FAQ 12.1 | Warum werden so viele Modelle und Szenarien benutzt, um den Klimawandel zu projizieren?

Das zukünftige Klima wird zum Teil von der Menge zukünftiger Emissionen von Treibhausgasen, Aerosolen und anderen natürlichen und anthropogenen Antriebsfaktoren bestimmt. Diese Antriebsfaktoren stammen von außerhalb des Klimasystems, beeinflussen aber sein Verhalten. Das zukünftige Klima wird von der Reaktion der Erde auf diese Antriebsfaktoren sowie der dem Klimasystem innewohnenden internen Variabilität gestaltet. Eine Bandbreite von Annahmen über die Menge und das Tempo zukünftiger Emissionen hilft Wissenschaftlern, verschiedene Emissionsszenarien zu entwickeln, auf denen Klimamodellprojektionen basieren. Verschiedene Klimamodelle bieten indes alternative Darstellungen der Reaktion der Erde auf diese Antriebsfaktoren und der natürlichen Klimaschwankungen. Zusammengenommen beschreiben Modellensembles eine Bandbreite möglicher Zukünfte, indem sie die Reaktion auf eine Bandbreite verschiedener Szenarien simulieren, und helfen uns, deren Unsicherheiten zu verstehen.

Sozioökonomische Entwicklungen sind wohl noch schwieriger vorherzusagen als die Entwicklung eines physikalischen Systems. Dazu gehören Vorhersagen über das Verhalten von Menschen, politische Entscheidungen, technologischen Fortschritt, internationalen Wettbewerb und Zusammenarbeit. Der übliche Ansatz verwendet Szenarien plausibler zukünftiger sozioökonomischer Entwicklung, aus denen zukünftige Treibhausgasemissionen und andere Antriebsfaktoren abgeleitet werden. Im Allgemeinen war es nicht möglich, einzelnen Antriebsszenarien Eintrittswahrscheinlichkeiten zuzuordnen. Vielmehr wird eine Vielzahl von Alternativen verwendet, um eine Bandbreite von Möglichkeiten zu erstellen. Die Ergebnisse aus verschiedenen Antriebsszenarien bieten Entscheidungsträgern Alternativen und eine Bandbreite verschiedener abzuwägender Zukunftsversionen.

Interne Schwankungen im Klima werden spontan durch Wechselwirkungen zwischen Komponenten wie beispielweise der Atmosphäre und dem Ozean hervorgerufen. Im Falle von zeitnaher Klimaänderung können sie die Auswirkung externer Störungen, wie steigender Treibhausgaskonzentrationen, verdecken (siehe Kapitel 11). Langfristig erwartet man jedoch, dass die Auswirkung externer Antriebsfaktoren dominiert. Klimamodellsimulationen projizieren, dass nach einigen Jahrzehnten unterschiedliche Szenarien zukünftiger anthropogener Treibhausgase und anderer Antriebsfaktoren – und die Reaktion des Klimasystems darauf – die Änderung der mittleren globalen Temperatur unterschiedlich beeinflussen werden (siehe FAQ 12.1, Abbildung 1, linke Tafel). Daher ist es von höchster Bedeutung, die Konsequenzen dieser unterschiedlichen Szenarien und Reaktionen zu bewerten, besonders, wenn politische Entscheidungen erwogen werden.

Klimamodelle basieren auf den physikalischen Gesetzen, die unser Klimasystem steuern, und auf empirischen Erkenntnissen und bilden die komplexen, miteinander wechselwirkenden Prozesse ab, die benötigt werden, um Klima und Klimawandel sowohl in der Vergangenheit wie auch der Zukunft zu simulieren. Analogien zu vergangenen Beobachtungen oder Extrapolationen aus aktuellen Trends sind unzulängliche Strategien zur Erstellung von Projektionen, da  die Zukunft nicht zwangsläufig eine einfache Fortsetzung von dem sein wird, was wir bisher gesehen haben.

Obwohl es möglich ist, die Strömungsgleichungen niederzuschreiben, die das Verhalten der Atmosphäre und der Ozeane bestimmen, ist es unmöglich, diese ohne die Verwendung numerischer Algorithmen in Computermodellsimulationen zu lösen, ähnlich wie auch die Luftfahrzeugtechnik auf numerischen Simulationen ähnlicher Gleichungstypen angewiesen ist. Darüber hinaus können viele kleinskalige physikalische, biologische und chemische Prozesse, wie Wolkenprozesse, durch diese Gleichungen nicht beschrieben werden, entweder, weil wir nicht über die entsprechende Computerleistung verfügen, um das System in einer für die direkte Simulation dieser Prozesse ausreichend feinen Auflösung zu beschreiben, oder, weil wir immer noch ein unvollständiges wissenschaftliches Verständnis über die Mechanismen haben, die diese Prozesse antreiben. Diese müssen stattdessen durch sogenannte Parametrisierungen innerhalb der Klimamodelle angenähert werden, durch die eine mathematische Beziehung zwischen direkt simulierten und angenäherten Größen hergestellt wird, oft auf der Basis von beobachtetem Verhalten.

Angesichts der Einschränkungen in der Computerrechnung und in den Beobachtungen gibt es eine Vielzahl alternativer und gleichermaßen plausibler numerischer Darstellungen, Lösungen und Näherungen, um das Klimasystem zu modellieren. Diese Vielfalt wird als solider Aspekt der Klimamodellierungsgemeinschaft betrachtet und führt zu einer Bandbreite plausibler Projektionen des Klimawandels auf globalen und regionalen Skalen. Diese Bandbreite bietet einen Ausgangspunkt für die Quantifizierung von Unsicherheiten in den Projektionen. Weil aber die Anzahl der Modelle relativ gering und die Bereitstellung von Modellergebnissen in öffentlichen Archiven freiwillig ist, ist die Auswahl an möglichen Zukunftsprojektionen weder systematisch noch umfassend. Außerdem verbleiben einige Unzulänglichkeiten, die allen Modellen gemein sind; haben unterschiedliche Modelle unterschiedliche Stärken und Schwächen; ist es noch nicht klar, welche Aspekte der Qualität der Simulationen, die durch Beobachtungen evaluiert werden können, unsere Evaluierung zukünftiger Modellsimulationen leiten sollten.

Modelle unterschiedlicher Komplexität werden üblicherweise für verschiedene Projektionsfragestellungen genutzt. Ein schnelleres Modell mit geringerer Auflösung oder eine vereinfachte Beschreibung einiger klimatischer Prozesse bietet sich an, wenn lange Simulationen über mehrere Jahrhunderte hinweg erforderlich sind, oder wenn viele Realisierungen benötigt werden. Vereinfachte Modelle können großskalige Durchschnittsgrößen wie die mittlere globale Temperatur hinreichend gut darstellen, aber feinere Details wie regionaler Niederschlag können nur von komplexen Modellen simuliert werden.

Die Koordination von Modellexperimenten und -ergebnissen durch Gruppen wie das Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), das World Climate Research Program und seine Arbeitsgruppe zu Klimamodellen führte dazu, dass die Wissenschaftsgemeinschaft ihre Anstrengungen verstärkt hat, die Fähigkeiten der Modelle zu bewerten, vergangenes und gegenwärtiges Klima zu simulieren und Projektionen des zukünftigen Klimawandels zu vergleichen. Der „Multi-Modell“-Ansatz ist in den Klimawissenschaften inzwischen eine Standardtechnik, um Projektionen einer bestimmten Klimavariablen zu bewerten.

FAQ 12.1, Abbildung 1, rechte Tafeln, zeigt die Temperaturreaktion bis Ende des 21. Jahrhunderts für zwei Beispielmodelle und das höchste bzw. niedrigste RCP-Szenario. Die Modelle stimmen hinsichtlich großskaliger Erwärmungsmuster an der Oberfläche überein, beispielsweise, dass sich das Land schneller erwärmen wird als der Ozean und die Arktis schneller als die Tropen. Aber sie unterscheiden sich sowohl in der Stärke ihrer globalen Reaktion auf das gleiche Szenario, als auch in kleinskaligen, regionalen Aspekten der Reaktion. Zum Beispiel unterscheidet sich das Ausmaß der arktischen Verstärkung bei verschiedenen Modellen; einige Modelle zeigen eine schwächere Erwärmung oder eine leichte Abkühlung des Nordatlantiks als Ergebnis der sich abschwächenden Tiefenwasserbildung und von Verschiebungen von Ozeanströmungen.

Es gibt unvermeidbare Unsicherheiten bei zukünftigen externen Antriebsfaktoren und der Reaktion des Klimasystems darauf, die durch die intern erzeugte Variabilität weiter kompliziert werden. Die Verwendung von mehreren Szenarien und Modellen ist zu einer üblichen Vorgehensweise geworden, um sie zu bewerten und zu charakterisieren. Dadurch können wir eine große Bandbreite an möglichen Zukunftsentwicklungen des Klimas der Erde beschreiben.

FAQ 12.1, Abbildung 1 | Über alle Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5)-Modelle gemittelte Änderung der mittleren globalen Temperatur (gegenüber 1986 –2005) für die vier Representative Concentration Pathway (RCP)-Szenarien: RCP2.6 (dunkelblau), RCP4.5 (hellblau), RCP6.0 (orange) und RCP8.5 (rot); 32, 42, 25 und 39 Modelle wurden für diese vier Szenarien jeweils verwendet. Wahrscheinliche Bereiche der globalen Temperaturänderung bis Ende des 21. Jahrhunderts werden durch vertikale Balken angezeigt. Dabei gilt es zu beachten, dass diese Bereiche für den Unterschied zwischen zwei 20-Jahres-Mittelwerten, 2081–2100 im Verhältnis zu 1986 –2005, gelten, weshalb die Balken auf einen niedrigeren Wert zentriert sind als den Endpunkt der jährlichen Verläufe. Für das höchste (RCP8.5) und das niedrigste (RCP2.6) Szenario werden zur Veranschaulichung Karten der Oberflächentemperaturänderung Ende des 21. Jahrhunderts (2081–2100 relativ zu 1986 –2005) für zwei CMIP5-Modelle gezeigt. Diese Modelle sind so gewählt, dass sie einen eher breiten Reaktionsbereich zeigen. Diese spezielle Zusammenstellung ist jedoch nicht repräsentativ für irgendein Maß der Unsicherheit der Modellreaktion.