbare Kapitalstock in jedem Wirtschaftssektor aus dem in der Vergangenheit akkumulierten Kapital. Der Produktionsfaktor Land wird nur
im Agrarsektor eingesetzt und verändert sich im Zeitverlauf nicht.
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Dynamik im ökonomischen Gleichgewichtsmodell
Zur Abschätzung der ökonomischen Effekte von unterschiedlichen Klimaschutzpolitiken
wird das sektoral und regional disaggregierte Gleichgewichtsmodell dynamisiert, um Szenarien der weltwirtschaftlichen Entwicklung für die nächsten ca. 40 Jahre abzubilden. Das dynamisierte Gleichgewichtsmodell ermöglicht Aussagen über Verschiebungen in der Sektor- und
Handelsstruktur und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es die verschiedenen Wirtschaftsregionen der Welt auf ihren unterschiedlichen Anpassungspfaden zu einem gleichgewichtigen (steady state) Wachstum abbildet. Diese im Vergleich zur gängigen
Modellierungspraxis explizite Berücksichtigung von ungleichgewichtigen Wachstumsprozessen erscheint insbesondere bei Regionen wie China, Afrika, Lateinamerika oder den dynamischen asiatischen Staaten über den betrachteten Zeithorizont empirisch relevant, da die
derzeitigen Wachstumsprozesse über einen längeren Zeitraum nicht nachhaltig sein können.
Die Erweiterung des statischen Modells erfolgt rekursiv dynamisch. Die Zukunft wird also
durch eine Sequenz von statischen Einperiodengleichgewichten beschrieben, die modellendogen durch dynamische Parameter verbunden sind. Die Dynamik ergibt sich aus Gleichungen,
die die Entwicklung der Faktorausstattungen über die Zeit beschreiben. Die wichtigsten Faktoren des Wachstumsprozesses in der Weltwirtschaft sind das Bevölkerungswachstum, die technologisch bedingte Wachstumsrate der Arbeitsproduktivität, das Wachstum des
Humankapitals, die Sparquote sowie die Bruttokapitalrendite und damit die sektoral endogene
Akkumulationsrate des Kapitals.
Im Gegensatz zu intertemporalen Optimierungsmodellen, die einen zentral planenden
Akteur voraussetzen, der eine Zielfunktion über die Zeit optimiert, wird in einem rekursiven
Gleichgewichtsmodell die Dynamik aus dem aktuellen ökonomischen Verhalten der Marktteilnehmer bestimmt und in die Zukunft fortgeschrieben. Die Akteure des Modells haben demnach kurzfristige Erwartungen. Das Sparverhalten ist durch eine konstante Sparquote über die
Zeit charakterisiert. Diese ad-hoc Annahme mag auf den ersten Blick einschränkend erscheinen. Sie ist jedoch konsistent mit den empirisch beobachtbaren, regional unterschiedlichen
aber nahezu konstanten Sparquoten von Volkswirtschaften, die sich an Einkommensentwicklungen erst über sehr lange Zeitperioden anpassen (siehe Schmidt/Hebbel und Sèrven, 1997).
Die Faktorausstattungen einer jeden Region mit Kapital, Arbeit und Land sowie die in
jeder Region verfügbaren Technologien verändern sich im Zeitablauf. Die quantitative Ausweitung der Beschäftigung wird allein durch die Wachstumsrate der Bevölkerung bestimmt, da
aufgrund mangelnder Daten die Partizipationsraten der Bevölkerung im Arbeitsprozess als
zeitkonstant angenommen werden. Diese quantitative Ausweitung des Faktors Arbeit wird
begleitet von einem Wachstum des Humankapitals, das heißt der Qualität des Faktors Arbeit.
Das regionale Humankapitalwachstum wird modelliert unter der Voraussetzung, dass sich Länder mit niedriger Humankapitalausstattung langsam auf das Niveau der Regionen mit hoher
Humankapitalausstattung zubewegen. Dies impliziert im Zeitverlauf abnehmende Wachstumsraten des Humankapitals und gleichzeitig höhere Wachstumsraten in Ländern mit einem geringen Bildungsniveau, bzw. niedrige Wachstumsraten in Ländern mit hohem Bildungsniveau.
Die Produktivität des Faktors Arbeit wird nicht nur durch die Quantität und die Qualität des
Humankapitals bestimmt, sondern auch durch die allgemeine technologische Entwicklung.
Auf der Basis einer Literaturanalyse von ökonometrischen Schätzungen über den technischen
Fortschritt in verschiedenen Regionen der Erde werden die Wachstumsraten der Arbeitsproduktivität hochgerechnet. Diese werden als im Zeitablauf konstant angenommen. Die drei
Determinanten des quantitativen und qualitativen Wachstums des Faktors Arbeit, das heißt
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Bevölkerungswachstum, Humankapitalwachstum, sowie Wachstum der Arbeitsproduktivität
durch technischen Fortschritt, können zu einem Indikator zusammengefasst werden. Das
Arbeitsangebot zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer bestimmten Region wird dann in Effizienzeinheiten gemessen.
Die Entwicklung der regionalen und sektoralen Kapitalstöcke wird über die in jeder Periode getätigten Investitionen und die Abschreibungen bestimmt. Der aggregierte regionale
Kapitalstock, Kt, wird in jeder Zeitperiode t gemäß der Kapitalakkumulations-funktion angepasst. Damit ist der Kapitalstock in der nächsten Periode, Kt+1, gleich der Summe aus dem
nicht abgeschriebenen Kapitalstock und den Investitionen der gegenwärtigen Periode. Die
Abschreibungsrate in jeder Periode ist über die Zeit und für alle Regionen gleich. Die Entwicklung der sektoralen Kapitalstöcke wird bestimmt durch die Rendite, die der Kapitalstock im
jeweiligen Sektor erwirtschaftet. Sektoren mit großer Wettbewerbsfähigkeit, die eine hohe
Kapitalrendite abwerfen, werden danach verstärkt mit Investitionen bedacht, während Sektoren mit sich verschlechternder Wettbewerbsfähigkeit keine Investitionen mehr erhalten.
Das Angebot des Faktors Land, der nur im Agrarsektor eingesetzt wird, wird als konstant
angenommen. Damit sind Klimawirkungen, die die landwirtschaftlich nutzbare Fläche verändern könnten, im Modell nicht berücksichtigt. Ebenso werden Veränderungen der Bodenproduktivität nicht abgebildet.
Kalibrierung des Modells
Das berechenbare Gleichgewichtsmodell ist auf den Datensatz des “Global Trade Analysis
Project” (GTAP) Version 3 für 1993 (Mc Dougall, 1997), kalibriert. Die regionalen Einsätze
von Primärenergieträgern und deren Preise entstammen den Datenbanken der internationalen
Energiebehörde (IEA, 1994) und wurden mit den GTAP-Daten abgeglichen. Die Daten wurden
für die hier verwendete Version des Modells in 11 Regionen (die denjenigen im Wachstumsmodell entsprechen) und 10 Produktionssektoren aggregiert.
Die Angebotsfunktionen für die fossilen Brennstoffträger Kohle, Erdöl und Erdgas sind
preisabhängig modelliert. Die jeweiligen Angebotselastizitäten der fossilen Brennstoffträger
sind so gewählt, dass die aus dem Verbrauch der Primärenergieträger resultierenden CO2Emissionen mit dem Emissionsszenario des “Back to Coal”-Szenarios des Weltenergierates
(WEC) übereinstimmen (Nakicenovic, 1998). Dieses Szenario unterstellt eine relative Verknappung für Erdöl und Erdgas sowie einen Ausbau der Kohleförderung unter der Annahme,
dass es keine klimapolitischen Aktionen zur Reduzierung von CO2-Emissionen gibt.
Der internationale Handel aller Güter mit Ausnahme von Erdöl wird unter der ArmingtonAnnahme modelliert. Die Substitutionselastizität zwischen einheimischen Gütern und Importen wird mit 4 angenommen, die Substitutionselastizität zwischen Importen von unterschiedlichen Herkunftsländern hat den Wert 8. Diese Substitutionselastizitäten liegen etwas über
denen, die üblicherweise in Handelsmodellen angenommen werden und die sich aus ökonometrischen Schätzungen ergeben. Da es sich hier jedoch um ein Simulationsmodell mit erweitertem Zeithorizont handelt und der Güterhandel im Zuge der Globalisierung zunehmend weniger
Restriktionen unterliegt, dürften die gewählten Werte ein realistischeres Bild der internationalen Handelsentwicklung geben. Erdöl wird im Modell als homogenes Gut behandelt. Für den
internationalen Handel mit Erdöl bedeutet dies, dass nur die Nettohandelsströme im Modell
berücksichtigt werden und sich ein einheitlicher Weltmarktpreis für Erdöl einstellt.
Die Wachstumspfade der einzelnen Regionen der Weltwirtschaft über die Zeit wurden kalibriert, indem die Wachstumsraten der Bevölkerung, des exogenen technischen Fortschritts, die
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Veränderungsrate des Humankapitals und die regionalen Sparquoten in die dynamischen Gleichungen eingesetzt wurden. Die Sparquoten ergeben sich aus dem GTAP-Datensatz. Die
Bevölkerungswachstumsraten wurden den Projektionen der Weltbank (Bos et al., 1994) entnommen. Das Wachstum des regionalen Humankapitals wurde mit Hilfe eines Humankapitalmodells und Daten von Hall und Jones (1998) hergeleitet. Die exogenen technischen
Fortschrittsraten wurden aus einer Untersuchung über regionale ökonometrische Schätzungen
von technischem Fortschritt entnommen.
Ermittlung der CO2-Emissionen
CO2-Emissionen entstehen bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffträgern auf verschiedenen Produktions- und Konsumprozessstufen. Im Modell werden Kohle und Erdgas
unmittelbar beim Einsatz in der Produktion bzw. im Konsum verbrannt. Die dabei entstehenden Emissionen werden über einen festen Emissionskoeffizienten auf den jeweiligen inländischen Verbrauch von Erdgas und Kohle einer Region ermittelt. Im Gegensatz dazu geht Erdöl
vollständig als Vorprodukt in die Produktion von raffinierten Ölprodukten ein. Erst bei der Verwendung dieser weiterverarbeiteten Ölprodukte entstehen klimarelevante Emissionen. Der
Erdölanteil bei der Produktion von raffinierten Ölprodukten variiert von Region zu Region aufgrund unterschiedlicher technologischer Ausstattungen. Da raffinierte Ölprodukte importiert
und exportiert werden, kann der einheimische Einsatz von Erdöl in der Produktion raffinierter
Ölprodukte nicht zur Bestimmung der CO2-Emissionen herangezogen werden. Aufgrund der
unterschiedlichen Erdölanteile in der Produktion von raffinierten Ölprodukten gibt es keine
eindeutige Übereinstimmung zwischen dem regionalen Produktionseinsatz von Erdöl und den
Emissionen in der Region. Somit werden unterschiedliche Emissionskoeffizienten für Erdöl in
jeder Region ermittelt, die auf dem jeweiligen Erdölgehalt der heimischen Produktion sowie
der unterschiedlichen Importe basieren. Diese regionalspezifischen Koeffizienten werden mit
der Verbrauchsmenge von raffiniertem Erdöl multipliziert, um die in jeder Region aus dem
Verbrauch von Erdöl bzw. von erdölhaltigen Produkten entstehenden Emissionen zu berechnen. Die hier entwickelten regionalisierten Emissionskoeffizienten ermöglichen eine exakte
Bestimmung der regionalen CO2-Emissionen und sind somit eine wichtige Voraussetzung, um
die tatsächlich anfallenden ökonomischen Kosten bei der Vermeidung von Emissionen sowie
die im Wirtschaftsprozess entstehenden Restriktionen zu berechnen. Insbesondere bei großen
Verschiebungen in der Handelsstruktur aufgrund von Klimaschutzpolitiken ergeben sich
Unterschiede in den ökonomischen Effekten für die einzelnen Volkswirtschaften im Vergleich
zu den gängigen Modellen mit fixen Emissionskoeffizienten.
Verbindung zum Modellnetzwerk der langfristigen Analyse
Das von den Projektpartnern am Institut für Weltwirtschaft in Kiel bearbeitete und für die
kurz- bis mittelfristige Politikanalyse bestimmte ökonomische Modell dient zum einen der
Durchführung eigenständiger Analysen; zum anderen kann es als ein nachgeschaltetes Modell
eingesetzt werden, mit welchem auf der Basis von Ergebnissen (z. B. Emissionspfaden) aus
Modellläufen mit dem gekoppelten Klima-Ökonomie-Modell weitergehende Untersuchungen
zu den sektoralen Implikationen ausgewählter Reduktionsstrategien durchgeführt werden können. Voraussetzung für ein solches Vorgehen ist eine hinreichende Harmonisierung beider
Modelle, welche durch die Nutzung des gleichen Referenzemissionsszenarios für die Kalibrierung der Modelle erreicht wurde. Die Unterschiedlichkeit bei der Behandlung der Wachstumsdynamik (z. B. feste vs. variable Investitionsraten) sowie Unterschiede hinsichtlich der
- 68 -
Entscheidungshorizonte und hinsichtlich der Abbildung technologischer Entwicklungsmöglichkeiten setzt allerdings der Vergleichbarkeit von Ergebnissen beider Modelle Grenzen.
- 69 -
II.1.9. Integrierte Datenbank
Die im Rahmen des ICLIPS-Projektes entwickelten Modelle bedürfen einer geeigneten und
in sich konsistenten Datenbasis. Historische Daten dienen als Grundlage für die Modellkalibrierung sowie für die Festlegung von Anfangsbedingungen. In vielen Fällen werden auch
Szenarien für die mögliche zukünftige Entwicklung von Parametern benötigt, welche im
betreffenden Modell nicht endogen bestimmt werden.
Im klimatologischen Bereich konnte meist auf standardisierte Daten zurückgegriffen werden, die über das Data Distribution Centre des IPCC bereitgestellt werden. Hierzu zählen insbesondere historische Zeitreihen für die Konzentration der wichtigsten Treibhausgase,
beobachtete Klimatologien (gemittelt und als Zeitreihe einzelner Jahre), Szenarien für die
zukünftige Emission von Treibhausgasen (IS92, SRES) sowie aggregierte Ergebnisse ausgewählter Integrationen von allgemeinen Zirkulationsmodellen. Weitere klimatologische Daten
für die Entwicklung des effizienten Klimamodells wurden vom Max-Planck-Institut für
Meteorologie bereitgestellt. Auch die für die Modellierung von Klimawirkungen notwendigen
Daten konnten entweder von den Projektpartnern oder im Einzelfall aus anderen Quellen
beschafft werden.
Für die Neuentwicklung der sozio-ökonomischen Modelle standen solche standardisierten
Datenquellen nur sehr eingeschränkt zur Verfügung. Insbesondere das ökonomische Wachstumsmodell bedarf zu seiner Kalibrierung regional aufgelöster demographischer und makroökonomischer Zeitreihen über einen hinreiched langen Zeitraum. Entsprechende Daten werden
von vielen Stellen gesammelt (insbesondere von UN-Organisationen) und zum Teil aufbereitet
(insbesondere von akademischen Institutionen). Diese Vielfalt vergrößert zwar im Einzelfall
die Datenbasis, auf die zurückgegriffen werden kann, führt aber auch zu ganz erheblichen
Konsistenzproblemen. Aus diesem Grund wurde am PIK eine zentrale Datenbank mit Zeitreihen auf Länderebene zu demographischen, sozio-ökonomischen, energiebezogenen, naturräumlichen und anderen für die Modellierungsaktivitäten relevanten Parametern aufgebaut.
Diese Datenbank bietet ein Höchstmaß an Vollständigkeit und Konsistenz der enthaltenen
Informationen, was insbesondere bei der Kombination von Daten aus unterschiedlichen Quellen unerlässlich ist.
Die wichtigsten Quellen für Primärdaten waren die folgenden (jeweils die 1998 aktuelle
Version):
• SYB: United Nations Statistical Yearbook (United Nations Statistical Office)
• WDI: World Development Indicators CD-ROM (The World Bank Group)
• IEA: Energy Balances of [Non-] OECD Countries (International Energy Agency)
• CDIAC: Carbon Dioxide Emissions From Fossil-Fuel Consumption (Carbon Dioxide
Information Analysis Centre, US Department of Energy)
• WRI: World Resources Database (World Resources Institute)
• PWT: Penn World Tables Mark 5.6a (Center for International Comparisons, University of
Pennsylvania)
Alle verwendeten Primärdaten wurden zunächst in eine einheitliche relationale Datenbank
überführt und auf ihre Plausibilität hin überprüft. Insbesondere in Primärdaten aus UN-Quellen
sind häufig Inkonsistenzen in Zeitreihen zu verzeichnen. Ursachen hierfür sind meist mangelhafte Daten aus den einzelnen Mitgliedsländern, Änderungen in der Definition von Indikatoren
- 70 -
sowie in Einzelfällen Konsistenzprobleme bei der Gründung, Aufspaltung bzw. Vereinigung
von Staaten und bei der Einführung neuer bzw. der Abwertung bestehender Währungen.
Aus der Gesamtheit der “bereinigten” Primärdaten wurde anschließend eine konsistente
und möglichst vollständige Datenbasis aller modellrelevanten Parameter erstellt. Die Zusammenfassung aller Daten in einer einheitlichen Datenbank ermöglichte es u. a. auch, länderbezogene Daten flexibel zu größeren Weltregionen zu aggregieren.
- 71 -
II.1.10. Modellintegration
Das im Rahmen des ICLIPS-Projektes entwickelte integrierte Modell des Klimawandels
verknüpft eine Reihe von disziplinären Modellen in innovativer und konsistenter Weise. Die
Integration der Teilmodelle zu einem Gesamtmodell, das im Rahmen des Leitplankenansatzes
sinnvolle und relevante Ergebnisse liefert, stellte große Anforderungen an alle Beteiligten. Sie
erforderte Kompromisse hinsichtlich der zulässigen Komplexität der Einzelkomponenten, eine
gemeinsame konsistente Datenbasis, eine klare Schnittstellendefinition sowie eine unter Hardware- und Softwaregesichtspunkten aufeinander abgestimmte Implementation.
Als Ergebnis dieses Prozesses konnte das in Abbildung 29 gezeigte Computermodell
geschaffen werden, welches in seinem Kern aus einem in dem Optimierungskalkül GAMS
(General Algebraic Modeling System) programmierten, integrierten Klima-Ökonomie-Technologie-Modell besteht. Dieses dynamische “ICLIPS-Kernmodell”, das die eigentlichen Korridorberechnungen durchführt, konnte sehr effizient gestaltet werden, da es keine geographisch
expliziten Komponenten enthält. Es wird vielmehr ausschließlich mit regionalen (in den ökonomischen Modellen) bzw. globalen (im Klimamodell) Mittelwerten gearbeitet. Das Kernmodell wird ergänzt durch Komponenten, die in herkömmlichen strukturiererten
Programmiersprachen entwickelt wurden. An erster Stelle sind hier die regionalen Klimawirkungsfunktionen zu nennen. Diese fungieren als “reduced form”-Klimawirkungsmodelle, da
die zugrunde liegenden Modelle aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung und dem damit
verbundenen Rechenaufwand nicht online an das optimierende Kernmodell gekoppelt werden
können. Desweiteren betrifft dies das Landnutzungsmodell, dessen direkte Integration in das
Kernmodell ebenfalls einen unvertretbar hohen programmiertechnischen sowie rechenzeitbezogenen Aufwand bedeutet hätte.
Im folgenden werden die wichtigsten Aspekte der Modellkopplung vorgestellt.
Kopplung des ökonomischen Wachstumsmodells mit dem Klimamodell
Entscheidende Voraussetzung für die Kopplung des ökonomischen Wachstumsmodells mit
dem Klimamodell war die Wahl von GAMS als einheitlicher Programmierplattform. Dies
erforderte eine zeitliche Diskretisierung des ursprünglich in Form von Differentialgleichungen
vorliegenden Klimamodells in 5-Jahresschritten. Desweiteren wurde ein gemeinsamer Zeithorizont von 210 Jahren (1990 bis 2200) eingeführt, wobei die endogene Dynamik des ökonomischen Systems allerdings nur bis 2110 berücksichtigt wird.
Die industriellen CO2-Emissionen aus dem Wachstumsmodell und ggf. die landnutzungsbedingten Treibhausgasemissionen aus dem Landnutzungsmodell werden global aufsummiert
und als wichtigste Antriebsgröße an das Klimamodell übergeben. Das Wachstumsmodell ist
zwar für die Einbeziehung weiterer Treibhausgase vorbereitet, diese wurde bislang allerdings
durch das Fehlen belastbarer Daten zu deren Reduktionskosten verhindert. Nicht-CO2-Treibhausgase werden derzeit entweder in Form von vorgegebenen Szenarien oder durch Kopplung
an die Entwicklung der (energiebedingten) CO2-Emissionen berücksichtigt.
Ankopplung der Klimawirkungsmodelle an das Klimamodell
Klimawirkungsfunktionen in ihrer gegenwärtigen Form stellen effiziente statische Modelle
dar, welche zu erwartende Klimafolgen regional und sektoral disaggregiert für einen weiten
Bereich zukünftiger Klimazustände angeben. In einem Inversansatz, wie er dem ICLIPSModell zugrunde liegt, ermöglichen sie insbesondere die Übertragung normativer Grenzwerte
- 72 -
ICLIPS Integrated Assessment Model
(Language: GAMS
, Mathematica/C/Fortran
Off-line
Coupling
)
On-line
Coupling
Radiative Forcing Modules
• methane, nitrous oxide, halocarbons, tropospheric and stratospheric ozone,
stratospheric water vapor
• aerosols (SO2, biomass burning)
Optimal
Growth Model
Climate Model
•nonlinear carbon cycle
model (non-linear ocean
uptake, non-linear CO2fertilized biosphere)
•regionalized temperature,
precipitation and cloud cover
change
Impact Model
(Climate Impact
Response Functions)
•natural vegetation
•protected areas
•forests
•agricultural yield
•water availability
Technology
Model
•Ramsey-type optimal
growth model
•11 regions
•2 factors (capital, labor)
•capital mobility
•emissions trading
Land Use Model
• land-use and
land-use change
CO2 emissions
Abbildung 29: Struktur des integrierten ICLIPS-Modells
• dynamic
mitigation
cost curves
General
Equilibrium
Model
•multiregional
•multisectoral
•multifactoral
•recursive-dynamic
•GTAP-based
- 73 -
für nichttolerable Klimafolgen in die dazugehörigen Klimafenster. Diese Klimafenster beziehen sich auf Variablen aus dem optimierenden ICLIPS-Kernmodell wie die Änderung der globalen Mitteltemperatur und die atmosphärische CO2-Konzentration. Ihre Grenzen stellen
somit Nebenbedingungen dar, die das Kernmodell in jedem zulässigen Szenario einhalten
muss. Im ICLIPS-Modell werden diese Nebenbedingungen durch geeignet gewählte parametrisierte Funktionen dargestellt, welche die Grenzen des jeweiligen Klimafensters approximieren. Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Beschreibung der Klimafenster innerhalb des
Kernmodells erreicht werden.
Integration der Technologiekomponente in das Wachstumsmodell
Zukünftige technologische Veränderungen des Energiesystems spielen bei der Bewertung
von Klimaschutzstrategien eine wesentliche Rolle. Ihre Berücksichtigung in makroökonomischen Modellen ist aber recht schwierig, weil sie über deren Detaillierungsgrad hinausgeht.
Ein möglicher Lösungsansatz wäre die iterative Kopplung des makroökonomischen Modells
mit einem detaillierten Energiesystemmodell (Wene, 1995). Eine solches Vorgehen würde die
Rechenzeit des entstehenden Modells jedoch inakzeptabel verlängern. Geschickter ist es deshalb, ähnlich wie im Klimabereich zuerst ein “reduced form”-Modell des Energiesystems zu
erstellen, das den Zusammenhang zwischen Vermeidungsaktivitäten, technologischen Veränderungen und ökonomischer Entwicklung in vereinfachter Weise darstellt. Dies geschah durch
die Projektpartner am IIASA auf der Basis von Modellrechnungen mit den existierenden und
bereits harmonisierten Modellen MACRO (makroökonomisches Modell; Manne and Richels,
1992) und MESSAGE (Energiesystemmodell; Messner und Strubegger, 1995).
Die vereinfachte Technologiekomponente ist in Form einer komplexen dynamischen Vermeidungskostenfunktion direkt in das ökonomische Wachstumsmodell integriert. Die Verwendung der Vermeidungskostenfunktion ist allerdings an die Nutzung eines bestimmten
Basisszenarios gekoppelt. Dies machte eine hierzu konsistente Kalibrierung des ökonomischen
Wachstumsmodells erforderlich. Bevölkerungsszenarien und Kapitalanfangsbestände des
IIASA-Szenarios wurden direkt in das Wachstumsmodell übernommen. Weitere wesentliche
Modellparameter (insbesondere die Entwicklung der totalen Faktorpoduktivität) wurden so
angepasst, dass die Entwicklung des Bruttosozialprodukts im entsprechenden IIASA-Basisszenarios hinreichend gut reproduziert werden konnte.
Ankopplung des Landnutzungsmodells an das Wachstumsmodell
Das auf der Grundlage von AgLU entwickelte ICLIPS-Landnutzungsmodell hat zur Aufgabe, die landnutzungsbedingten Treibhausgasemissionen in Abhängigkeit von der technologischen Entwicklung und der wirtschaftlichen Dynamik in den einzelnen Weltregionen zu
ermitteln. Für die technologische Entwicklung in der Landwirtschaft werden die entsprechenden Annahmen aus AgLU übergenommen, während die wirtschaftliche Entwicklung endogen
durch das ökonomische Wachstumsmodell bestimmt wird.
Um AgLU im Rahmen von ICLIPS nutzen zu können, waren umfangreiche technische und
inhaltliche Anpassungen sowie Erweiterungen notwendig. Zunächst wurde AgLU von dem
umfassenden MiniCAM-Modell, dessen integraler Bestandteil es ursprünglich war, abgekoppelt, um dem ICLIPS-Kernmodell volle Kontrolle über die relevanten Variablen geben und
unerwünschte Nebeneffekte ausschließen zu können. Die wichtigste Erweiterung bestand dann
in der Integration eines Emissionsmoduls, welches für alle in AgLU betrachteten Landnutzungsformen die jeweilige Senkenkapazität für Kohlenstoff sowie die Emissionsraten der
- 74 -
wichtigsten Treibhausgase bestimmt. Das Forstmodul von AgLU wurde wesentlich überarbeitet, um Abholzungen und die daraus resultierenden Emissionen zuverlässiger abschätzen zu
können. Die zeitliche und regionale Auflösung des so entstandenen Landnutzungsmodell
wurde an das ICLIPS-Kernmodell angepasst. Abschließend erfolgte eine Harmonisierung der
Basisszenarien und eine Rekalbrierung der relevanten Modellparameter.
Da das ICLIPS-Landnutzungsmodell wie das ursprüngliche AgLU-Modell in Fortran programmiert wurde und derzeit nur unter dem Betriebssystem MS Windows lauffähig ist, wird es
im Rahmen einer iterativen Berechnungsprozedur aufgerufen. Hierbei finden abwechselnd
Rechnungen auf der UNIX-Workstation (ICLIPS-Kernmodell in GAMS) und auf dem Windows-PC (ICLIPS-Landnutzungsmodell) statt.
Bei der Anwendung des ICLIPS-Modells für Kosteneffektivitäts-Analysen startet die
Kopplungsroutine zunächst das Landnutzungsmodell mit einem Standardszenario der wirtschaftlichen Entwicklung. Die sich ergebenden landnutzungsbedingten Treibhausgasemissionen werden an das ICLIPS-Kernmodell weitergegeben, welches diese in seine Rechnungen
einbezieht. Die resultierende Entwicklung des Bruttosozialprodukts wird dann nochmals für
eine Simulation mit dem Landnutzungsmodell (unter nun veränderten Anfangsbedingungen)
genutzt. Nach höchstenes drei Iterationen konvergieren die Ergebnisse.
Es zeigte sich, dass dieses Schema auch auf die (komplexeren) Korridorberechnungen
übertragbar ist. Zwar ermittelt das Kernmodell hierbei nicht nur einen einzigen (kosteneffektiven) Entwicklungspfad, sondern ein ganzes Bündel davon; für plausible Setzungen der ökonomischen Leitplanken liegen diese Pfade hinsichtlich der Entwicklung des Bruttosozialprodukts
in den einzelnen Regionen jedoch so nah beieinander, dass es ausreicht, eine Konvergenz der
beiden Modelle für den Referenzpfad der wirtschaftlichen Entwicklung zu erzielen.
Optimalität und Robustheit der Lösung
Bei der Lösung von Optimierungsmodellen stellt sich die Frage nach der Robustheit der
erhaltenen Lösung. Zunächst ist festzuhalten, dass umfangreiche Modelle in aller Regel nicht
mehr analytisch gelöst werden können, sondern dass hierfür auf nummerische Verfahren
zurückgegriffen werden muss. Solche nummerischen Optimierungsverfahren können i. d. R.
nur die lokale Optimalität der gefundenen Lösung garantieren. Es ist daher empfehlenswert, zu
testen, ob sich bei einer Variation der Anfangsbedingungen Abweichungen von dieser Lösung
ergeben. Erschwerend kommt hinzu, dass umfangreiche Modelle mit einer Vielzahl interagierender Variablen und Nebenbedingungen oft sehr flache Optima aufweisen. In solchen Fällen
sind langwierige Iterationen die Folge.
Die in ökonomischen Wachstumsmodellen ermittelten Wachstumspfade sind in aller Regel
sehr robuste Lösungen. Zwiespältiger fällt die Beurteilung hinsichtlich der Robustheit von
optimalen Emissionspfaden in multiregionalen, integrierten Modellen zur Bewertung von Klimaschutzstrategien aus. Ähnliche ökonomische Wachstumspfade können hier, insbesondere
bei der Einbeziehung von Emissionshandel, mit recht unterschiedlichen regionalen Verteilungen der Reduktionspflichten erreicht werden. Diese aus Sicht des Modellanwenders zunächst
ernüchternde Beobachtung spiegelt jedoch in erster Linie die Vielgestaltigkeit möglicher globaler Entwicklungsperspektiven (z. B. “globale Arbeitsteilung” oder “regionale Autarkie”;
fossile, nukleare oder regenerative Energieversorgung) wieder, wie sie auch in der Vielzahl der
vom IPCC identifizierten SRES-”Basis”-Emissionsszenarien zum Ausdruck kommt. Eine Einengung des Lösungsraums kann daher nur sehr eingeschränkt durch technische Verbesserungen des Modells erfolgen, sondern sie erfordert in erster Linie zusätzliche (normative)
Setzungen, die einzelne plausible Entwicklungsoptionen bewusst ein- bzw. ausschließen.
- 75 -
II.1.11. Politikwissenschaftliche Analyse
Der dem ICLIPS-Projekt zugrunde liegende TWA-Ansatz verlangt eine Reihe normativer
Setzungen, zum Beispiel hinsichtlich der Festlegung intolerabler Folgen einer Klimaänderung.
Obwohl diese im wesentlichen nur von hierzu politisch legitimierten Entscheidungsträgern
vorgenommen werden können, müssen Gerechtigkeitsüberlegungen beim Entwurf von
Modellszenarien und bei der Lastenverteilung der Klimaschutzmaßnahmen berücksichtigt
werden.
Diesbezügliche Forschungsaktivitäten am PIK haben sich insbesondere auf die Frage nach
der gerechten Verteilung von Emissionsreduktionen und den damit zusammenhängenden Vermeidungskosten beschäftigt. Besondere Aufmerksamkeit wurde axiomatischen Gerechtigkeitstheorien geschenkt. Hierbei werden zunächst unabhängig vom Problemfeld
Gerechtigkeitskriterien in Form von Axiomen formuliert, die möglichst wenig kontrovers sein
sollen. Erst im nächsten Schritt werden diese dann auf ein konkretes Problemfeld angewandt,
in diesem Fall auf die gerechte Verteilung zukünftiger Emissionen und Vermeidungskosten.
Fünf solcher Gerechtigkeitsaxiome haben in der Literatur besondere Aufmerksamkeit
gefunden:
• Kriterium der individuellen Rationalität (auch: Fair-share-guaranteed-Test), das jedem
Akteur zumindest den Nutzen (basierend auf etwaigen Kompensationszahlungen und auf
dem tatsächlichen Konsum der Ressource) garantiert, den er aus dem Konsum des ihm
prinzipiell zustehenden Anteils (z. B. bestimmt auf der Basis von gleichen pro-Kopf-Emissionen) an der zu verteilenden Ressource gezogen hätte.
• Kriterium der Ressourcenmonotonie, demzufolge jeder Akteur davon profitieren sollte,
wenn die zu verteilende gemeinsame Ressource wächst.
• Kriterium der Populationsmonotonie, demzufolge jeder Akteur dazu beitragen sollte, die
legitimen Ansprüche neuer Akteure an einer gemeinsamen Ressource zu erfüllen.
• Kriterium der Neidfreiheit, demzufolge bei gleichen Ansprüchen an eine gemeinsame Ressource jeder Akteur seinen eigenen Anteil gegenüber dem jeweiligen Anteil aller anderen
Akteure präferieren sollte.
• Kriterium der ökonomischen Effizienz, welches fordert, dass Klimaschutzmaßnahmen zu
den geringst möglichen Gesamtkosten durchgeführt werden sollten.
Ausgehend von diesen allgemeinen, eher mild klingenden Kriterien für eine gerechte
Lösung wurde ein konkreter Vorschlag für die Verteilung zukünftiger Emissionen und Reduktionskosten im Klimaregime abgeleitet. Vereinfacht dargestellt sieht er vor, dass die Entwicklungsländer für Vermeidungsanstrengungen, die sich aus dem Effizienzkriterium ergeben,
zunächst vollständig von den Industrieländern entschädigt werden. Wenn sich pro-Kopf-Emissionen und Vermeidungskosten in den beiden betrachteten Weltregionen weit genug angenähert haben, erfolgt schließlich ein Übergang zur Allokation der Zertifikate über den Markt.
- 76 -
II.1.12. Modellanwendung
Überblick
Das zuvor beschriebene integrierte ICLIPS-Modell zur Beratung von klimapolitischen Entscheidungsträgern umfasst die gesamte Ursache-Wirkungs-Kette des Klimaproblems und setzt
auf diese Weise sozio-ökonomische Aktivitäten mit den Auswirkungen von Klimaänderungen
in Beziehung.
Durch die Basierung auf dem Leitplankenansatz weist das ICLIPS-Modell eine große Flexibilität hinsichtlich der Einbeziehung prozeduraler und ergebnisorientierter normativer Vorgaben auf. Es erlaubt insbesondere auch, die Vereinbarkeit konkurrierender klimapolitischer
Zielsetzungen sowie den Einfluss unterschiedlicher normativer Präferenzen in der Klimapolitik
zu untersuchen. Andere Modellierungsansätze wie die Kosten-Nutzen-Analyse bieten hier eine
geringere Flexibilität, weil viele originär normative Entscheidungen, etwa zur Substituierbarkeit von nachteiligen Folgen der Klimaänderung, die verschiedene Weltregionen oder Generationen betreffen, bereits von den Modellentwicklern vorgegeben werden müssen.
Das ICLIPS-Modell lässt sich zur Analyse einer Vielzahl von klimapolitischen Fragestellungen einsetzten. Hierbei werden die folgenden Anwendungsmodi unterschieden:
• TWA-Anwendung (“Korridorberechnung”):
Berechnung von notwendigen Emissionskorridoren, die den zulässigen Bereich für zukünftige Treibhausgasemissionen aufzeigen unter der Bedingung, dass alle normativ definierten
Leitplanken eingehalten werden.
Emissionskorridore lassen sich mit traditionellen Ansätzen der klimapolitischen Entscheidungsunterstützung nicht sinnvoll bestimmen. Die Korridorberechnung stellt daher die
originäre Anwendung des integrierten ICLIPS-Modells dar. Sie ist besonders geeignet, um
den zukünftigen Spielraum für die Klimapolitik zu bestimmen. Im Standardfall berechnet
das Modell so genannte notwendige Emissionskorridore. Durch Parametrisierung von
Emissionspfaden lassen sich aber auch hinreichende Korridore bestimmen.
• Kosten-Effektivitäts-Analyse:
Berechnung von kosteneffizienten Emissionspfaden, die mit allen vordefinierten Leitplanken im Klima- und Klimafolgenbereich kompatibel sind.
Zur Bestimmung kostenoptimaler Pfade sind verschiedene Festlegungen hinsichtlich der
Agrregation von Klimawirkungen über die Zeit (“Diskontierung”) sowie über verschiedene
Regionen (“internationale Gerechtigkeit”) nötig. Es ist zu beachten, dass hierbei inhärent
normative Urteile getroffen werden müssen (und transparent gemacht werden sollten). Die
Betrachtung einzelner Pfade ist jedoch notwendig, um einen Einblick in die Modelldynamik zu erhalten und Ergebnisse zu den interregionalen Beziehungen, z. B. zum Emissionsrechtshandel, darzustellen.
• Szenarioanalyse:
Detaillierte Untersuchung ausgewählter Szenarien im Vorwärtsmodus, i. d. R. unter Nutzung des ökonomischen Gleichgewichtsmodells.
In diesem Abschnitt werden sowohl Ergebnisse von Korridorberechnungen als auch von
Kosten-Effektivitäts-Analysen vorgestellt. Die detaillierte Szenarioanalyse unter Nutzung des
ökonomischen Gleichgewichtsmodells ist schwerpunktmäßig dem vom BMU geförderten
- 77 -
ICLIPS-Teilprojekt zuzuordnen und wird daher nicht näher dargestellt. Diesbezügliche Ergebnisse sind in (Leimbach et al., 2000) beschrieben.
Ein zentraler Begriff bei der Anwendung des ICLIPS-Modells ist derjenige der “Leitplanke”. Eine Leitplanke drückt die normative Zielsetzung eines sozialen Akteurs hinsichtlich
“wünschenswerter” bzw. “akzeptabler” Klimaschutzstrategien aus. In der Regel werden für
eine Modellanwendung mehrere Leitplanken aus verschiedenen Bereichen definiert. Das integrierte ICLIPS-Modells enthält eine umfangreiche Liste möglicher Indikatoren, die - sowohl
global aggregiert als auch für geeignet gewählte Regionen - zur normativen Festlegung von
Leitplanken für Klimaschutzstrategien herangezogen werden können:
• Klimabereich (vgl. Abschnitt II.1.4):
Ausmaß und Geschwindigkeit von Temperaturänderungen;
Ausmaß von Niederschlagsänderungen;
Ausmaß und Geschwindigkeit des Meeresspiegelanstiegs.
• Klimafolgenbereich (vgl. Abschnitt II.1.5):
Mehrere Indikatoren für die Veränderung der natürlichen Vegetation;
mehrere Indikatoren für die Veränderung der landwirtschaftlichen Erträge;
ein Indikator für die Verfügbarkeit von Frischwasser;
mehrere Indikatoren für die Auswirkungen eines Meeresspiegelanstiegs.
• Sozio-ökonomischer Bereich (vgl. Abschnitt II.1.7):
Rate der Emissionsreduktion;
Verminderung der ökonomischen Aktivität (Bruttosozialprodukt, pro-Kopf-Einkommen,
privater Verbrauch) im Vergleich zu einem Referenzpfad;
minimales Wachstum des privaten Verbrauchs (unabhängig von einem Referenzpfad);
Beschränkungen des Emissionsrechtshandels;
weitere Indikatoren für intergenerationelle und internationale Gerechtigkeit.
Während das integrierte ICLIPS-Modell die für das Klimaproblem wichtigsten Prozesse
explizit modelliert, gibt es darüber hinaus eine Vielzahl von Prozessen des globalen Wandels,
die in Form von Szenarien Eingang ins Modell finden müssen. In solchen Szenarien werden
beispielsweise Annahmen über langfristige technologische Entwicklungen gemacht. Generell
ermöglichen Szenarien die Integration von Wissen über Prozesse, die so komplex sind, dass sie
in einem gegeben Modellrahmen anderweitig nicht adaquät abgebildet werden können. Desweiteren erlaubt die Einbeziehung unterschiedlicher Szenarien zu einem bestimmten Sachverhalt die Berücksichtigung wichtiger Unsicherheiten selbst in Modellen mit deterministischer
Struktur. Bei der Bestimmung der Kosten von Klimaschutzstrategien ist ein sogenanntes Referenzszenario ohne Berücksichtigung klimapolitischer Maßnahmen (“business as usual”) darüber hinaus als Ausgangspunkt für die Bewertung von Klimaschutzstrategien erforderlich.
Annahmen über zukünftige Entwicklungen können zum Teil erheblichen Einfluss auf die
Ergebnisse des ICLIPS-Modells haben. Der grundlegende Unterschied zu den zuvor geschilderten Leitplanken besteht darin, dass Leitplanken explizit als Ausdruck von Wertentscheidungen angesehen werden, während die hier genannten Annahmen in erster Linie die
wissenschaftliche Unsicherheit in Bezug auf zukünftige Entwicklungspfade widerspiegeln. Im
Gegensatz zu anderen entscheidungstheoretischen Ansätzen unterstützt der Leitplankenansatz
die weitest gehende Trennung zwischen (normativen) Urteilen und (wissenschaftlichen)
Annahmen bei der Analyse klimapolitischer Fragestellungen.
Rate of Temperature Change [oC/dec]
- 78 -
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
15.0
15.5
16.0
16.5
Global Mean Temperature [oC]
17.0
Abbildung 30: WBGU-Klimafenster
Korridorberechnung mit dem ICLIPS-Klimamodell
Im folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse wiedergegeben, die Eingang in die Stellungnahme des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU) zur 3. Vertragsstaatenkonferenz (WBGU, 1997) gefunden haben. Da das
vollständig gekoppelte ICLIPS-Modell zu diesem Zeitpunkt noch nicht zur Verfügung stand,
wurden eine Vorläuferversion des ICLIPS-Klimamodells mit dem in Abschnitt II.1.3 beschriebenen Kalkül zur Berechnung von Emissionskorridoren angewandt. Die hier präsentierten
Modellergebnisse geben zwar nicht mehr den aktuellen Stand des Modells wieder, sie ermöglichen aber dennoch gute Einblicke in eine erfolgreiche Anwendung des Leitplankenansatzes
zur Beratung klimapolitscher Entscheidungsträger.
In seiner Stellungnahme zur 3. Vertragsstaatenkonferenz der Klimarahmenkonvention in
Kyoto griff der WBGU auf das bereits 1995 definierte Klimafenster (WBGU, 1995) zurück,
das in Abbildung 30 gezeigt ist, und bekräftigte seine weitere Anwendbarkeit. Eine absolute
Temperaturänderung (bezogen auf den vorindustriellen Wert) von mehr als 2˚C sowie eine
Temperaturänderungsrate von mehr als 0.2˚C pro Dekade kennzeichnen demnach Klimaänderungen, die unter Berücksichtigung von Vorsorgegesichtspunkten als nicht mehr tolerierbar
angesehen werden. Die Festlegung der Temperaturobergrenze orientiert sich dabei an der
beobachteten Schwankungsbreite im jüngeren Quartär, das unsere heutige Umwelt geprägt hat.
Um unzumutbare Belastungen der Gesellschaft durch drastische Klimaschutzmaßnahmen zu
vermeiden, wurde angesichts des Fehlens eines adäquaten ökonomischen Modells als Proxyvariable die Rate der Emissionsredaktion auf 4% pro Jahr beschränkt.
Neben diesen Leitplanken flossen folgende Annahmen in die Berechnung der im folgenden
dargestellten Ergebnisse ein: Zunächst folgen die Treibhausgasemissionen dem IS92a-Szenario des IPCC. Sobald eine Emissionsreduktion erforderlich wird, erfolgt diese für die betrach-
- 79 -
teten Treibhausgase CO2, CH4 und N2O sowie für das aerosolbildende SO2 gleichphasig.
Ausgenommen hiervon sind die ozonabbauenden FCKW und ihre Ersatzstoffe, die bereits
durch bestehende internationale Abkommen stark reglementiert sind. Für diese werden die in
(IPCC, 1996a) angegebenen Szenarien zugrundegelegt.
Mit Hilfe des im ICLIPS-Projekt entwickelten Optimierungskalküls (Tóth et al., 1998a)
wurden dann die mit den Leitplanken verträglichen notwendigen Emissionskorridore berechnet, die den Handlungsspielraum für Minderungsstrategien verdeutlichen. Diese Korridore
werden als “notwendig” bezeichnet, da jedes zulässige Szenario innerhalb des entsprechenden
Korridors liegen muss. Hingegen ist nicht jeder beliebige Pfad innerhalb eines Korridors per se
zulässig. Insbesondere ist der obere Rand des Korridors in der Regel kein zulässiger Entwicklungspfad. Die zugrunde liegende Problematik der inneren Struktur von Korridoren und ihrer
Darstellung wird später noch detaillierter aufgegriffen.
Abbildung 31 zeigt notwendige Korridore der CO2-Emissionen (ausgedrückt in Kohlenstoff-Äquivalenten) für den Zeitraum von 1995 bis 2200. Wegen der linearen Ankopplung lassen sich die Emissionen von CH4, N2O und SO2 hieraus durch einfache Umskalierung
ermitteln. Es ist zu erkennen, dass der globale Emissionskorridor langfristig eine erhebliche
Minderung von Treibhausgasemissionen verlangt (a), und dass ein Abwarten von 15 Jahren
den Handlungsspielraum bereits merklich einengt (b).
Die Verteilung von Emissionsreduktionslasten auf verschiedene Länder oder Regionen ist
in erster Linie eine politische Fragestellung. Die Wissenschaft kann hierbei jedoch wertvolle
Hinweise geben. Der WBGU gestand den nicht im Anhang I der Klimarahmenkonvention aufgeführten Ländern (“Entwicklungsländer”) so lange eine Weiterentwicklung gemäß dem
IS92a-Referenzszenario zu, bis diese Staatengruppe dieselben pro-Kopf-Emissionen (auf der
Basis der Bevölkerung von 1992) aufweist wie die Länder in Anhang I (“Industrieländer”).
Der sich aus dieser Festlegung ergebende Emissionskorridor für die Annex-I-Länder ist bereits
recht eng (c). Ein Verfolgen des Referenzpfades für weitere 15 Jahre führt bei gleichzeitiger
Beachtung dieser Gerechtigkeitsanforderung schließlich dazu, dass der zulässige Korridor
nahezu verschwindet (d).
Abbildung 32 zeigt Korridore für weitere wichtige Modellvariablen, die aus den Beschränkungen des WBGU-Klimafensters resultieren. So ergibt sich beispielsweise “automatisch”
eine Stabilisierung der äquivalenten CO2-Konzentration unterhalb von 450 ppmv (b). Für den
Meeresspiegel ist aufgrund der erheblichen Trägheit der thermischen Ausdehnung des Ozeans
hingegen auch nach 200 Jahren noch mit einem weiteren Anstieg zu rechnen (d).
Kosten-Effektivitäts-Analyse mit dem ICLIPS-Klima-Ökonomie-Modell
Im folgenden werden die Ergebnisse einer Kosten-Effektivitäts-Analyse unter Verwendung
des gekoppelten ICLIPS-Klima-Ökonomie-Modells vorgestellt. Hierbei wird aus der Gesamtheit der unter Beachtung von Klima- bzw. Klimawirkungsleitplanken zulässigen Klimaschutzstrategien diejenige ermittelt, welche die Einhaltung der vorgegebenen Leitplanken bei
minimalen (kumulierten) Einkommensverlusten ermöglicht.
Ausgangspunkt ist wiederum das in Abbildung 30 dargestellte WBGU-Klimafenster.
Während inakzeptable Auswirkungen eines Klimawandels weiterhin durch Beachtung des Klimafensters ausgeschlossen werden sollen, müssen die Kosten von Klimaschutzstrategien nun
in einer einzigen Kennzahl zusammengefasst werden. Um Vermeidungskosten intertemporal
vergleichbar zu machen, werden zukünftige Kosten mit einer Rate von 3% pro Jahr abdiskontiert. Wohlfahrtseffekte in verschiedenen Weltregionen werden anhand der modellendogen
6
4
2
0
0
50
100
150
Years after 1995
200
(c)
6
5
4
3
2
1
0
0
50
100
150
Years after 1995
200
Energy rel. global CO2 emissions [Gt C/a]
8
(b)
10
Energy rel. CO2 emissions Annex I [Gt C/a]
(a)
10
Energy rel. CO2 emissions Annex I [Gt C/a]
Energy rel. global CO2 emissions [Gt C/a]
- 80 -
8
6
4
2
0
0
50
100
150
Years after 1995
200
(d)
6
5
4
3
2
1
0
0
50
100
150
Years after 1995
200
Abbildung 31: Notwendige Korridore der energiebedingten CO2-Emissionen von 1995 bis 2200. Jeder mit
den vorgegebenen Leitplanken verträgliche Emissionsverlauf muss innerhalb der grünen Fläche liegen.
a: Globaler Emissionskorridor bei sofort möglichem Beginn von Emissionsreduktionen.
b: Globaler Emissionskorridor bei Verfolgen des Referenzpfades bis zum Jahr 2010.
c: Emissionskorridor der Annex-I-Staaten unter der Annahme, dass den anderen Ländern so lange ein
Verfolgen ihres Referenzpfades zugebilligt wird, bis gleiche pro-Kopf-Emissionen erreicht worden sind.
Der innerhalb des Korridors wiedergegebene Pfad stellt diejenige Emissionsreduktionsstrategie dar, die
vom WBGU als empfehlenswert angesehen wurde.
d: Emissionskorridor der Annex-I-Staaten bei Verfolgen des Referenzpfades bis zum Jahr 2010 unter
Beachtung der zuvor geschilderten Anforderung zur internationalen Gerechtigkeit.
bestimmten “Negishi weigths” gewichtet (Leimbach et al., 2000). Im Ergebnis bedeutet dies,
dass Wohlfahrtsverluste in ärmeren Regionen eine höhere Gewichtung erfahren, als ihrem
Anteil am weltweiten Bruttosozialprodukt entspricht.
Weitere Annahmen waren hinsichtlich des im ökonomischen Wachstumsmodell berücksichtigten Handels mit Emissionsrechten zu treffen. Während Annex-I-Länder bereits ab dem
Jahr 2000 hierzu zugelassen sind, können die anderen Länder erst ab 2010 teilnehmen. Für die
Anfangsverteilung der Emissionsrechte wurde ein sukzessiver Übergang von der status-quoVerteilung (“grandfathering”) zu einer Verteilung auf Basis gleicher pro-Kopf-Rechte im Jahr
2050 angenommen. Der durch den Kauf von Emissionsrechten abgedeckte Emissionsanteil
(c)
(b)
8
6
4
2
0
0
50
100
150
Years after 1995
Temperature [oC]
400
350
300
0
200
(d)
17.0
16.5
16.0
15.5
15.0
0
450
CO2equiv. concentration [ppm]
10
50
100
150
Years after 1995
200
50
100
150
Years after 1995
200
50
100
150
Years after 1995
200
60
Sea Level rel. to 1870 [cm]
(a)
Energy rel. global CO2 emissions [Gt C/a]
- 81 -
40
20
0
0
Abbildung 32: Notwendige Korridore für verschiedene Modellvariablen unter Beachtung des WBGUKlimafensters: (a) Globale CO2-Emissionen (vgl. Abbildung 31); (b) Treibhausgaskonzentrationen (in
CO2-Äquivalenten); (c)globale Mitteltemperatur; (d Meeresspiegelanstieg.
wurde auf 50% der gesamten Emissionen und der durch ihre Veräußerung erzielte Erlös auf
10% des Bruttosozialprodukts einer Region beschränkt.
Das ICLIPS-Modell berücksichtigt neben CO2 auch alle weiteren relevanten Treibhausgase
sowie den abkühlenden Einfluss von Aerosolen. Die für die Aerosolbildung hauptverantwortlichen SO2-Emissionen sind zwar an die Entwicklung der CO2-Emissionen gekoppelt; entsprechend dem historischen Vorbild der meisten industrialisierten Länder wird jedoch die
zunehmende Verbreitung von Entschwefelungsmaßnahmen berücksichtigt. Schwieriger ist es
derzeit, das Reduktionspotential von Nicht-CO2-Treibhausgasen (insbesondere CH4 und N2O)
bei der Formulierung von Klimaschutzstrategien zu berücksichtigen. Belastbare Informationen
zu diesbezüglichen Vermeidungskosten sind bisher kaum vorhanden - u.a . deshalb, weil der
überwiegende Anteil der betreffenden Emissionen nicht im Energiesektor, sondern bei bisher
nur lückenhaft erfassten landwirtschaftlichen Aktivitäten und im Rahmen von Landnutzungsänderungen erfolgt.
Die Entwicklung der CH4- und N2O-Emissionen im ICLIPS-Modell muss daher im Rahmen von Szenarien dargestellt werden. Es wurden jeweils zwei Szenarien untersucht, welche
die Grenzen des als plausibel angesehenen Spielraums wiedergeben sollen:
• (Referenz-) Szenario 1: konstante CH4- und N2O-Emissionen
• (Referenz-) Szenario 2: CH4- und N2O-Emissionen gemäß IS92a (deutlich ansteigend)
- 82 -
Szenario 1 beschreibt die optimistischere Variante, die davon ausgeht, dass die Emissionen
von CH4 und N2O ohne wesentliche Kosten auf ihrem derzeitigen Stand stabilisiert werden
können. Szenario 2 verkörpert hingegen die Annahme, dass keine signifikanten Emissionsminderungen für CH4 und N2O erfolgen werden, so dass Klimaschutzstrategien ausschließlich
durch eine Reduktion der CO2-Emissionen umgesetzt werden können. Die Wahl des Referenzszenarios hat demnach Auswirkungen auf das Ausmaß der CO2-Emissionsreduktion, die erforderlich ist, um ein bestimmtes Klimaschutzziel zu erreichen. Entsprechende Modellergebnisse
unter Beachtung des Klimafensters werden als Politikszenario 1 bzw. 2 bezeichnet.
Abbildung 33 zeigt grundlegende Ergebnisse für die beiden Referezszenarien (die sich hinsichtlich der CO2-Emissionen definitionsgemäß nicht unterscheiden) und die dazu gehörigen
Politikszenarien. Dabei wird die verzögerte Reaktion der globalen Mitteltemperatur auf Emissionsminderungsmaßnahmen deutlich.
Abbildung 34 präsentiert regionale Ergebnisse zu Emissionen, dem Emissionsrechtshandel
und den simulierten Änderungen der regionalen Wohlfahrt für das Politikszenario 2. Eine
Übersicht über die betrachteten Regionen gibt Tabelle 35.
AFR
Afrika (ohne Nordafrika)
CPA
China, Mongolei, Vietnam, Kambodscha, Laos
EEU
Osteuropa
FSU
frühere UdSSR
LAM
Lateinamerika
MEA
Mittlerer Osten, Nordafrika
NAM
Nordamerika
PAO
Pazifik-OECD (Japan, Australien, Neuseeland)
PAS
Südostasien
SAS
Südasien (insbesondere Indien)
WEU
Westeuropa.
Tabelle 35: Weltregionen in den ökonomischen ICLIPS-Modellen
Die gezeigten Ergebnisse geben einen ersten Einblick in die Möglichkeiten, die das
ICLIPS-Modell auch im Rahmen von Kosten-Effektivitäts-Analysen bietet. Da es sich hierbei
um schwerpunktmäßig vom BMU geförderte Arbeiten handelt, verweisen wir zur ausführlicheren Diskussion der Ergebnisse auf (Leimbach et al., 2000).
Korridorberechnung mit dem ICLIPS-Klima-Ökonomie-Modell
Im folgenden wird die Anwendung des gekoppelten Klima-Ökonomie-Modells zur Korridorberechnung vorgestellt. Aufgrund der Vielzahl der möglichen Leitplankensetzungen kann
es sich hierbei nur um eine exemplarische Darstellung handeln.
- 83 -
Diagramm2
30,0
25,0
Gt C
20,0
Referenzszenario
Szenario1 (PolitikSzenario2 szenarien)
15,0
10,0
5,0
2100
2090
2080
2070
2060
2050
2040
2030
2020
2010
2000
1990
0,0
Diagramm1
Seite
1
4,5
4
3,5
3
Referenzszenario1
Referenzszenario2
Politikszenario1
Politikszenario2
°C
2,5
2
1,5
1
0,5
2200
2190
2180
2170
2160
2150
2140
2130
2120
2110
2100
2090
2080
2070
2060
2050
2040
2030
2020
2010
2000
1990
0
Seite 1
Abbildung 33: Ergebnisse einer Kosten-Effektivitäts-Analyse mit dem ICLIPS-Modell.
Oben: Entwicklung der globalen energiebedingten CO2-Emissionen;
Unten: Anstieg der globalen Mitteltemperatur (gegenüber dem vorindustriellen Wert).
- 84 -
2,5
2,0
AFR
CPA
FSU
MEA
NAM
SAS
WEU
Gt C
1,5
1,0
0,5
2100
2095
2090
2085
2080
2075
2070
2065
2060
Diagramm3
2055
2050
2045
2040
2035
2030
2025
2020
2015
2010
2005
2000
1995
1990
0,0
Emissionshandel
Seite 1
0,6
0,4
0,2
0,0
Gt C
-0,2
-0,4
Diagramm3
1995-2100
2100
2090
2080
2070
2060
2050
2040
2030
2020
2010
2000
WEU
1990
LAM
EEU
MEA
PAS
NAM
FSU
AFR
CPA
-0,8
PAO
SAS
-0,6
WEU
EEU
LAM
MEA
PAS
NAM
FSU
AFR
CPA
SAS
Seite 1
10,0
5,0
0,0
CPA
EEU
FSU
LAM
MEA
NAM
PAO
PAS
SAS
WEU
%
AFR
-5,0
-10,0
-15,0
Seite 1
Abbildung 34: Entwicklung wichtiger Modellvariablen für die kostenoptimale Lösung von “Politikszenario 2”.
Oben: Regionale energiebedingte CO2-Emissionen (für die Abkürzungen vgl. Tabelle 35);
Mitte: Handel mit Emissionsrechten (positiv: Export; negativ: Import);
Unten: Durchschnittliche regionale Einkommensverluste (negativ: Gewinne gegenüber dem Referenzfall).
- 85 -
End
Start
Inner structure of the emission corridor
Enforcing period
16
14
Upper boundary
Lower boundary
Boundary of the
sufficient core
CO2 Emissions [Gt C]
12
10
8
6
4
2
0
2000
2020
2040
2060
2080
2100
Year
Abbildung 36: Globaler Emissionskorridor unter Zugrundelegung von Szenario 1. Dargestellt sind der
obere Rand (in rot) und der untere Rand (in grün) des notwendigen Emissionskorridors sowie diejenigen
(gerade noch zulässigen) Emissionspfade, die dessen Ränder bestimmen. Innerhalb dieses Korridors ist
ein hinreichender Korridor eingezeichnet (in schwarz), der unter Verwendung parametrisierter
Emissionspfade berechnet wurde.
Ausgangspunkt der Analyse ist wiederum das WBGU-Klimafenster. Durch die Einbeziehung des ökonomischen Wachstumsmodells ist es nun jedoch möglich, die voraussichtlichen
Kosten von Klimaschutzmaßnahmen unmittelbar zur Leitplankendefinition zu nutzen. Im einzelnen liegen dieser Analyse folgende Leitplanken zugrunde:
• Die globale Mitteltemperatur darf gegenüber dem vorindustriellem Niveau um höchstens
2˚C ansteigen.
• Die Temperaturänderungsrate wird begrenzt auf 0,2˚C pro Dekade (10 Jahre).
• Keine Weltregion soll zu irgend einem Zeitpunkt einen Einkommensverlust von mehr als
2% gegenüber dem Referenzszenario erleiden.
• Bei der Anfangsverteilung von Emissionsrechten erfolgt ein sukzessiver Übergang von der
status-quo-Verteilung zu einer gleichen pro-Kopf-Verteilung im Jahre 2050. Darüber hinaus wird der Import von Emissionsrechten auf 50% der aktuellen Emissionshöhe begrenzt.
In der Analyse werden wiederum die Szenarien 1 und 2 betrachtet, die sich hinsichtlich der
Annahmen zu den CH4- und N2O-Emissionen unterscheiden.
Abbildung 36 zeigt zunächst den notwendigen globalen Emissionskorridor, der auf der
Grundlage der vorgegebenen Leitplanken und unter den Annahmen von Szenario 1 berechnet
wurde. Es ist zu beachten, dass die Emissionen nur bis 1990 festgelegt wurden, so dass das
- 86 -
20
Maximaler Einkommensverlust = 1%
Maximaler Einkommensverlust = 2%
Maximaler Einkommensverlust = 3%
Maximaler Einkommensverlust = 4%
15
10
5
0
2000
2020
2040
2060
2080
2100
Abbildung 37: Sensitivität des globalen Emissionskorridors gegenüber Variationen der
ökonomischen Leitplanke (Szenario 2)
Modell für das Jahr 2000 schon einen gewissen Spielraum hat. Eingezeichnet sind außerdem
diejenigen Emissionspfade, die seine Ränder bestimmen und somit die innere Struktur des
Korridors ausmachen.
Um den zusätzlich angegegebenen hinreichenden Emissionskorridor zu bestimmen, war
eine Beschränkung auf parametrisierte Emissionspfade notwendig. Hier wurden nur diejenigen
Pfade zugelassen, die zu allen Zeitpunkten den gleichen relativen Abstand vom oberen und
unteren Rand des notwendigen Korridors haben. Somit ist zwar ihre “Form” festgelegt, nicht
jedoch ihre absolute Höhe. Die eingezeichneten Ränder des hinreichenden Korridors geben
den maximalen und minimalen Emissionspfad an, der dieser Vorgabe entspricht und gerade
noch mit den Leitplanken verträglich ist. Offensichtlich liegen diese Pfade recht weit von den
Grenzen des notwendigen Emissionskorridors entfernt.
Szenario 2 erfordert derart umfangreiche Reduktionen der CO2-Emissionen, dass unter
Zugrundelegung der obigen Leitplanken kein zulässiger Emissionskorridor mehr existiert. Für
Korridorrechnungen unter den (pessimistischen) Annahmen von Szenario 2 muss daher mindestens eine der Leitplanken gelockert werden.
Abbildung 37 zeigt die Ergebnisse einer entsprechenden Sensitivitätsanalyse (mit erweitertem Klimafenster), die auf folgenden Leitplanken basiert:
• Die globale Mitteltemperatur darf um höchstens 3˚C ansteigen.
• Die Temperaturänderungsrate wird begrenzt auf 0,25˚C pro Dekade.
• Regionale Einkommensverluste werden begrenzt auf 1%, 2%, 3% bzw. 4%.
Mit zunehmender Relaxierung der Einkommensleitplanke erweitert sich der Emissionskorridor, kurzfristig insbesondere im unteren Teil. Die ökonomische Leitplanke beeinflusst aber
auch den oberen Korridorrand. Werden höhere Ausgaben für den Klimaschutz toleriert, ist ein
- 87 -
schnelleres Umschalten von einem hohen Emissionsniveau auf das langfristig notwendige
niedrige Emissionsniveau möglich. Wird hingegen auf die Möglichkeit der plötzlichen Emissionsminderung zugunsten eines frühzeitigeren, “weichen” Umsteuerns verzichtet, können übermäßige Belastungen einzelner Generationen oder Regionen verhindert werden.
Korridorberechnung mit dem integrierten ICLIPS-Modell
Eine Anwendung des vollständigen ICLIPS-Modells beinhaltet die Berücksichtigung von
Leitplanken aus dem Bereich der Klimafolgen. Entsprechend der Einteilung in Abschnitt II.1.5
werden hierbei diskontinuierliche Änderungen großräumiger geophysikalischer Systeme und
stetige Änderungen in klimasensitiven Systemen unterschieden. Die Integration von Klimaschranken aus der ersten Kategorie ist in ICLIPS am Beispiel des möglichen Zusammenbruchs
der thermohalinen Zirkulation untersucht und veröffentlicht worden (Toth et al., 1998c; Bruckner & Schellnhuber, 1999). Abschließend wird hier eine Anwendung des vollständig integrierten ICLIPS-Modells unter Verwendung einer Klimafolgenleitplanke aus der zweiten Kategorie
vorgestellt.
Für diese exemplarische Anwendung des integrierten ICLIPS-Modells wurden drei Indikatoren ausgewählt und folgende normative Leitplanken definiert:
• Begrenzung der Klimafolgen:
Der Flächenanteil der Naturreservate weltweit, in denen die derzeitig vorherrschende Vegetation unter veränderten klimatischen Bedingungen nicht mehr lebensfähig ist, soll 30 %
nicht überschreiten (zur genauen Definition des Indikators siehe Abschnitt II.1.5).
• Begrenzung der sozioökonomischen Folgen:
Das pro-Kopf-Einkommen soll in keiner Weltregion und zu keinem Zeitpunkt um mehr als
2 % unterhalb desjenigen im Referenzpfad liegen.
• Zielsetzung für internationale Gerechtigkeit:
Bis zum Jahr 2100 soll eine gleiche Verteilung von Emissionsrechten (entsprechend den
Bevölkerungsanteilen des Jahres 2000) erreicht werden.
Hinsichtlich der Emissionen von anderen Treibhausgasen als CO2 wurde Szenario 2
zugrunde gelegt. Es soll an dieser Stelle nochmals betont werden, dass die obigen Festlegungen der Leitplanken lediglich als Ausgangspunkt für eine exemplarische wenn-dann-Analyse
dienen. Sie sind in keiner Weise als politische Empfehlung von unserer Seite zu interpretieren.
Spezifische Festlegungen solcher Leitplanken können nur in einem intensiven Dialog zwischen
Wissenschaftlern und politischen Entscheidungsträgern ermittelt werden, z. B. im Rahmen von
“Policy Exercises”.
Die wichtigsten Ergebnisse der TWA-Anwendung für die oben spezifizierten normativen
Leitplanken sind in Abbildung 38 dargestellt. Der dort gezeigte Emissionskorridor umfasst alle
Emissionspfade, die mit den vorgegebenen Leitplanken verträglich sind. Dementsprechend
wird jeder Punkt innerhalb des Korridors von einem zulässigen Emissionspfad erreicht, wohingegen jeder Pfad, der den Korridor verlässt (z. B. der angenommene Referenzpfad) offensichtlich unzulässig ist. Es ist nochmals zu beachten, dass nicht jeder beliebige Pfad innerhalb des
Korridors automatisch zulässig ist. So ist insbesondere die obere Grenzlinie des Korridors
nicht mit den gesetzten Leitplanken verträglich; sie wird vielmehr durch die Maxima der blau
eingezeichneten Pfade bestimmt, welche die wesentliche Information über die innere Struktur
des Korridors enthalten. Aus der Abbildung geht unter anderem hervor, dass die globalen
Energy rel. global CO2 emissions [Gt C/yr]
- 88 -
25
20
Business-as-usual
15
10
5
2020
2040
2060
2080
2100
Year
Abbildung 38: Exemplarisches Ergebnis des vollständig gekoppelten ICLIPS-Modells. Dargestellt ist
der Emissionskorridor (grün), der die Menge aller zulässigen Emissionspfade umfasst sowie der
Referenzpfad (rot) des ICLIPS-Modells. Die innere Struktur des Korridors geht aus den die Ränder
definierenden Pfaden (blau) hervor.
Treibhausgasemissionen zu keinem Zeitpunkt 13 Gigatonnen Kohlenstoff (GtC) pro Jahr überschreiten dürfen, wenn die gesetzten Leitplanken nicht überschritten werden sollen.
Prinzipiell lassen sich entsprechende Emissionskorridore auch für jede einzelne der
betrachteten Regionen angeben. Es zeigte sich allerdings, dass das ökonomische Wachstumsmodell unter Einbeziehung von Emissionsrechtshandel eine außerordentliche Flexibilität
erlaubt hinsichtlich der Regionen, wo Emissionsreduktionen tatsächlich durchgeführt werden.
Falls keine weitere Einschränkung der zulässigen Lösung vorgenommen wird, führt dies dazu,
dass die entsprechenden regionalen Korridore nur in einem engen Grenzbereich sensitiv auf
die Variation der Leitplanken reagieren. In den betrachteten Fällen, wo eine zulässige Lösung
existierte, entsprach die obere Schranke der regionalen Korridore somit meistens dem Referenzpfad. Wir haben an dieser Stelle daher auf die Wiedergabe regionaler Korridore verzichtet;
einzelne Darstellungen finden sich jedoch in (Leimbach et al., 2000).
- 89 -
II.2. Verwertbarkeit des Ergebnisses
Wirtschaftliche Verwertbarkeit
In Anbetracht der in die Billionen DM veranschlagten Kosten sowohl einer Anpassungsstrategie als auch einer Strategie zur weitgehenden Vermeidung des Klimawandels kann die
wirtschaftliche Bedeutung eines besseren Verständnisses der relevanten komplexen Zusammenhänge (und damit einer verbesserten Grundlage für diesbezügliche politsche Entscheidungen) kaum hoch genug eingeschätzt werden.
Wissenschaftliche Bedeutung und Verwertbarkeit
Im Rahmen des ICLIPS-Projektes wurden die konzeptionellen und methodischen Grundlagen des Leitplankenansatzes erarbeitet. Dieser stellt einen entscheidungstheoretischen Rahmen
für die wissenschaftsbasierte Politikberatung zu Umweltfragen dar, der auch außerhalb der
Problematik des globalen Klimawandels anwendbar ist. Das integrierte ICLIPS-Modell, das
eine exemplarische Umsetzung dieses Ansatzes repräsentiert, beinhaltet ein ausgereiftes
Instrumentarium zur umfassenden Analyse verschiedener Leitplankensetzungen sowohl in
Bezug auf die damit verträglichen Emissionsspielräume als auch in Bezug auf kostenoptimale
Emissionspfade. In Analogie zu anderen entscheidungstheoretischen Ansätzen (z. B. der
Kosten-Nutzen-Analyse) sind weitere konkrete Implementationen denkbar und zu begrüßen.
Die wissenschaftliche Bedeutung der Ergebnisse ist aufgrund des innovativen Charakters
des Leitplankenansatzes, der Vielzahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen sowie aufgrund der sehr positiven internationalen Resonanz als sehr hoch einzuschätzen. (Eine ausführliche Darstellung hierzu findet sich in unserer Stellungnahmne “Angaben zur internationalen
Beurteilung der bisherigen Leistungen des ICLIPS-Projektes” vom 20.7.1999, die dem BMBF
vorliegt.)
Innerhalb des ICLIPS-Projektes konnten vielfältige Kontakte zu wissenschaftlichen Einrichtungen im In- und Ausland aufgebaut bzw. vertieft werden. Diese Verbindungen bieten die
Grundlage für eine fruchtbare wissenschaftliche Zusammenarbeit auch nach Abschluss dieses
Projektes und stärken die Position der deutschen Forschung zum Globalen Wandel in der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft.
Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit
Die Arbeiten in ICLIPS haben eine gesellschaftliche Frage hoher Relevanz aufgegriffen.
Die erhaltenen Ergebnisse konnten und können direkt in die multidisziplinäre Politikberatung
einfließen. Institutionell kann eine weitere Nutzung der Ergebnisse z. B. durch Zuarbeiten zu
Gutachten und Stellungnahmen des Wissenschaftlichen Beirates “Globale Umweltveränderungen” der Bundesregierung (WBGU) sowie durch die Veranstaltung von Workshops unter
Beteiligung klimapolitische Entscheidungsträger (“Policy Exercises”) sichergestellt werden.
Durch die im Rahmen des PIK-Eigenbeitrags finanzierte Mitwirkung von Personen, die
unbefristet am PIK beschäftigt sind, ist auch nach dem Ende des Projektes die weitere, wenn
auch im Umfang naturgemäß dann eingeschränkte, Nutzbarkeit des ICLIPS-Modells gewährleistet. Wesentliche Projektergebnisse sind durch die Erstellung eines entsprechenden interaktiven Computerwerkzeuges auch für breitere Nutzergruppen verfügbar.
- 90 -
II.3. Fortschritte bei anderen Stellen
Integrierte Abschätzungen (“Integrated Assessment”) und Integrierte Abschätzungsmodelle zur Unterstützung klimapolitischer Strategien und Maßnahmen (“Integrated Assessment
Models of Climate Change”) sind während der Laufzeit des ICLIPS-Projektes in unterschiedlichen Richtungen weiterentwickelt worden. An dieser Stelle soll nur eine Schlagwortliste mit
einigen wichtigen Referenzen gegeben werden. Für näher Interessierte ist in Anhang A eine
ausführlichere Darstellung (in englischer Sprache) beigefügt.
• Entscheidungsfindung unter Unsicherheiten in der Klimapolitik:
Grubb (1997), Ha-Duong et al. (1997), Weyant (2000).
• Kosteneffektivitätsanalyse, kosteneffektive Emissionspfade:
Mann and Richels (1997), Edmonds et al (1997), Wigley et al. (1996), Peck and Wan
(1996), Edmonds and Wise (1998).
• Multiszenariensimulation:
Lempert et al. (1996), Laitner et al. (1999), Morgan and Dowlatabadi (1996), Lempert and
Schlesinger (2000)
- 91 -
II.4. Publikation des Ergebnisses
Die Publikation des Ergebnisses des ICLIPS-Projektes erfolgt als Sonderheft der Zeitschrift “Climatic Change”:
Climatic Change: ICLIPS Special Issue
Guest Editor: Ferenc L. Toth
Die Forschungsaktivitäten im Rahmen des ICLIPS-Projekts haben ein weites Feld wissenschaftlicher und politischer Probleme aus dem Bereich des Klimawandels abgedeckt: von den
Klimafolgen bis zur Klimastabilisierung, von der klimatischen bis zur ökonomischen Modellierung, von der mathematischen Forschung bis zur Analyse von politischen Fragestellungen.
Der ICLIPS-Forschungsverbund ist derzeit dabei, einen Satz von Aufsätzen zu schreiben, in
denen die im Verlauf der letzten Jahre erzielten Resultate der Fachöffentlichkeit vorgestellt
werden.
Die Frist für die Fertigstellung dieser Aufsätze ist Ende Januar 2001. Anschließend werden
die Aufsätze einem normalen “peer-review”-Prozess unterzogen. Nach Erhalt der Kommentare
von den Gutachtern werden je nach Umfang der angefragten Änderungen noch einmal zwei bis
vier Wochen für die Überarbeitung der Aufsätze benötigt. Falls nicht unerwartet größere
Schwierigkeiten auftreten, sollte das Gesamtmaterial demnach im Frühjahr 2001 fertig zur
Publikation vorliegen.
Im folgenden werden die vorgesehenen Aufsätze aufgelistet. Anschließend werden ausführliche Zusammenfassungen gegeben. Die entsprechenden Angaben entsprechen denen, die
mit dem Herausgeber von Climatic Change vereinbart wurden. Aus diesem Grund wird der
Rest dieses Abschnitts in der englischen Originalsprache berichtet,
1. Integrated Assessment of Climate Protection Strategies: Overview and main results (PIK
team)
2. Integrated Assessment of Climate Protection Strategies: Model presentation (PIK team)
3. Methodological aspects of the Tolerable Windows Approach (TWA) (PIK team)
4. Climate Impact Response Functions (Füssel and van Minnen and Toth)
5. Climate model (Bruckner and Hooss and Füssel)
6. Long-term aggregated economic model (Leimbach and Toth)
7. Dynamic cost functions (Gritsevsky and Schrattenholzer)
8. Land use (Leimbach and Sands)
9. Medium-term disaggregated economic model (Klepper and Springer)
10. Experience with a multidisciplinary international integrated assessment project
(PIK team and partners; optional - yet undecided)
- 92 -
Integrated Assessment of Climate Protection Strategies:
Introduction and Applications
Ferenc L. Toth, Thomas Bruckner, Hans-Martin Füssel, Marian Leimbach and
Gerhard Petschel-Held
This paper provides a brief overview of the project on Integrated Assessment of Climate
Protection Strategies (ICLIPS), its main objectives, the modelling concept and its implementation in the form of an integrated assessment model (IAM). The application of the ICLIPS
model in decision-making processes is illustrated by a set of examples.
The main objectives of the ICLIPS project include the development of an integrated
assessment framework based on the Tolerable Windows Approach (TWA), building modules
and related tools for an IAM, and conducting policy analysis to advise policymakers on
response strategies to global climate change.
The core concept of the ICLIPS project is the TWA. It is based on an inverse modelling
concept that derives climate protection strategies from perceived unacceptable impacts of climate change as well as from intolerable socio-economic implications of mitigation measures
and produces complete sets of permitted greenhouse-gas emission paths. The TWA seeks to
investigate implications of and trade-offs among several constraints related to different domains in the climate-society system.
The TWA concept is operationalised in the form of an IAM. Key features of this model are
introduced as necessary background to the model application. Possible user-selected input
variables (the normative constraints on climate impact and economic burden) are described and
the interpretation of different types of model output is explained.
Selected applications take climate protection targets and implementation measures as external normative input from the ongoing policy discussions at various international for a under the
UNFCCC negotiations and from national declarations of climate policy objectives. Their
implications for the opportunities of long-term climate protection as well as for short-term
GHG emissions are presented based on the relevant ICLIPS model runs. A succinct policy analysis interprets these results in the context of the policy debate.
- 93 -
Integrated Assessment of Climate Protection Strategies:
Model Overview
Ferenc L. Toth, Thomas Bruckner, Hans-Martin Füssel, Marian Leimbach and
Gerhard Petschel-Held
The paper presents the ICLIPS model in the context of other integrated assessment models
(IAMs) addressing the problem of global climate change. Numerous attempts have been made
over the past few years to develop IAMs that combine the most important components of the
interactions between anthropogenic greenhouse-gas emissions and global climate change.
Some models explore implications of different policy interventions or the lack thereof and take
the form of policy simulations. Others aspire to derive best strategies based on different conceptual foundations like decision analysis or cost-benefit analysis.
The conceptual foundation of the ICLIPS project is the Tolerable Windows Approach
(TWA) that requires a distinctive modelling framework. The IAM developed in the ICLIPS
project combines a reduced-form greenhouse-gas and climate module and an economic
module. In forward mode, the model can simulate how different socio-economic development
pathways and associated GHG emissions affect climate. In inverse mode, the model depicts
permitted corridors for future GHG emissions that would keep the climate system within tolerable ranges at acceptable costs, both specified externally by model users, eventually policymakers. In order to help them make these difficult choices, the ICLIPS project has also developed
pilot climate impact response functions that indicate how a particular climate-sensitive sector
reacts to changes in relevant climatic attributes across a plausible range.
An overview of the ICLIPS modelling framework is presented together with the main features of the modules and modes of operation (forward versus inverse mode; policy simulation,
corridor calculation and cost-effectiveness mode). Difficulties associated with finding a reasonable compromise between natural processes (atmospheric GHG accumulation and decay,
the inertia of the climate system and the resulting long delayed effects) and socio-economic
process (development, GHG emissions, technological progress, land-use and land-cover changes) in terms of the length of the time horizon and the temporal and spatial resolution are discussed and their settlement in the ICLIPS model is presented. The emphasis in this paper is on
the framework and integration whereas detailed presentations of the modules follow in subsequent papers.
- 94 -
Methodological Aspects of the Tolerable Windows Approach
Thomas Bruckner, Gerhard Petschel-Held, Marian Leimbach, and Ferenc L. Toth
The main objective of the tolerable windows approach (TWA or guardrail approach) is to
support climate change decision-making by clearly separating value judgements and scientific
analysis. In order to achieve this goal, the TWA starts with an explicit normative definition of
constraints (“guardrails”) that exclude those climate impacts and socio-economic consequences of mitigation measures that are perceived as intolerable by social actors or their designated representatives, the policymakers. In a subsequent step, a scientific analysis of the
relevant elements of the “Earth system” is carried out seeking to derive the set of all admissible
climate protection strategies, i.e., the bundle of all emission paths that are compatible with the
pre-defined constraints.
The actual determination of this bundle would require a complete inversion of an appropriately designed integrated assessment model which is not possible at the current state of the
mathematical theory. Fortunately, as the paper shows, useful results, like emission corridors
depicting important aspects of the most comprehensive solution, can be obtained without knowing the bundle of all admissible emission paths beforehand.
Seeking to identify the main characteristics of a whole family of admissible emission paths
is fundamentally different from the methodological issues involved in applying traditional
approaches to integrated assessments. Policy evaluation and policy optimization methods, for
instance, primarily deal with a single emission path either by investigating the consequences of
a pre-defined scenario or by deriving the (in general unique) optimal emission path that maximizes welfare (as in cost-benefit analyses) or minimizes mitigation costs subject to climatic
constraints (as in cost-effectiveness analyses).
In order to handle the set-valued character of the solution sought by the TWA, the basic
methodological problem is reformulated in terms of the “Theory of Differential Inclusions”. It
is designed exactly to deal with this kind of dynamical non-uniqueness and provides appropriate definitions, a consistent theoretical background (e.g., theorems of existence), and even
some solution methods that are applicable as long as the underlying climate and economy
models are rather simple.
For large scale models, we propose a transparent and (almost) generally applicable method
to derive emission corridors. The basic idea is to subsequently maximize (minimize) the
amount of emissions in order to calculate the upper (lower) bound of the emission corridor for
every interesting point in time. The respective intertemporal optimization has to take into
account simultaneously the pre-defined environmental, climatic, social, and economic constraints as well as the dynamic relationships connecting climate impacts, climate, and society.
The corridor calculation problem therefore is equivalent to a sequence of optimal control problems, which can be addressed with well-known nummerischical algorithms applied routinely
in standard intertemporal optimization problems. Framing the corridor calculation problem
this way enhances the comprehensibility of the TWA considerably. Moreover, this procedure
emphasizes that the TWA is a general concept that may be operationalized by different numerical methods and (integrated assessment) models.
The numerical scheme described so far is extended in order to derive corridors for further
pertinent variables (like CO2 concentrations) as well as to identify the transient set-valued
“trade-offs” that exist between different control variables (like different greenhouse gas emissions). Finally, we will address the problem of selecting optimal control paths with respect to
- 95 -
various goal functions like minimal mitigation costs (subject to climatic constraints), minimal
climate change (subject to cost constraints), and maximal generalized distance to all constraints.
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Development and use of climate impact response functions
Hans-Martin Füssel, Jelle G. van Minnen, Ferenc L. Toth
By the term, climate impact response function (CIRF), we denote the dose–response relationship between a small number of climatic, and possibly socioeconomic, variables on the one
hand, and an indicator for sectoral impacts of climate change on the other hand. CIRFs are an
efficient means of representing simulated impacts of climate change across a wide range of
plausible futures. They are derived from simulation runs of state-of-the-art impact models for a
representative sample of future states or scenarios. The scaled scenario approach is applied to
concisely describe future climate states while taking into account the spatial and seasonal
variability in the climate anomalies as simulated in transient GCM experiments.
The two fundamental applications of CIRFs in ICLIPS are as follows. Firstly, CIRFs are
used in a “forward mode” to depict the effect of changes in important climatic and other variables on relevant impact indicators, both individually and synergetically. Secondly, CIRFs are
used to translate constraints for climate impacts (so-called “impact guard-rails”) into restrictions for climate variables (so-called “climate windows”). Such an “inverse application” is particularly relevant in the context of the tolerable windows approach (TWA) which aims to
determine the entire set of admissible climate evolutions that are compatible with specific
minimum requirements normatively defined by policy-makers. The huge number of scenarios
that need to be evaluated in a TWA application to scan the whole range of plausible futures in
general does not allow the online computation of climate impacts by a complex impact model.
The translation of an impact guard-rail into a climate window by means of a CIRF is an
efficient way of incorporating results from sophisticated impact models computed offline into
the ICLIPS integrated assessment model.
In the first part of this paper, we discuss important requirements for the modeling of climate
change impacts in the context of the TWA. The focus of this discussion lies on obtaining concise descriptions for future states of the world, on the choice of appropriate impact indicators,
and on the handling of various aspects of uncertainty. In the second part, we present exemplary
CIRFs for natural vegetation, agriculture, and water availability that cover a wide range of spatial and thematic aggregation levels. Relevant aspects of a CIRF to be used in the forward and
inverse mode are visualized by response surface diagrams and impact isoline diagrams, respectively. We also report the results of various sensitivity tests conducted in order to assess the
effects of different climate scenarios, aggregation levels, and assumptions for adaptation
potentials on the CIRFs and the admissible climate windows derived from them.
- 97 -
The ICLIPS Climate Model
Thomas Bruckner, Georg Hooss and Hans-Martin Füssel
Emission corridors depict important aspects of the bundle of all admissible emission paths
investigated in the framework of the tolerable windows approach. Numerically, the boundaries
of emission corridors are obtained by successively solving a multitude of different dynamic
optimization problems subject to pre-defined intertemporal constraints (see paper: Methodological Aspects of the TWA). As the related enormous computational burden excludes the application of complex general circulation models (GCM), climate system modeling within the
tolerable windows approach can only be addressed by strongly aggregated reduced-form climate models that are numerically efficient while reproducing the results of GCMs with sufficient accuracy.
The climate model that has been developed during the ICLIPS project fulfils both requirements. By linking the economic and the climate impact part of the ICLIPS integrated
assessment model, the ICLIPS climate model (ICM) has to provide realistic data for important
climate variables at least at a coarse regional scale. The model takes into account all major
greenhouse gases (CO2, CH4, N2O, halocarbons, SF6, tropospheric and stratospheric O3, and
stratospheric water vapor) as well as the radiative effects of aerosols originating from SO2
emissions and from biomass burning. The output is given by transient patterns for temperature,
precipitation and cloudiness change supplemented by transient information about various contributions (thermal expansion of the ocean, melting of glaciers and ice sheets) leading to sealevel rise.
ICM consists of biogeochemical sub-models for turning emissions into concentrations
(whereby carbon dioxide, well-mixed gases with well-defined lifetimes, aerosols, and gases
not directly emitted are treated differently); radiative transfer sub-models for calculating radiative forcing from concentrations; a climate sub-model (in the strict sense) for translating radiative forcing into temperature, precipitation and cloud-cover change; and sea-level rise submodels for calculating sea-level change from thermal expansion of oceans and ice melting.
The carbon cycle module developed at the Max-Planck Institute for Meteorology in Hamburg (Hooss et al., MPI Report 209, 1999) consists of (a) a differential impulse-response representation of the 3 dimensional Hamburg Model of the Ocean Carbon Cycle (HAMOCC),
extended into the nonlinear high-CO2 domain by explicit treatment of the chemistry governing
the CO2 uptake through the ocean surface, and (b) a simple nonlinear impulse-response model
of the terrestrial biosphere’s CO2 fertilization. Applying an inverse calibration technique, the
quantitatively unknown CO2-fertilization factor has been adjusted to give a balanced 1980s
mean budget as advised by the IPCC inter-model comparison exercise. Due to these enhancements a carbon cycle model is obtained that mainly preserves the computational efficiency of
the impulse-response functions approach while yielding plausible atmospheric concentrations
even for high- emission scenarios, i.e., beyond the linear regime.
In order to be consistent with the results given in the IPCC Second Assessment Report, we
adopted parts of the MAGICC climate model to simulate the circulation of all non-CO2 greenhouse gases as well as to describe concentration-dependent radiative forcings. However, in
order to avoid the related high computational burden, we abstained from applying an upwelling-diffusion model for translating radiative forcing into global-mean temperature change.
Instead, we applied a highly efficient, non-linearly forced differential impulse-response model
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of the regionalized changes in near-surface temperature, cloud cover, precipitation, and sea
level rise (Hooss et al., MPI Report 209, 1999). For the further improvement of the computational efficiency, the spatial fields of changes in cloud cover and precipitation are not driven by
their own time-dependent amplitudes as in the Hamburg model but directly coupled to the evolution of near-surface temperature. Melting of glaciers and ice-sheets is described according to
the models underlying the results of the IPCC Second Assessment Report.
In contrast to most optimizing integrated assessment models, the intertemporally optimizing ICLIPS model therefore includes carbon cycle and non-CO2 chemistry as well as climate
(in the strict sense) and sea-level rise sub-models which reflect a state-of-the-art understanding
of the dynamical behavior of the systems involved. Beside a complete quantitative description
of all sub-models mentioned, the paper presents a sensitivity analysis of exemplary emission
corridors that are obtained by taking into account simple economic guard-rails in addition to
various constraints that restrict the amount and rate of global-mean temperature change and
sea-level rise.
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Long-Term Aggregated Economic Model
Marian Leimbach and Ferenc L. Toth
In the TWA framework, GHG emissions provide a well-defined interface between the economic and the climate system. Their full impact on the climate system, however, takes effect
over decades or even centuries. Portraying the dynamics of the economic system over such
time spans is meaningful only in highly aggregated models. A Ramsey-type optimal growth
model has been developed as an appropriate economic model that was coupled directly to a
reduced form climate model.
The economic growth path depicted by this model is determined by exogenous population
and endogenous investment dynamics as well as by assumptions on productivity change hidden in a technological diffusion model. According to this diffusion model, developing countries close the productivity gap to the most developed countries at different speed.
Although just one aggregated sector is considered, the model is calibrated for 11 world
regions, thereby focusing on interregional linkages that influence the economic growth paths.
There are two types of interregional linkages. Intertemporal trade and capital mobility. Capital
flows balance out in each period and might build up net foreign assets. Assets are valued via a
globally averaged rate of return on capital. In order to keep the budget constraints, all regions
are assumed to have zero net foreign assets in the final period. There are well-distinguished
patterns of trade flows, with industrialized regions as capital exporters, and initially also with
excess in the intertemporal trade balances. But increasingly, regions like China and SouthEast-Asia produce trade surpluses.
Another component of interregional linkages comes into play due to the focus on climate
policy. Emission trading is the corresponding policy instrument integrated into the model. The
model allows determine the volume of traded as well as the allocated emission rights endogenously. This results in a more efficient solution than what could be obtained from models with
a fixed amount of emission rights to be allocated. However, the share of each region in the total
budget is pre-defined. It follows a particular allocation principle. It is a combination of the
grand-fathering and the equal per capita allocation principles, with a smooth transition from
the former to the latter. The point in time when the equal per capita principle completely takes
effect is variable. The model allows to implement emission ceilings as well as the divergence
of buying and paying. With the integration of emission trading, intertemporal trade mainly
functions as its balance counter part (i.e. as payments for emission rights imports). Emission
trade significantly modify trade flows. The regions importing emission rights most heavily are
generally those that see the greatest difference between baseline emissions and allocated emission rights as well as those that suffer from high mitigation costs. These cost differentials will
be introduced by embedding a dynamic carbon mitigation cost functions.
The whole model is nested into a master problem by means of which an equilibrium solution can be obtained. Within the master problem the welfare weights will be adjusted to offset
intertemporal trade balance deficits which might cause an unreasonable redistribution of
income.
The model is expanded by equations that allow formulate socio-economic guard-rails, e.g.
income loss related to reference case and intergenerational equity. These guard-rails are used
when calculating emission corridors.
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Costs of Reducing Carbon Emissions:
An Integrated Modeling Framework Approach
Andrii Gritsevskyi and Leo Schrattenholzer,
The paper presents an approach estimating dynamic regional carbon mitigation cost
functions based on of IIASA integrated modeling framework. There is an extensive literature
dedicated to the problem of estimating future long-term carbon mitigation costs (Nordhaus
(1991), Weyant (1993)). Unfortunately, in most approaches (Nordhaus's survey based on analyses of more then 11 models, Weyant summarizes results from more then 14 models) the links
between carbon reduction and the economic model components are static over time and do not
provide regional details. Nor is there any explicit evaluation of uncertainties involved in such
carbon reductions. In most cases carbon mitigation costs are incorporated in a “generic” form
without any real comparison of the assumptions behind baseline scenarios, one the one hand,
and their variants, on the other. This partially explains the extremely broad range of carbon
reduction costs available in the literature. Baseline assumptions, and especially those on the
development of energy technologies, matter a lot. Not only do they define baseline emissions
and thus the amount of carbon to be mitigated, but, even more importantly, they also provide
technical and economic assumptions on the technology options available for mitigation.
The IIASA has put considerable effort into developing a large-scale model (MESSAGEMACRO) that operates on the level of eleven world regions based on detailed information on
several hundred technologies. It operates as a part of an integrated modeling framework that
allows complex emission mitigation policy questions to be addressed in a fully consistent way
from both an energy system point of view and an economic development point of view.
For our baseline for estimating carbon mitigation cost curves, we use the F Scenario. It is a
high growth, high emissions scenario designed specifically to be used as a reference against
which to evaluate alternatives. The FC and FS scenarios represent carbon and sulfur mitigation
cases of F respectively. By using results obtained from the F, FC, and FS scenarios as well as
some other alternative runs that correspond to this family of scenarios, we were able to estimate direct costs of carbon mitigation based on statistical analyses of macro-economic data
from MESSAGE-MACRO. It is important to emphasis that such cost estimates could not be
provided without a common baseline scenario (in this case it was the F scenario). Technology
assumptions, as shown by the alternative technological D scenario, are particularly important
and could drastically influence cost and the amounts of carbon that must be mitigated.
In general, it is a very difficult task to incorporate technological changes that occur in
energy systems over the long term directly into macro-economic models. In most cases, these
models do not have sufficient details on different components of the energy system. One possible solution would be to iterate between a macro-economic model and a system-engineering
model using either a “soft”-link approach or a ”hard”-link approach (as in MESSAGEMACRO). Unfortunately, this very complex and time-consuming exercise requires extensive
model re-calibration and synchronization of assumptions. For these reasons it could not be
implemented in real time or for interactive types of the model. The only practical way to incorporate such complicated interplay is to simplify the relation between mitigation actions, technological changes, and their effect on economic development. We decided to use the IIASA
scenario database, which contains a number of mitigation cases for based on the F Scenario,
and derived carbon mitigation cost curves through statistical analyses of available data from
MESSAGE-MACRO iterations.
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Agriculture and Land Use Module of the ICLIPS Framework
Ron Sands and Marian Leimbach
Projections of global greenhouse gas emissions over the next century show that the agricultural sector will likely play a significant role in potential future increases in radiative forcing
and climate change. Greenhouse gases associated with agriculture include methane, nitrous
oxide, and carbon dioxide – with the flux of this last gas arising as the result of deforestation.
Conversely, the agricultural sector can reduce net emissions of carbon dioxide through the production of carbon-neutral biomass fuels to substitute for some portion of fossil fuels that would
otherwise be used.
The Agriculture and Land Use (AgLU) component of ICLIPS is designed to simulate carbon emissions from land-use change, emissions of methane from agriculture, and emissions of
nitrous oxide from agriculture. As energy prices rise, commercial biomass expands its share of
land. AgLU contains just enough model complexity to meet the following objectives:
• Provide estimates of carbon emissions from land-use change over the next century in
response to changing populations, incomes, and agricultural technologies.
• Evaluate the role of commercial biomass, and its impact on land use, in a carbon-constrained world.
• Construct a model with enough agricultural detail to also provide estimates of methane and
nitrous oxide emissions.
The first version of AgLU was constructed in 1996 as an addition to the Edmonds-ReillyBarns (ERB) model of energy consumption and carbon emissions. ERB contains markets for
oil, gas, coal, and commercial biomass. AgLU adds markets for grains, animal products, and
forest products. Recently, AgLU was transferred to the ICLIPS modeling framework. AgLU
may be operated as either a stand-alone agricultural model or interactively with ERB. Commercial biomass provides the link between the energy structure of ERB with land use in
AgLU. When AgLU is run alone, a price for commercial biomass is derived from the carbon
price as determined by the aggregated economic model of ICLIPS.
Land is allocated to crops, pasture, or forests in eleven world regions according to the economic return from each land use. Economic return is calculated as crop revenue per hectare
less costs of production. Land allocation is affected by the demand for agricultural products,
which is driven by economic growth and population in ICLIPS. Land allocation may also be
affected by changes in yield, due to technical change, or by carbon mitigation scenarios that
provide an incentive for biomass crops. Carbon densities are applied to each land-use category
to provide an estimate of the carbon stock during each 15-year time step. Carbon emissions
from land-use change are calculated as the difference in carbon stock between periods.
Methane emissions are based on rice production and the number of ruminant livestock. Nitrous
oxide emissions are based primarily on the amount of fertilizer used in crop production.
Calculation of land use by forests is somewhat different than for crops or pasture because
of the time required for trees to grow. Current supply of forest products depends on the number
of trees planted in the past. The number of trees planted today depends on the expected price
when the trees are harvested in the future. This expected price is determined by equating supply and demand in the market for forest products three time steps (45 years) in advance.
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Specific routines are written in order to couple AgLU with ICLIPS’ core model. The latter
is programmed in another language and runs on another hardware platform. At run-time,
AgLU is called from ICLIPS’ core model iteratively, receiving data on population development, GDP growth and carbon price evolution. The resulting emissions profiles for CO2, N2O,
and CH4 are sent back to the core model, changing the climate protection strategy. Convergence is reached after a few iterations.
First results show that demand for food by a growing population with rapidly growing incomes in developing countries causes a decrease in forest land, with a corresponding release of
carbon to the atmosphere. This trend is reversed as population growth slows and crop yields
improve. In a carbon-constrained world, biomass creates additional demands for land, leading
to a further reduction in land for forests. Whereas biofuels help to lower emissions from energy
production, there are offsetting increases in carbon emissions from land use change. In addition, nitrous oxide and methane emissions from agricultural production will not be reduced to
the same extent as carbon dioxide from energy production. Most differences between a baseline run and policy runs (i.e. carbon-constrained world) are due to the change of the carbon
price and the induced biomass production.
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The Distributional and Structural Effects of a German Proposal
for International Climate Policy - A Simulation Study
Gernot Klepper and Katrin Springer
The German Expert Council on Global Change (WBGU) has proposed a specific world
wide strategy for combating climate change. The WBGU proposal imposes different greenhouse gas emission constraints on industrialized (the so-called Annex-I) and non-industrialized
(non-Annex-I) countries. In this setting of different emission targets for Annex-I and nonAnnex-I countries change in international prices and thus trade spillovers are likely to occur.
Hence, the allocation and welfare impacts of the proposal on the different world regions are
estimated.
We use a global recursively dynamic, multi-regional, multi-sectoral computable general
equilibrium (CGE) model for the analysis of the likely medium-term impacts of this proposal.
The model covers 11 regions and 10 sectors. The regions are linked by bilateral trade flows.
The economic structure is fully specified for each region and incorporates production, consumption, investment, and governmental activity. All markets are perfectly competitive. A
detailed modeling of the energy sector allows substitutions between fossil fuels with different
carbon intensities in the production and consumption patterns of the private agents. The model
dynamics are characterized by off-steady state growth. This specification is especially
important for the analyzed time span of about 40 years for regions like China, Africa, Latin
America or the emerging Asian countries.
The off-steady state behavior is calibrated on regionally different parameters like exogenous technological progress, savings rates, population growth rate, and the growth rate of
human capital, which are derived from the model and econometric literature. For the first
period the CGE model is calibrated on the Global Trade Analysis Project (GTAP) data base
version 3 for 1992 (GTAP 1997). This GTAP data set is adjusted for primary energy flow data
from the International Energy Agency (IEA 1997) which provide statistics on physical fossil
fuel flows and prices for industrial and household demand. The carbon dioxide (CO2) emissions stemming from the use of fossil fuels over the simulation horizon are calibrated on the projections of “back to coal“ scenario by IIASA and the World Energy Council (1999) for each
type of fossil fuel. This scenario is the most carbon intensive one of all possible energy use
projections, and represents, therefore, the extreme case for an international climate protection
policy. In this scenario, world wide greenhouse gas emissions start from around 6 Gt. carbon in
1993 and rise up to 12 Gt. carbon in 2030.
The WBGU proposes an annual CO2 emission reduction by 3 percent from 1995 onward
for the industrialized countries and constant emissions for the developing countries after 2010.
By implementing these emission reduction targets, the carbon emission world wide can be kept
nearly constant at 6 Gt. carbon over the simulation horizon until 2030. These drastic emission
reductions, i.e. around 20 percent in 2010 and 50 percent in 2030, are connected with high welfare costs which amount to global welfare losses of 16 percent relative to the benchmark in
2030 measured in Hicksian Equivalent Variation. However, the overall welfare loss is not
equally distributed among the regions. Only the pacific Asian countries and India gain in terms
of welfare while the other regions loose from the policy proposal by the WBGU. Furthermore,
the emission reduction objectives can be fulfilled only through a considerable decrease in output of production, especially in the energy-intensive sectors, because adjustment potentials via
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expenditure switching are exhausted. Thus, the reduction in output of the energy-intensive sectors ranges between 20 to 80 percent relative to the benchmark in 2030.
In comparison, the implementation of the Kyoto Protocol would achieve one fifth of the
CO2 emission reduction obtained by the WBGU proposal but would lead only to one tenth of
the welfare costs of the WBGU scenario. In the light of the current heated debate about the
Kyoto Protocol, this comparison highlights that the chances of an international acceptance of
the WBGU proposal are extremely low.
References:
IEA (International Energy Agency) (1997a). Energy Prices and Taxes, OECD, Paris.
IEA (1997b). Energy Balances of OECD Countries, OECD, Paris.
IEA (1997c). Energy Statistics and Balances of Non-OECD Countries, OECD, Paris.
IIASA, World Energy Council (1999). Global Energy Perspectives: A joint IIASA - WEC
study. http://www.iiasa.ac.at/Research/ECS/docs/book_st/wecintro.html.
McDougall, R. (Ed.) (GTAP 1997), Global Trade, Assistance, and Protection: The GTAP 3
Data Base, Center for Global Trade Analysis, Purdue University.
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II.A1. Fortschritte bei anderen Stellen (auf Englisch)
Much work has been conducted in related fields during the lifetime of the ICLIPS project.
Work has focused on a wide array of issues ranging from that which explores the tools of analysis to that which employs those tools to shed light on the problem of climate change. Researchers have focused on integrated assessment, endogenous technological change, behavioral,
social, and organizational phenomena. Work has also continued to examine the problem of
cost-benefit, cost-effectiveness and the interaction of uncertainty with decision making.
Decision Analysis and Cost-Benefit Analysis
Work has continued in the development of tools for understanding the influence of uncertainty on decision making. While initial work examined in the IPCC Second Assessment
Report explored the problem of emissions mitigation objectives under a cost-effectiveness framework, results are influenced by the interaction between concentration limits and the date at
which uncertainty is resolved. This interaction occurs because in decision analysis no option
can ever be foreclosed before the date at which uncertainty is hypothesized to be resolved.
Since any concentration ceiling implies a cumulative emissions limit, preserving the option of
staying below any arbitrary limit means forcing the hedging strategy to converge to the certain
result for the limiting outcome as the decision date moves into the future and as the allowable
cumulative emission associated with the most constraining ceiling declines or rises.
Grubb (1997) characterizes the problem as thus: “If we delay action in the belief that we
are aiming at a 500ppmv target, for example then after a couple of decades it may be simply
too late to be able to stabilize at 400ppmv, however urgent the problem then turns out to be;
and even stabilization at 450ppmv might by then involve radical changes of direction that
could prove economically very disruptive.”
The core of the issue is the interplay between inertia and uncertainty; without inertia indeed
we could correct any trajectory a no cost, but, as the inertia is important, changing course may
be very costly. Fortunately, the Climate Convention embodies the dynamic nature of the decision problem in drafting climate as an ongoing process, not a “once an for all” event. The
UNFCCC requires periodic reviews “in light of the best scientific information on climate
change and its impacts, as well as relevant technical, social and economic information”.
Such a sequential decision-making process aims to identify short-term strategies in the face
of the long-term uncertainties. The next several decades will offer many opportunities for
learning and mid-course corrections. The relevant question is not “what is the best course of
action for the next 100 years” but rather “what is the best course for the near-term given the
long-term objective?” This relationship between short-term and long-term policy actions has
been the central theme in the ICLIPS project as well.
There have been several attempts to frame the issue. Ha-Duong et al (1997) use their
DIAM model to determine the least-cost emission pathway given an uncertain concentration
target. A defining feature of their model is an inertia parameter which accounts for the time
scale of change in the global energy system. In their analysis they assign equal probability to a
target of 450, 550, and 650ppmv. The 550ppmv emission line in this case corresponds to the
optimal pathway when the target is known to be 550ppmv from the outset. The analysis shows
the optimal hedging strategy when uncertainty is not resolved until 2020. The authors note that
“our results show that abatement over the next few years is economically valuable if there is a
- 106 -
significant probability of having to stay below ceilings that would be otherwise reached within
the characteristic time scales of the systems producing greenhouse gases.”
The degree of near-term hedging in the above analysis is sensitive to the date of resolution
of uncertainty, the inertia in the energy system, and the fact that the ultimate concentration target (once it has been revealed) must be met at all costs. The latter stems directly from the formulation of the problem as one of finding the least-cost mitigation pathway in the face of
uncertainty. Since there is a non-zero probability of a 450ppmv target, decisions prior to 2020
must be such that they do not preclude the achievement of such a target.
One way to avoid the bias inherent in the framing of the emissions control problem under
uncertainty is to reframe the problem as a decision tree structure within the context of costbenefit analysis rather than cost-effectiveness analysis. This was the approach taken by the
seven models participating in an Energy Modeling Forum exercise on climate change decision-making under uncertainty (Weyant, 2000). The study focused on hedging strategies for
low probability, high consequence scenarios in which uncertainty was not resolved until 2020.
Two parameters were varied: the mean temperature sensitivity factor and the cost of damages
associated with global warming. The unfavorable cases were defined as the top 5 percent of
each of these two distributions. Two surveys of expert opinion were used for, choosing the distribution of these variables. For the opinion survey on climate sensitivity, see Morgan and
Keith (1995). For warming damages, see Nordhaus (1994). Manne and Richels (1995) show
what happens when the unfavorable case has a probability of 0.5 and the expected case a probability of .95 (the two parameter values assumed for the unfavorable case are shown in the
surveys cited above as being in the upper 5% each of the distributions on the two key parameters, i.e. climate sensitivity and climate damages). The result is very limited amount of shortterm hedging. These results are confirmed by the seven EMF modeling teams. The reason that
there is so little hedging is the low probability of the extreme outcome, i.e. 0.25%. If one were
to increases this probability, the desired degree of hedging would increase accordingly.
What is needed is an approach that explicitly incorporates uncertainty and its sequential
resolution over time. The desirable amount of hedging will depend upon one's assessment of
the stakes, the odds and the costs of policy measures. The risk premium - the amount that
society is willing to pay to reduce risk - ultimately is a political decision that differs among
countries.
Another parameter for stochastic cost/benefit analysis is the importance of non linearity in
the impacts and the date at which some threshold is likely to occur. Peck and Teisberg (1992)
observed that optimal policies were more sensitive to uncertainty in the damage function
power parameter than to uncertainty in the scale parameter. Ha-Duong et al (1997) confirm
that view and demonstrate that introducing thresholds in the damage function leads to more
significant decoupling from current emissions trends for a given probability distribution.
Ultimately, one should try and assess the option value or the value of information incorporated in alternative emissions pathways, that is the capacity of society to adapt any new information. As pointed out by several authors, one has to balance the environmental irreversibility
against the technological irreversibility including the crowding out between forms of technical
progress. Ha-Duong (1998) finds, comparing IPCC Working Group I and Wigley-RichelsEdmonds strategies, that the magnitude of the value of information is significant compared
with the opportunity costs of abatement. On the basis of nine scenarios he founds that the
information value of acting soon is, for most of them higher that this of acting later, if one
assumes an equiprobable low and high damages.
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Cost-Effectiveness Analysis
During the time when the ICLIPS project was conducted, there has been an increased
interest in cost minimizing paths that lead to alternative stable steady-state concentrations of
greenhouse gases in the atmosphere. This interest stems from the objective of the UNFCCC—
to stabilize the concentration of greenhouse gases. Work has focused primarily on the problem
of stabilizing the concentration of CO2. The focus on CO2 reflects the importance placed on
this gas by IPCC WGI and the distinctive characteristic of CO2, which does not have an
atmospheric sink. This in turn implies that net emissions to the atmosphere must eventually
decline indefinitely to maintain any steady-state concentration (IPCC, 1996a). In contrast,
greenhouse gases such as methane and nitrous oxide, with atmospheric sinks have steady-state
concentrations associated with steady-state emissions. Cost-effective paths will depend on
many factors including reference emissions, technical options for emissions limitation, the
timing and rate of change of the availability of options, the discount rate, assumed control
mechanisms and their efficiency. The analysis as conducted to date, generally does not take
into account that long-term emissions mitigation must take place against a background of climate change that affects both the nature and composition of economic activity and the carbon
cycle.
Both Manne and Richels (1997) and Edmonds et al. (1997) examined the question of the
relationship between steady-state concentrations of CO2 and associated minimum costs. Both
papers computed the minimum cost of honoring a concentration ceiling. All cost calculations
assumed that all activities throughout the world pursued emissions mitigation activities based
on a common marginal cost of carbon emissions mitigation. While real world implementation
strategies will likely be less efficient, the choice of a cost-effective assumption for each period
provides a unique minimum benchmark for comparison purposes. Several assumptions regarding cost effectiveness over time were examined. The two studies examined three cases: 1.
Global emissions limited to a trajectory prescribed by IPCC (1996a); 2. Global emissions
limited to a trajectory prescribed by Wigley, Richels and Edmonds (1996), and a model-determined minimum-cost emissions path. Costs were discounted over time at 5 percent per year
over the period 1990 to 2100.
The results of this comparative analysis show that costs are roughly an order of magnitude
greater for concentration ceilings of 450 ppmv than for the 750-ppmv ceiling between WG 1,
WRE, and optimal global emissions constraints. Furthermore, costs decline sharply as the
constraint is relaxed from 450 ppmv to 550 ppmv. Relaxation of the constraint from 650 ppmv
to 750 ppmv reduces costs, but at a more modest rate.
Progress has also been made examining the time-path of the value of a tonne of carbon
when the cost of stabilizing the concentration of CO2 is minimized. Peck and Wan (1996)
demonstrated that the results of Hotelling (1931) could be applied to the problem of minimizing the cost of stabilizing the concentration of CO2 and generalized. They show that to minimize present discounted cost, the value of a ton of carbon should rise at the rate of interest
(discount rate). This theorem insures that the marginal cost of emissions mitigation across both
space and time is equal after taking into account the fact that carbon is naturally removed from
the system. Thus, initial marginal costs should be relatively modest, but should rise steadily (at
the rate of interest plus the rate of carbon removal, approximately one percent per year). The
rise in marginal cost continues until it reaches the marginal cost of a “backstop” technology,
one capable of providing effectively unlimited emissions mitigation at a constant marginal
cost.
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All cost-effective policies minimize the cost of stabilization by equalizing the marginal cost
of mitigation across time and space, that is, in all regions, across all human activities, and
across all generations, except to the extent that non-linearities, non-convexities, and corner
solutions exist. The implementation of real world regimes to control net emissions to the
atmosphere are likely to be inefficient to some degree for a number of reasons including for
example, the problems of “free riding,” cheating, considerations of fairness and equity, and
monitoring, compliance, and transactions costs.
Some work has been undertaken to compare potential policy regimes to more efficient
ones. Edmonds and Wise (1998) examined the cost and effectiveness of a strategy that sought
to minimize the costs of monitoring and verification, and premature retirement of capital
stocks, while simultaneously addressing concerns about fairness and equity. They considered a
hypothetical protocol that focused on new investments in energy technology. They assumed
that Annex I nations required new emissions sources to be carbon-neutral after a prescribed
date. Existing sources were treated as new after a fixed period following their initial deployment. Non-Annex I nations remained unencumbered until their incomes reached levels comparable to those in Annex I nations. The authors concluded that the regulatory regime could
stabilize the concentration of greenhouse gases, and that the level at which concentrations were
stabilized was determined by the initial date of obligations. The hypothetical protocol is economically inefficient, however. That is, it does not minimize the cost of achieving a concentration
limit. The authors compare the hypothetical protocol, which uses a technology regulation to
limit emissions, with an alternative cap-and-trade regime that achieved the same emissions
path. Costs in the hypothetical protocol were approximately 30 percent greater than in the
alternative cap-and-trade regime.
Jacoby et al. (1998) have also considered the problem of accession to the Kyoto Protocol.
They reject the idea that there is such a thing as inter-temporal cost-effectiveness in the context
of a century-scale problem. Rather, they begin with the proposition that a continuous process
of negotiation and re-negotiation. They demonstrate the existence of a system of obligations
based on per capita income, which can lead to the stabilization of concentrations of greenhouse
gases.
A substantial body of work has emerged to consider the implication of technology development and deployment on the cost of meeting alternative emissions mitigation obligations. One
result that comes clearly from this area of investigation is the role technology plays in this
development. This line of investigation has a long and tradition extending back to for example,
Cheng et al. (1985). More recent work includes for example that of Bernow, et al, (1999), Christiansson (1995), Edmonds, Wise and Dooley (1997), Edmonds, Wise, and MacCracken
(1994), Edmonds et al. (1996), Energy Innovations (1997), Geller, et al (1999), Goulder
(1996), Grubler and Messner (1998), Grubler and Nakicenovic (1994), Ha-Duong, et al.
(1996), Hanson and Laitner (2000), Interlaboratory Working Group (1997, 2000), Kim, MacCracken and Edmonds (2000), Koomey, et al (1998), Laitner (1999), and Laitner, et al (1999),
Lako, et al. (1999), Mattsson (1997), Shukla (1995), and Yamaji (1998). Recent studies, for
example Edmonds and Wise (1999), Grubler, Nakicenovic, and Victor (1999), PCAST (1999),
Schock et al. (1999), and Weyant and Olavson (1999), have explored the potential role of a
variety of technologies in both the near term and the longer term. The principal conclusion of
this body of investigation is that the cost of emissions mitigation depends crucially on the ability to develop and deploy new technology. The value of successful technology deployment
appears to be large with the value depending on the magnitude and timing of emissions mitigation, and on anticipated reference scenario progress.
- 109 -
One important limitation of cost-effectiveness analysis is that it does not consider benefits.
While it can shed light on the first half of the objective of the UNFCCC, stabilization of the
concentration of greenhouse gases, it cannot determine which concentrations prevent dangerous anthropogenic interference with the climate system. By starting the analysis with climate
impact response functions and the solicitation from social actors o what they perceive as dangerous impacts enables the ICLIPS framework to release this limitation without the need to go
into a full-fledged and controversial cost-benefit analysis.
Computational, Multi-scenario Simulation Approaches
Computational, multi-scenario simulation is a new analytic approach to the assessment of
climate change policy. Bankes, 1993; Laitner and Hogan (2000), Lempert, Schlesinger, and
Bankes, 1996 have employed this approach, as have Morgan and Dowlatabadi (1996), Van
Asselt and Rotmans (1997), and to some extent Yohe (1996). The basic idea is to use computer
simulation models to construct a range of fundamentally different scenarios of the future and,
instead of aggregating the results using a probabilistic weighting, instead make policy arguments from comparisons of fundamentally different, alternative cases. These methods are most
useful under conditions of deep uncertainty, where we do not have reliable information or
widespread agreement among stakeholders about the system model, the prior probability distributions on the parameters of the system model, and/or the loss function to use in evaluating
alternative outcomes (Lempert and Schlesinger, 2000).
These multi-scenario simulation approaches offer the promise of a powerful synthesis between the narrative, process-oriented methods of scenario-based planning (Schwartz, 1996; van
der Heijden, 1996) and quantitative tools such as decision analysis, game theory, and portfolio
analysis. From the quantitative methods multi-scenario simulation draws a systematic methods
of handling large quantities of data and normative descriptions of good decisions. From scenario-planning multi-scenario simulation draws the insight that multiple views of the future are
crucial for allowing groups to transmit and receive information about highly uncertain futures
and that groups can often agree on actions to take in the face of deep uncertainty without agreeing on the reasons for these actions (Lempert and Schlesinger, 2000). For instance, multi-scenario simulation can adopt a meaningful cost-benefit framework for climate change, while at
the same time acknowledging that deep uncertainty and differing values among stakeholders
makes it impossible to fully quantify the costs and benefits or to assign widely accepted probabilities to many of the key outcomes of interest. These computational, multi-scenario simulations are enabled by new computer technology -- primarily large quantities of inexpensive
memory; fast, networked processors; and powerful visualization tools -- and are only just becoming available.
- 110 -
II.A2. Eigene Veröffentlichungen und Vorträge
II.A2.1. Veröffentlichungen der Ergebnisse des ICLIPS-Projektes
von Mitgliedern der ICLIPS-Kerngruppe am PIK
T. Bruckner and H.-J. Schellnhuber: Climate Change Protection and the Tolerable Windows
Approach, IPTS Report 34 (May 1999), Institute for Prospective Technological Studies,
European Commission, Joint Research Centre, Seville, 6-14 (1999).
T. Bruckner, G. Petschel-Held, and F.L. Toth: The Tolerable Windows Approach to Global
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http://www.feem.it/gnee/libr.html (1998).
T. Bruckner, G. Petschel-Held, F.L. Toth, H.-M. Füssel, C. Helm, M. Leimbach, H.-J.
Schellnhuber: Climate Change Decision-Support and the Tolerable Windows Approach.
Environmental Modeling and Assessment 4, 217-234 (1999).
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France, 307-328 (1998c).
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II.A2.2. Weitere ICLIPS-relevante Veröffentlichungen der ICLIPS-Kerngruppe am PIK
M. Beniston, R.S.J. Tol, R. Delécolle, G. Hoermann, A. Iglesias, J. Innes, A.J. McMichael,
W.J.M. Martens, I. Nemesova, R. Nicholls, and F.L. Toth: Europe. In: R.T. Watson, M.C
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May 26-30, 1998, Museum of Science and Scientific Information, 597-604 (1998).
C. Helm: Fair Play im Treibhaus - Zur gerechten Verteilung von Kohlendioxidemissionen. In:
S. Biermann, S. Büttner, C. Helm (eds.): Zukunftsfähige Entwicklung - Herausforderung
an Wissenschaft und Politik, edition sigma, Berlin, 205-220 (1997).
C. Helm: Commentary: Criteria for an Equitable Distribution of Internationally Tradeable
Emission Certificates. In: H.-J. Schellnhuber and V. Wenzel (eds.): Earth System Analysis:
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II.A2.3. Ausgewählte Veröffentlichungen der ICLIPS-Projektpartner
J. Alcamo, M. Endejan, J.G. van Minnen: Year-to-year variation (1905-1995) of potential crop
yield worldwide as computed with the FAO crop suitability model. Proceedings of the
Second International Climate and History Conference (1998)
P. Döll ,F. Kaspar ,J. Alcamo: Computation of global water availability and water use at the
scale of large drainage basins. Mathematische Geologie 4:111-118 (1999)
G. Hooss, R. Voss, K. Hasselmann, E. Maier-Reimer, F. Joos: A nonlinear impulse response
model of the coupled carbon cycle-ocean-atmosphere climate system. Report No.290, MPI
for Meteorology, Hamburg (1999)
P. Martens, S. Kovats, S. Nijhof, P. de Vries, M.T.J. Livermore, D.J. Bradley, J. Cox, A.J.
McMichael: Climate Change and Future Populations at Risk of Malaria. Global
Environmental Change 9 (Supplemental Issue) 89-107 (1999)
R. Mayer, F. Joos, G. Esser, M. Heimann, G. Hooss, G. Kohlmaier, W. Sauf, R. Voss, U.
Wittenberg: The substitution of high-resolution terrestrial biosphere models and carbon
sequestration in response to changing CO2 and climate. Global Biogeochemical Cycles
13(3) 785-802 (1999)
J.G. van Minnen, J. Alcamo, W. Haupt: Deriving and Applying Response Surface Diagrams
for Evaluating Climate Change Impacts on Crop Production. Climatic Change 46, 317-338
(2000)
J.G. van Minnen, M. Endejan, J. Alcamo: The impact of climate change on agricultural
production and global food supply. Preliminary results of using IMAGE 2 and annual
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variation in climate. Proceedings of the GCTE/LUCC Open Science Conference,
Barcelona, Spain (1998)
M.L. Parry, N. Arnell, M. Hulme, N. Nicholls, M.T.J. Livermore: Buenos Aires and Kyoto do
little to reduce climate change impacts. Global Environmental Change 8(4) 285-289 (1998)
M.L. Parry, C. Rosenzweig, A. Iglesias, G. Fischer, M.T.J. Livermore: Climate change and
world food security: a new assessment. Global Environmental Change 9 (Supplemental
Issue) 52-67 (1999)
II.A2.4. Vorträge der ICLIPS-Kerngruppe am PIK
Thomas Bruckner
‘Integrated Assessment of Climate Protection Strategies’ and ‘Land-Use and Land-Cover
Change’. Invited presentation at the Symposium “IIASA and the German Science”,
January 21, 1997, Jülich, Germany.
The Tolerable Windows Approach: History, Structure, and First Results. Invited presentation at
the International Workshop on Climate Change: Thresholds and Response Functions,
January 24, 1997, Potsdam, Germany.
The Tolerable Windows Approach to Global Warming, Presentation at the World Congress of
Environmental and Resource Economists, Venice, June 25-27, 1998, Association of
Environmental and Resource Economists, European Association of Environmental and
Resource Economists in collaboration with Fondazione Eni Enrico Mattei (1998).
Simulation Results from the ICLIPS Model. Invited presentation at the European-US
Conference on “Post-Kyoto Strategies”, September 6-8, 1998, Semmering, Austria.
Energy and Cost Optimization in Integrated Energy-Supply Systems. Invited presentation at
the Gordon Research Conference on Modern Developments in Thermodynamics, April 1823, 1999, Il Ciocco, Barga, Italy.
Global Change, Differential Inclusions, and Qualitative Reasoning. Invited presentation at the
International Workshop on Differential Inclusions and Qualitative Reasoning in Global
Change: Theory and Practice, PIK, May 18-19, 1999, Potsdam, Germany.
Differential Inclusions and the Tolerable Windows Approach. Invited presentation at the
International Workshop on Differential Inclusions and Qualitative Reasoning in Global
Change: Theory and Practice, PIK, May 18-19, 1999, Potsdam, Germany.
Energieversorgung und Klimaschutz, Symposion “Zur Ökonomie und Ökologie künftiger
Stromversorgung” der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 28.-29. Juni, 1999,
München.
The ICLIPS Project: Concepts, Methods, and Applications, IPCC TAR Chapter II.19 Writing
Team Meeting, June 25, 1999, Potsdam.
Klimafaktor Energie, Symposium “Bundeswehr und Umweltschutz” der Bundesakademie für
Wehrverwaltung und Wehrtechnik, 6.-7. Oktober, 1999, Mannheim.
Langfristige Auswirkungen kurzfristiger Entscheidungen am Beispiel des globalen
Klimaproblems: Zeitskalen und Schwellenverhalten, Workshop “Interaktion und
dynamischer Wandel von natürlichen und ökonomischen Systemen”, 14.-16. Oktober,
1999, Oberflockenbach.
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The Tolerable Windows Approach: Concept, Methods, and Exemplary Applications, RIVM
(National Institute of Public Health and the Environment), December 2, 1999, Bilthoven,
The Netherlands.
The Tolerable Windows Approach (with H.-M. Füssel), Invited Presentation at the “Second
COOL Global Dialogue” Workshop, February 3 - 4, 2000, Zeist, The Netherlands.
Climate Change and Economic Growth Constraints, 243. WE-Heraeus Seminar “Economic
Growth – Driving Forces and Constraints in the Perspective of Economics and the
Sciences” October 23-25, 2000, Bad Honnef, Germany
Wissenschaftsbasierte Beratung klimapolitischer Entscheidungsträger: Ein Vergleich
verschiedener Ansätze, Ringvorlesung des Fachbereichs Umweltwissenschaften,
Universität Lüneburg, December 14, 2000, Lüneburg, Germany
Hans-Martin Füssel
The Tolerable Windows Approach to Integrated Assessments of Climate Change. Presentation
at the 2nd GENIe Workshop, Universitat Politecnica de Catalunya, Terrassa, Spain, 9-13
Dec 1996.
Modellierung der Auswirkungen von Klimaänderungen in ICLIPS. Presentation to members
of the German delegation to the UNFCCC, PIK, Potsdam, Germany, 19 Mar 1998.
Empirical Orthogonal Functions for Impact Assessments. Invited presentation at the Workshop
on Climate Impact Response Functions, PIK, Potsdam, Germany, 2 Sep 1998.
Wissenschaftliche Grundlagen der Politikberatung zur Klimarahmenkonvention. Presentation
to members of the Committee on Science of the European Parliament, PIK, Potsdam,
Germany, 30 Oct 1998.
The Tolerable Windows Approach to Integrated Assessments of Climate Change. International
Centre for Integrative Studies, University of Maastricht, The Netherlands, 20 Nov 1998.
Representing Climate Change Impacts in the ICLIPS Model. Presentation at the IPCC TAR
Chapter II.19 Writing Team Meeting, PIK, Potsdam, Germany, 2 Jul 1999.
The Tolerable Windows Approach to Integrated Assessments of Climate Change. London
School of Hygiene and Tropical Medicine, London, United Kingdom, 15 Sep 1999.
Modellierung der Auswirkungen von Klimaänderungen in ICLIPS. Presentation to
representatives of the German Federal Environment Ministry, PIK, Potsdam, Germany, 6
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The Tolerable Windows Approach as a Framework for Integrating Natural and Social
Dynamics in Integrated Assessment Models of Climate Change. Presentation at Systems
Science 2000 - International Conference on Integrative Approaches to Natural and Social
Dynamics, Osnabrück, Germany, 20-22 Mar 2000.
Klimawirkungsfunktionen und ihre Anwendung zur Einbeziehung ökologischer Zielsetzungen
im ICLIPS Integrated-Assessment-Modell. Presentation at the 5. Deutsche Klimatagung Klima zwischen Natur- und Geisteswissenschaften. Hamburg, Germany, 2-6 Oct 2000.
Tolerable Windows of Climate Change: The PIK Approach to Integrated Assessments.
Presentation to the Executive Secretary of the UNFCCC. Potsdam, Germany, 9 Oct 2000.
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Applying Climate Impact Response Functions in Integrated Assessment Models of Climate
Change. Presentation at the 3rd European Conference on Applied Climatology (ECAC
2000) - Tools for the Environment and Man of the Year 2000. Pisa, Italy, 16-20 Oct 2000.
Klimafolgenmodellierung in "Integrated Assessment"-Modellen. Invited presentation at the
Workshop "Klimawandel in ökonomischen Modellen". Heidelberg, Germany, 23 Nov
2000.
Carsten Helm
Welche Rolle kann die WTO zur Durchsetzung internationaler Umweltstandards leisten?
Eingeladener Vortrag auf dem Hearing der SPD-Bundestagsfraktion zur “World Trade
Organization”, Bonn, 4. November, 1996.
Fair play in the greenhouse - economic basics. Invited presentation at the International
Workshop on Fairness Concerns in Climate Change, PIK, Potsdam, December 12-13,
1996.
Propositions currently discussed in negotiations. Invited presentation at the International
Workshop on Fairness Concerns in Climate Change, PIK, Potsdam, December 12-13,
1996.
Integrierte Bewertung von Klimaschutzstrategien, Eingeladener Vortrag beim Fachgespräch
“(Kein) Klimaschutz wird teuer” der Bundestagsfraktion Bündnis 90/Die Grünen, Bonn,
21. November, 1997.
Ecological Standards and World Trade Relations. Invited presentation at the seminar on
Ecological Standards and World Trade Relations, Deutsche Stiftung für Internationale
Entwicklung (DSE), Berlin, April 30, 1998.
Sind Freihandel und Umweltschutz vereinbar? Eingeladener Vortrag auf dem Gesprächskreis
Wirtschaftspolitische Diskurse der Friedrich-Ebert-Stiftung zum Thema: “Ein
Ordnungsrahmen für die Weltwirtschaft: nur nötig oder auch möglich?”, Friedrich-EbertStiftung, Bonn, 20. Mai 1998.
Diskussion einzelner Equity-Konzepte. Eingeladener Vortrag auf dem Workshop des
IKARUS-Projektes zum Thema “Treibhausgasminderungen in Deutschland zwischen
nationalen Zielen und internationalen Verpflichtungen”, Wissenschaftszentrum Bonn, 27.
Mai 1998.
A general mechanism for the fair division of common property resources with an application to
climate change. 3rd Spring Meeting of Young Economists, Humboldt-University Berlin,
April 3, 1998.
The Economics of Conflicts over Water Resources. World Congress of Environmental and
Resource Economists, Venice, Italy, June 25, 1998.
International Aspects of Domestic Tradable Quotas. Invited presentation at the Workshop on
Tradable Quotas, Centre Borschette, European Commission, Brüssel, Belgien, July 1,
1998.
Fair Division Theory and Climate Change. Seminar, Stockholm University, September 24,
1998.
A general mechanism for the fair division of common property resources with an application to
climate change. 1998 European Economic Association Congress, Humboldt University
Berlin, September 4, 1998.
- 118 -
Sustainability and New Economic Policy Options. Invited discussant at the Panel Discussion at
the workshop on Internationalization of the Economy, Environmental Protection and New
Policy Options, European Institute for International Economic Relations at the University
of Potsdam, Potsdam, October 16, 1998.
Fair Play im Treibhaus. Eingeladener Vortrag auf dem 18. Tübinger Gespräch zu
Entwicklungsfragen, Tübingen, 24. Oktober 1998.
A Mechanism for the Fair Division of Climate Change Protection Burdens. Invited
presentation at the Policy Workshop on Integrating Climate Change Policies in the
European Environment. Costs and Opportunities, Venice, March 4-6, 1999.
Applying Fairness Criteria to the Allocation of Climate Protection Burdens: An Economic
Perspective. Invited presentation at the First COOL Global Dialogue Workshop, Bilthoven,
The Netherlands, July 4-6, 1999.
Marian Leimbach
An Empirical Model of Economic Growth, International Spring Meeting of Young
Economists, Berlin, April 1998
Tolerable climate windows and emission corridors: New results with the ICLIPS model.
Together with F. Toth. Paper presented at the Joint FORUM/ETSAP Workshop on ‘Energy
Models for Decision Support: New challenges and possible solutions’, May 4-5, 1998,
Berlin, Germany.
Klimawandel und Bevölkerungswachstum, Fachtagung der Konrad-Adenauer-Stiftung
"Bevölkerungswachstum und nachhaltige Entwicklung", Sankt Augustin, 8 May 1998
The ICLIPS Integrated Climate-Economy Model, IEA/EMF/IEW International Modelling
Meeting, Paris, 16-18 June 1999.
New Methods of Climate Policy Decision Support, Seventh Viennese Workshop on Optimal
Control, Dynamic Games and Nonlinear Dynamics, Vienna, 24-26 May 2000.
Influence of Economic Constraints on the Shape of Emission Corridors. Together with T.
Bruckner. Paper presented at the 10th Annual Conference of the Eurpean Association of
Environmental and Resource Economists, Greece, June 30 - July 2, 2000, Rethymno
(Crete).
Modelle der langfristigen sozio-ökonomischen Entwicklung. Eingeladener Plenarvortrag auf
der 16. Jahrestagung des Forums InformatikerInnen für Frieden und gesellschaftliche
Verantwortung e.V., 29.September - 2.Oktober 2000, Hamburg.
Ferenc Tóth
Ecological damage functions, invited paper presented at the International Workshop on
Climate Change: Integrating Science, Economics, and Policy, IIASA, Laxenburg, Austria,
March 19-20, 1996. (in preparations for the project)
Possible impacts of climate change in Brandenburg, poster presentation at the Workshop on
Impacts of climate change in MacKenzie-basin, Yellowknife, NWT, Canada, May 5-8,
1996.
Cost-benefit analyses of climate change, invited presentation at the NBER/Yale workshop on
Economics of climate change, Snowmass, CO, USA, July 23-24, 1996.
- 119 -
Modeling framework for scenario development, invited paper presented at the Steering
Committee Workshop of the Project Modeling Land Use and Land Cover Change in
Europe and Northern Asia, IIASA, Laxenburg, Austria, September 26-27, 1996.
Integrated environmental assessments: the science-policy interface, invited presentation at the
IPCC/CEC International Symposium on Prospects for Integrated Environmental
Assessment, Toulouse, France, October 24-26, 1996.
Fairness concerns in global climate change: background and overview, Introductory
presentation at the International Workshop on Fairness Concerns in Global Climate
Change, PIK, Potsdam, Germany, December 12-13, 1996.
Modeling land use and land cover change: Regional aspects in South Asia, invited presentation
at the EU/COSTED International Workshop on Regional Land-Cover Changes,
Sustainable Agriculture and their Interactions with Global Change, Chennai, India,
December 16-19, 1996.
Climate thresholds and response functions: background and overview. Introductory
presentation to the workshop on Climate Change: Thresholds and response functions, PIK,
Potsdam, Germany, January 23-24, 1997.
The tolerable windows approach to integrated assessments. Invited paper presented at the
IPCC Asia-Pacific Workshop on Integrated Assessment Models, Tokyo, Japan, March 1012, 1997.
The timing of coalitions, invited discussant at the workshop on International Environmental
Agreements on Climate Change, Venice, Italy, May 6-7, 1997.
Policies and measures for the European Union, invited discussant at the European Commission
workshop on Climate Change: Policies and measures for Europe, Brussels, Belgium, May
15-16, 1997.
Global Environmental Change: Integrated Climate Assessment Models, presentation at the
International Conference Geography Yesterday and Today, Budapest, Hungary, May 20-23,
1997.
Integrated assessments: The tolerable windows approach, presentation at the joint meeting of
the International Energy Workshop and the Energy Modeling Forum, IIASA, Laxenburg,
Austria, June 23-25, 1997.
Discounting in integrated assessments models - results with RICE, presentation at the joint
meeting of the International Energy Workshop and the Energy Modeling Forum, IIASA,
Laxenburg, Austria, June 23-25, 1997.
The tolerable windows approach to integrated assessments, invited lecture at the EU Advanced
Study Course, Berlin, July 20-26, 1997.
Modeling land-use and land-cover change in Africa in integrated assessment models, invited
presentation at the EC/COSTED workshop on Regional Land Cover Changes, Sustainable
Agriculture and their Interactions with Global Change, Maputo, Mozambique, July 28-31,
1997.
Tolerable windows and safe emission corridors, invited presentation at the Climate change
impacts and integrated assessments workshop, Snowmass, CO, USA, August 4-13, 1997.
Integrated modeling of human and biogeophysical systems, invited presentation at the Annual
Meeting of IGBP Core Project Office Directors, Potsdam, Germany, August 21, 1997.
- 120 -
Climate policy as an opportunity for European venture capital in technological development,
opening presentation at the policy exercise workshop on Climate Policy as a Business
Opportunity for Venture Capital in Europe, Amsterdam, The Netherlands, September 1920, 1997.
Climate change: perceptions of regional impacts and reduction policies. Preliminary lessons
from the Darmstadt pilot regional policy panel, presentation at the project meeting of the
ULYSSES Project, Athens, Greece, September 28-30, 1997.
Climate policy as an opportunity for European venture capital in technological development.
Preliminary lessons from a European policy exercise, presentation at the project meeting of
the ULYSSES Project, Athens, Greece, September 28-30, 1997.
Die Rolle des Zeitfaktors im Management globaler Umweltveränderungen. (The role of time
in managing global environmental change), invited presentation at the scientific conference
Globalisierung und Forschung (Globalization and Research), WBL, Köln, Germany,
October 29, 1997.
A szén-dioxid kibocsátás forgatókönyvei a XXI. századra. (Scenarios of CO2 emissions for the
21st century), invited presentation at the conference “Atmospheric carbon-dioxide in the
next century”, Hungarian Academy of Sciences, Budapest, Hungary, November 4, 1997.
The role of technological development in inverse assessments of climate policies, invited
presentation at the European meeting of the Global Energy, Technology, Strategy Project,
Brussels, Belgium, November 5, 1997.
Integrated Assessment of Climate Protection Strategies (ICLIPS): concepts, analytical
framework and response functions, presentation at the annual meeting of the PIK’s
Scientific Advisory Board, Potsdam, Germany, November 10-11, 1997.
The role of technologies in adaptation to climate change, invited presentation at the ETAN
workshop, Brussels, Belgium, November 13, 1997.
Integrált klímaértékelési modellek a tudomány és a politika szolgálatában (Integrated climate
assessment models in science and policy), invited presentation at the Meteorological
Science Days of the Hungarian Academy of Sciences, Budapest, Hungary, November 2021, 1997.
Climate Change and Energy Transition: Issues for Strategic Research in the Asia-Pacific
Region. Invited presentation at the Symposium on Climate Change and Strategic Research
- Tackling Issues of the Climate Change in IGES Way, March 10, 1998, Shonan Village
Center, Japan.
Integrated Environmental Assessment Methodologies: A Survey. Invited presentation at the
First Workshop of the European Forum on Integrated Environmental Assessment (EFIEA)
‘Challenges and Opportunities for Integrated Environmental Assessment’, March 12-14,
1998, Amsterdam, The Netherlands.
Modeling Land-Use and Land-Cover Change in the Context of the Climate Change Problem.
Invited presentation at the GCTE-LUCC Open Science Conference “Earth’s Changing
Land”, March 14-18, 1998, Barcelona, Spain.
Integrated Assessment of Climate Protection Strategies (ICLIPS): Project overview, the
tolerable windows concept and integration, climate impact response functions.
Presentation at the ICLIPS Project Sponsors’ Workshop, March 19, 1998, PIK, Potsdam,
Germany.
- 121 -
Modeling Land-Use and Land-Cover Change in Central and Eastern Europe: The Global
Context. Invited presentation at the START Workshop on Global Change and Eastern
Europe, March 23-25, 1998, IIASA, Laxenburg, Austria.
Complementarity and specific features of RTD responses for mitigation and adaptation
policies. Invited presentation at the First Workshop of the ETAN Pilot Action ’Responding
to the challenge of climate change through RTD policy’, March 27, 1998, European
Commission, Brussels, Belgium.
Tolerable climate windows and emission corridors: New results with the ICLIPS model.
Together with M. Leimbach. Paper presented at the Joint FORUM/ETSAP Workshop on
‘Energy Models for Decision Support: New challenges and possible solutions’, May 4-5,
1998, Berlin, Germany.
Environmental Targets in Integrated Assessments: Tolerable Windows Approach. Invited
presentation at the Special Session on ‘Incorporating Human Dimensions into Earth
Systems Models’, 1998 Spring Meeting of the American Geophysical Union, May 26-29,
1998 Boston, MA, USA.
Climate change RTD policies in mitigation and adaptation. Invited presentation at the Second
Workshop of the ETAN Pilot Action ’Responding to the challenge of climate change
through RTD policy’, June 12, 1998, European Commission, Brussels, Belgium.
Climate Mitigation Targets: New results with the ICLIPS model. Invited presentation at the
joint workshop of the International Energy Workshop and Energy Modeling Forum, June
17-19, 1998, Stanford University, Stanford, CA, USA.
Environmental Targets and Scenario Analysis in Integrated Assessments: The Tolerable
Windows Approach. Invited presentation at the SENSE Core 3 Symposium, June 24-26,
1998, Wageningen, The Netherlands.
Global and regional perspectives of climate impact scenarios. Invited introductory presentation
and facilitation of a discussion session at the First Annual International Human
Dimensions Workshop organized by the International Human Dimensions Programme on
Global Environmental Change (IHDP), August 8-21, 1998, Bonn, Germany.
Linking climate impact research and policy decision-making: Results from the ICLIPS model.
Invited presentation at the First Annual International Human Dimensions Workshop
organized by the International Human Dimensions Programme on Global Environmental
Change (IHDP), August 8-21, 1998, Bonn, Germany.
Past, present and future role of climate impacts in negotiations of climate regimes. Invited
discussion facilitator at the First Annual International Human Dimensions Workshop
organized by the International Human Dimensions Programme on Global Environmental
Change (IHDP), August 8-21, 1998, Bonn, Germany.
Kyoto and the long-term climate stabilization. Invited presentation at the OECD Workshop on
‘Climate Change and Economic Modeling: Background Analysis for the Kyoto Protocol’,
September 17-18, 1998, OECD Headquarters, Paris, France.
Integrated assessment models of global climate change: Building blocks and integration
techniques. Invited presentation at the OECD Workshop on ‘Climate Change and
Economic Modeling: Background Analysis for the Kyoto Protocol’, September 17-18,
1998, OECD Headquarters, Paris, France.
- 122 -
Climate impact response functions: Workshop background and overview. Presentation at the
Workshop on Climate Impact Response Functions, September 2-4, 1998, Potsdam,
Germany.
Comparing models: Lessons from integrated assessments of climate change. Invited
presentation at the Symposium on Environment, Energy, Economy: A Sustainable Future,
October 12-13, 1998, Rome, Italy.
Integrated Assessments and Decision Making in Africa: Focus on Adaptation. Invited
presentation at the 2nd IPCC Workshop on Integrated Assessment in Africa, November 2125, 1998, Kadoma, Zimbabwe.
Decision analysis frameworks in the IPCC Third Assessment Report. Invited presentation at
the IPCC TAR 1st Lead Authors’ meeting, December 2-4, 1998, Bilthoven, The
Netherlands.
Decision analysis frameworks in the IPCC Third Assessment Report - Adaptation aspects.
Invited presentation at the IPCC TAR Working Group II 1st Lead Authors' meeting;
January 5-8, 1999, Geneva, Switzerland.
Intergenerational equity and discounting. Invited keynote paper presented at the Second Policy
Workshop of the European Forum on Integrated Environmental Assessments on Integrating
climate policies in the European Environment - Costs and opportunities; 4-6 March 1999,
Milan, Italy.
Regional Policy Panels and European Venture Capital Policy Exercises. Invited presentation at
the ULYSSES Project Workshop, March 10-12, 1999, European Commission, Brussels,
Belgium.
Climate Change and the Challenge for Research and Technological Development Policy.
Invited discussant comments at the Workshop of the European Technology Assessment
Network, March 16, 1999, European Commission, Brussels, Belgium.
Development, Equity and Sustainability Concerns in Climate Change Decisions. Invited paper
presented at the IPCC Expert Meeting on Development, Equity and Sustainability; 27-29
April, 1999; Colombo, Sri Lanka.
Integrated Assessment of Climate Policy: A project overview. Invited presentation at the
workshop on Differential Inclusions and Qualitative Modeling, May 18-19, 1999, PIK,
Potsdam, Germany.
Integrating Models of Intermediate Complexity: The Tolerable Windows Approach. Invited
presentation the IGBP GAIM Workshop on Earth System Models of Intermediate
Complexity; June 15-16, 1999 Potsdam, Germany
Climate Change Policy Analysis: The Tolerable Windows Approach. Invited presentation at
the International Energy Agency/International Energy Workshop/Energy Modeling Forum
Joint Conference on Energy Policy; June 16-18, 1999, Paris, France.
Needs from the Policy-Making Side - Decision Making Frameworks. Invited paper presented
at the IPCC Expert Meeting on Costing Issues for Mitigation and Adaptation to Climate
Change, June 29 to July 1, 1999, Tokyo, Japan.
Costs and Decisions [in Climate Change]. Invited paper presented at the IPCC Expert Meeting
on Costing Issues for Mitigation and Adaptation to Climate Change, June 29 to July 1,
1999, Tokyo, Japan.
- 123 -
Options and Costs for Climate Change Mitigation: The IPCC Working Group III Report.
Invited presentation at the IPCC Symposium; July 1, 1999, Tokyo, Japan.
Regions and Climate Change: Introduction to the Workshop. Invited presentation at the
ULYSSES Regional Policy Panel Workshop, SDRI, University of British Columbia,
Vancouver, Canada.
Incorporating Impacts in Integrated Assessments. Invited presentation at the EMF Workshop
on Climate Change Impacts and Integrated Assessments, July 26-Aug 3, 1999, Snowmass,
Colorado.
Adaptation and the Guardrail Approach to Tolerable Climate Change (with Gary Yohe).
Invited presentation at the EMF Workshop on Climate Change Impacts and Integrated
Assessments, July 26-Aug 3, 1999, Snowmass, Colorado.
Adaptation in Integrated Assessment Modeling. Invited panel presentation at the EMF
Workshop on Climate Change Impacts and Integrated Assessments, July 26-Aug 3, 1999,
Snowmass, Colorado.
Decision analysis frameworks in the IPCC Third Assessment Report. Invited presentation at
the Special Session on Cross-Cutting Issues in IPCC TAR, September 13, 1999,
Lillehammer, Norway.
Decision making frameworks: Chapter 10 in the WGII report of IPCC. Workshop of German
contributers to IPCC TAR, May 29-30, 2000, Bad Münstereifel.
Emission control decisions under uncertainty. Invited presentation at the joint PIK-MIT Global
Change Forum XVI, 21-23 June 2000, Berlin.
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III. Erfolgskontrollbericht
ICLIPS-Projekt
Integrierte Abschätzung von Klimaschutzstrategien
Methodisch-naturwissenschaftliche Aspekte
Förderkennzeichen: 01 LK 9605/0
III.1. Beitrag zu den förderpolitischen Zielen des
Förderprogramms
Das ICLIPS-Projekt bezieht sich auf die Weiterentwicklung der integrierten Klimafolgenforschung in Deutschland, die sich nicht nur eindimensional mit möglichen Auswirkungen von
Klimaveränderungen beschäftigt, sondern diese zusammen mit Anpassungsoptionen und Vermeidungsmöglichkeiten untersucht. Der Fensteransatz, der bei der Identifizierung von tolerierbaren Klimaschutzstrategien explizit sowohl ökologische als auch ökonomische
Anforderungen zu berücksichtigen vermag, erfüllt zentrale forschungspolitische Ziele in
Bezug auf den Fragenkomplex “Nachhaltiges Wachstum”, wie sie z.B. in der Rede der Bundesministerin für Bildung und Forschung, Frau Edelgard Bulmahn, am 2.12.1998 im Deutschen Bundestag formuliert wurden.
III.2. Wissenschaftlicher Erfolg des Vorhabens
Innerhalb des Projektzeitraums konnte im Rahmen einer erfolgreichen internationalen
Kooperation mit dem ICLIPS-Modell ein detailliertes integriertes Modell des globalen Klimawandels (“Integrated Assessment Model”, IAM) erstellt werden. Damit ist es der deutschen
Klimafolgenforschung gelungen, in diesem für die praktische Politikberatung wichtigen Forschungsfeld Anschluss an die internationale Entwicklung zu finden und in wichtigen Teilbereichen eine führende Rolle zu übernehmen. Das ICLIPS-Modell enthält eine Reihe von
Innovationen, die es von anderen intertemporal optimierenden Modellen (z.B. DICE, RICE,
MERGE) absetzt. Erwähnenswert sind hierbei unter anderem ein numerisch höchst effizientes
Klimamodell, das alle relevanten Treibhausgase berücksichtigt, eine Vielzahl von Klimawirkungsfunktionen, die klimabedingte Veränderungen der natürlichen Vegetation, der landwirtschaftlichen Erträge und der Wasserverfügbarkeit beschreiben sowie ein Modell der
langfristigen ökonomischen Entwicklung, das erstmalig kostendämpfende Effekte des technologischen Lernens mit einbezieht.
Parallel zur Modellentwicklung wurden die konzeptionellen und methodischen Grundlagen
des Leitplankenansatzes zur Beratung klimapolitischer Entscheidungsträger erarbeitet. Durch
die erfolgreiche Modellanwendung gelang es dem ICLIPS-Projekt, die konzeptionelle
Umsetzbarkeit, die nummerische Handhabbarkeit sowie die politische Relevanz dieses innovativen Ansatzes nachzuweisen.
- 135 -
Durch eine Vielzahl von Publikationen (insgesamt mehr als 60, davon über 20 in begutachteten Zeitschriften; siehe Anlage) sowie durch eine rege Teilnahme an internationalen Kongressen und interdisziplinären Workshops konnte der Ansatz der wissenschaftlichen
Gemeinschaft sowie einer Vielzahl klimapolitischer Entscheidungsträger bekannt gemacht
werden. Eine konkrete Beratung klimapolitischer Entscheidungsträger erfolgte unter anderem
im Rahmen mehrerer Gesprächsrunden mit Vertretern des Umweltbundesamtes und des Bundesumweltministeriums, durch die aktive Mitarbeit an verschiedenen Stellungnahmen des
Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen (WBGU)
sowie durch Mitwirkung am COOL Global Dialogue Process.
Erste Modellergebnisse konnten bereits ein Jahr nach Projektbeginn, d. h. noch im Vorfeld
der Klimarahmenkonferenz in Kyoto, der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft im Rahmen eines IPCC-Workshops in Tokio vorgestellt werden. Dadurch wurde ein Diskussionsprozess innerhalb des IPCC angestoßen, der dazu geführt hat, dass der Leitplankenansatz Eingang
in den 3. Sachstandsbericht des IPCC gefunden hat.
Einen nicht unwesentlichen Anteil an diesem Erfolg haben die von uns durchgeführten
Workshops, an denen führende Wissenschaftler aus den jeweiligen Themengebieten teilgenommen haben:
• International Workshop on “Fairness Concerns in Climate Change”, 12.-13.12.1996.
• International Workshop on “Climate Change: Thresholds and Response Functions”,
23.-24.1.1997.
• International Workshop on “Climate Impact Response Functions”, 2.-4.9.1998.
• International Workshop on “Differential Inclusions and Qualitative Reasoning in Global
Change: Theory and Practice”, 18.-19.5.1999.
• Joint MIT-PIK Global Change Forum XVI on “Key Non-Linearities and Uncertainties in
Climate Policy”, 22.-23.6.2000, Berlin.
Darüber hinaus wurde im Rahmen des gemeinsamen Workshops der International Energy
Agency (IEA), des Energy Modeling Forum (EMF) und des International Energy Workshop
(IEW) vom 16.-18.6.1999 in Paris eine eigene “ICLIPS Session” unter Leitung von Ferenc
Toth durchgeführt.
Die Vorträge des ersten Workshops am PIK wurden als Buch veröffentlicht: F.L. Toth: Fair
Weather? - Equity Concerns in Climate Change, Earthscan, London (1999). Die Vorträge des
zweiten Workshops erschienen im August 2000 als Sonderausgabe der Zeitschrift “Climatic
Change” Vol. 46, No. 3.
III.3. Einhaltung des Finanzierungs- und Zeitplans
Die im Strukturplan (siehe Kapitel I.3) vorgesehenen Arbeitsaufgaben konnten wie folgt
abgeschlossen werden:
Arbeitsstrang
(gemäß Strukturplan)
Hauptprodukt
Grad der
Zielerreichung
Klimamodellierung:
Prof. Hasselmann,
MPI, Hamburg
Vollständig regionalisiertes
Klimamodell
vorhanden;
Dokumentation liegt vor
(MPI-Report No. 290)
- 136 -
Impaktmodellierung (Teil I):
Prof. Alcamo, USF, Kassel
Klimawirkungsdiagramme
für natürliche Vegetation,
potentielle Ernteerträge und
Wasserverfügbarkeit
vorhanden;
Abschlussbericht
(in englischer Sprache)
liegt vor
Impaktmodellierung (Teil II):
Prof. Parry, JEI, London
Klimawirkungsdiagramme
(“Response Surfaces”) für
Nahrungsmittelversorg.
(“Risk of Hunger” ),
Hitzestress und
Meeresspiegelanstieg
vorhanden;
Abschlussbericht
(in englischer Sprache)
liegt vor.
Arbeitsgruppe am PIK
1) Modell zur Bestimmung
aller zulässigen
Klimaschutzpfade
2) Modell zur Bestimmung
kostenoptimaler
Klimaschutzpfade
3) Erstellung eines
ergebnisdarstellenden
Instrumentariums
(CD-ROM)
1) endgültige Version
vorhanden
2) endgültige Version
vorhanden
3) in abschließender
Bearbeitung
Ökonomische Modellierung
(Teil I):
Prof. Dr. Klepper, IfW, Kiel
Dynamische Version des
empirischen allgemeinen
Gleichgewichtsmodells
(unter Einbeziehung der
Kapitalmobilität)
vorhanden
Ökonomische Modellierung
(Teil II):
Dr. Nakicenovic, IIASA,
Laxenburg
Dynamische CO2–
Vermeidungskostenfunktionen
vorhanden
Modellierung von
Landnutzungsänderungen:
Dr. Edmonds, PNNL,
Washington
Integrierbares
Landnutzungs- und
Emissionsmodell
vorhanden
Alle für die Erstellung des ICLIPS-Modells zur integrierten Bewertung von Klimaschutzstrategien erforderlichen Teilmodelle sind somit vorhanden; die Integration der Teilmodelle ist
abgeschlossen. Darüber hinaus liegen nicht nur die Ergebnisse von Szenarienrechnungen, sondern bereits ausführliche Dokumentationen der Modelle bzw. eigenständige Abschlussberichte
vor.
III.4. Verwertbarkeit der Ergebnisse
Wirtschaftliche Verwertbarkeit
In Anbetracht der in die Billionen DM veranschlagten Kosten sowohl einer Anpassungsstrategie als auch einer Strategie zur weitgehenden Vermeidung des Klimawandels kann die
- 137 -
wirtschaftliche Bedeutung eines besseren Verständnisses der relevanten komplexen Zusammenhänge (und damit einer verbesserten Grundlage für diesbezügliche politische Entscheidungen) kaum hoch genug eingeschätzt werden.
Wissenschaftliche Bedeutung und Verwertbarkeit
Im Rahmen des ICLIPS-Projektes wurden die konzeptionellen und methodischen Grundlagen des Leitplankenansatzes erarbeitet. Dieser stellt einen entscheidungstheoretischen Rahmen
für die wissenschaftsbasierte Politikberatung zu Umweltfragen dar, der auch außerhalb der
Problematik des globalen Klimawandels anwendbar ist. Das integrierte ICLIPS-Modell, das
eine exemplarische Umsetzung dieses Ansatzes repräsentiert, beinhaltet ein ausgereiftes
Instrumentarium zur umfassenden Analyse verschiedener Leitplankensetzungen sowohl in
Bezug auf die damit verträglichen Emissionsspielräume als auch in Bezug auf kostenoptimale
Emissionspfade. In Analogie zu anderen entscheidungstheoretischen Ansätzen (z. B. der
Kosten-Nutzen-Analyse) sind weitere konkrete Implementationen denkbar und zu begrüßen.
Die wissenschaftliche Bedeutung der Ergebnisse ist aufgrund des innovativen Charakters des
Leitplankenansatzes, der Vielzahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen sowie aufgrund
der sehr positiven internationalen Resonanz als sehr hoch einzuschätzen. Eine ausführliche
Darstellung hierzu findet sich in unserer Stellungnahmne “Angaben zur internationalen Beurteilung der bisherigen Leistungen des ICLIPS-Projektes” vom 20.7.1999, die dem BMBF vorliegt.
Innerhalb des ICLIPS-Projektes konnten vielfältige Kontakte zu wissenschaftlichen Einrichtungen im In- und Ausland aufgebaut bzw. vertieft werden. Diese Verbindungen stellen die
Grundlage für eine fruchtbare wissenschaftliche Zusammenarbeit auch außerhalb dieses Projektes dar und stärken die Position der deutschen Forschung zum Globalen Wandel in der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft.
III.5. Erfindungen, Schutzrechtsanmeldungen und erteilte
Schutzrechte
Nichts zu berichten.
III.6. Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben
Nichts zu berichten.