Klimamodelle – die Simulation der Wirklichkeit

Als Wetter bezeichnen wir den aktuellen Zustand der Atmosphäre. Wetter äußert sich als Wind, Regen, Bewölkung oder Sonnenschein, ist also für jeden Menschen spürbar und ändert sich kurzfristig in Stunden oder Tagen. Klima dagegen beschreibt den langfristigen Zustand der Atmosphäre und des Ozeans über Jahrzehnte, Jahrhunderte und Jahrtausende. Zur Ermittlung wird die statistische Verteilung meteorologischer Größen, die auch zur Bestimmung des Wetters dienen, über einen längeren Zeitraum – meistens über die sogenannte Normalperiode von 30 Jahren – erfasst. Klimatische Veränderungen zum Beispiel durch Treibhausgasemissionen vollziehen sich also im Vergleich zum Wetter viel langsamer und sind in der Regel nicht unmittelbar spürbar.

Niemand kann heute genau vorhersagen, wie das Klima der Zukunft aussieht. Denn insbesondere beim Faktor Mensch sind noch viele Fragen offen. Wie viel Kohlendioxid und andere Treibhausgase wird die Menschheit noch ausstoßen? Werden die Emissionen in den kommenden Jahrzehnten steigen, gleichbleiben oder sinken? Und wie stark werden die Wälder der Erde noch abgeholzt? Deshalb spielen Klimamodelle bei ihren Prognosen nach dem „Was-wäre-wenn?“-Prinzip verschiedene Möglichkeiten durch. Der Weltklimarat hat dazu eine Reihe von Entwicklungsszenarien beschrieben, an denen sich die Modellierer-Teams orientieren. In der öffentlichen Berichterstattung wird vor allem das „Business-as-usual“-Szenario aufgegriffen. Dieses auch als „Worst-Case“-Szenario bezeichnete Zukunftsbild geht von einer Weltwirtschaft aus, die im Prinzip so weiter macht wie bisher, einen hohen Verbrauch an fossilen Brennstoffen hat und deshalb viel Kohlendioxid ausstößt. 

Wie können Forschende sicherstellen, dass alle klimarelevanten Prozesse auch wirklichkeitsgetreu enthalten sind – das Modell also ein gutes Modell ist? Dazu schauen sie in die Vergangenheit. Auf der ganzen Welt gibt es natürliche Klimaarchive – die Sedimente am Grund der Ozeane, das uralte Eis in Arktis und Antarktis, Holz für Baumringanalysen und einige mehr. Darin enthalten sind sogenannte Proxydaten, aus denen Wissenschaftler:innen das Klima der vergangenen Jahrtausende – etwa die Temperatur oder die Niederschlagsverteilung – rekonstruieren können. Für den Klimawandel besonders entscheidend ist die jüngere Vergangenheit seit Beginn der Industrialisierung. Hier existieren direkt gemessene Wetterdaten, die die Modellierer:innen nutzen. Ein gutes Klimamodell startet seine Berechnungen in der Vergangenheit und kann diese korrekt simulieren, liefert also Ergebnisse, die gut zu den rekonstruierten und gemessenen Daten passen. Nach erfolgreichen Testläufen durch die Vergangenheit ist das Modell dann bereit für die Berechnung der Zukunft. Um sich auch hier abzusichern, kommen die verschiedenen Klimamodellierer-Teams aus aller Welt regelmäßig zusammen und testen die Programme. Dazu füttern sie ihre Klimamodelle mit denselben Ausgangsdaten und vergleichen dann die Ergebnisse der Simulationen – beispielsweise die durchschnittlichen Temperaturwerte für Nordwesteuropa im Jahr 2100. Die Unterschiede in diesen Simulationen sind ein wertvolles Indiz für die Unsicherheit der verschiedenen Modelle.

Die verschiedenen „Was-wäre-wenn?“-Szenarien der Klimamodelle machen deutlich, mit welchen Folgen des Klimawandels in den kommenden Jahrzehnten zu rechnen ist, wenn die Treibhausgasemissionen nicht reduziert werden. Darüber hinaus zeigen sie, welche Folgen vermieden oder abgemildert werden können, wenn entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Dabei geht es nicht nur um so abstrakte Dinge wie die global gemittelte Oberflächentemperatur, sondern um ganz konkrete Dinge wie die Intensität von Stürmen, Dürren und Starkregen, die zu erwartenden Ernte-Erträge oder das Ausmaß von Sturmfluten und Hitzewellen. Für die Politik ist das eine wichtige Richtschnur. Sie muss zum einen entscheiden, welchen Weg die Menschheit einschlagen will, welches Szenario Wirklichkeit wird. Zum anderen muss sie auch Anpassungsmaßnahmen auf den Weg bringen, um die Gesellschaft vor dem zu wappnen, was auf sie zukommt.

Der Weltklimarat IPCC fasst in seinen Sachstands- und Sonderberichten regelmäßig die Ergebnisse zahlreicher Klimamodelle zusammen. Im sechsten Sachstandsbericht (2021/22) prognostiziert der IPCC für ein Szenario mit starker Reduktion der Treibhausgasemissionen einen globalen Meeresspiegelanstieg von 28-55 Zentimetern bis 2100. Stößt die Menschheit auch weiterhin sehr hohe Mengen CO₂ aus, könnten die weltweiten Pegel sogar um 63-101 Zentimeter steigen. Die globale Durchschnittstemperatur hat sich im Vergleich zur vorindustriellen Zeit schon heute um über 1 Grad Celsius erhöht. Abhängig vom Szenario prognostiziert der IPCC einen Anstieg von 1,5 bis 4 Grad Celsius bis 2100. Dies führt in jedem Szenario zu einer Zunahme von extremen Wetterereignissen wie Dürrekatastrophen oder Starkniederschlägen. Bleibt die weitere Erwärmung in einem günstigen Szenario unter 1,5 Grad Celsius ist laut IPCC das Risiko geringer, dass bestimmte Kipp-Punkte im Klimasystem überschritten werden. Diese Aussage ist die Basis für das „1,5-Grad-Ziel“ aus dem Übereinkommen von Paris, in dem sich die Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen zu Anstrengungen verpflichtet haben, die globale Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius bis 2100 zu begrenzen. 

Ein Kipp-Punkt ist eine kritische Grenze im Klimasystem. Wird sie überschritten, drohen zum Teil katastrophale und unumkehrbare Folgen. Ein gutes Beispiel für ein solches Kipp-Element ist das Abschmelzen des Eisschildes auf Grönland. Wird eine bestimmte globale Durchschnittstemperatur überschritten, könnte der schon jetzt schwindende grönländische Eispanzer so instabil werden, dass sein vollständiges Abschmelzen selbst bei künftiger Reduktion von Treibhausgasemissionen nicht mehr aufzuhalten ist. Verschwindet der Eisschild komplett, hätte allein das einen Anstieg des Meeresspiegels von bis zu sieben Metern zur Folge. Darüber hinaus könnte das Schmelzwasser die Ozeanströmungen beeinflussen und so zu massiven Veränderungen im Klima, vor allem rund um den Nordatlantik, führen.

Wie gut die Klimamodelle sind, hängt vor allem davon ab, wie gut die verschiedenen Klimamodellierer-Teams die biologischen, chemischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre und in den Ozeanen mit den Programmcodes nachvollziehen können. Besonders schwierig ist es beispielsweise zu berechnen, wie sich die Bewölkung mit dem Klimawandel ändert – und das wiederum kann Auswirkungen in beiderlei Richtungen haben. Solche Änderungen könnten die Erderwärmung maßgeblich verstärken – oder auch abschwächen. Denn Wolken können mit dem Sonnenlicht und mit der von der Erde abgegebenen Wärmestrahlung unterschiedlich interagieren. Zum einen reflektieren sie das Sonnenlicht sehr stark, wodurch sie eher abkühlend wirken. Andererseits können sie die Erwärmung der Erde auch verstärken, indem sie ähnlich wie Treibhausgase wirken.

Bei der Klimamodellierung kommt es auf Kooperation an. Denn so lassen sich die Stärken einzelner Forschungseinrichtungen verbinden und bündeln. Um die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre darzustellen, nutzen die AWI-Expert:innen spezielle Atmosphärenmodelle wie das ECHAM[TS1]-Modell, das vom Max-Planck-Institut für Meteorologie entwickelt wurde, und das neuere IFS-Modell, das vom Europäischen Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersagen entwickelt wurde. Diese Modelle berücksichtigen jedoch nicht im Detail die Prozesse im Ozean, obwohl diese einen erheblichen Einfluss auf das Klima haben. Deshalb wurde am AWI ein spezielles Ozeanmodell namens FESOM entwickelt, das unter anderem Meeresströmungen und Meereis simuliert. Für ihre Klimarechnungen haben die AWI-Forscher:innen die Atmosphärenmodelle und FESOM zu gemeinsamen Modellen gekoppelt und bezeichnen dies als „AWI-Klimamodell“. Damit sind Klimarechnungen möglich, die nicht nur die Atmosphäre, sondern auch das Meer im Detail betrachten.

Mit dem AWI-Klimamodell können Simulationen sowohl auf der globalen Skala als auch im Detail für bestimmte Regionen durchgeführt werden. Das liegt nicht zuletzt an den besonderen Eigenschaften von FESOM. Anders als viele andere Ozeanmodelle verwendet FESOM keine Würfel als Gitterboxen. Stattdessen arbeitet es mit der Finite-Volumen-Methode. Vereinfacht ausgedrückt wird dabei auf den Globus ein flexibles Netz aus Dreiecken gelegt. Anstelle von Würfeln entstehen so Prismen. Der Vorteil: Man kann die Dreiecke größer und kleiner ziehen und damit bestimmte Gebiete genauer auflösen - zum Beispiel einzelne Meeresströmungen. Mit dieser Methode haben die AWI-Forscher:innen zum Beispiel das Klimaphänomen El Niño mit feiner Auflösung über mehrere Jahrhunderte simulieren können. In einem anderen Fall berechneten die Forscher:innen, wie sich künftig die Strömungen unter dem Schelfeis der Antarktis verändern könnten.

Da bei jedem Schritt für jede Gitterbox viele physikalische Formeln und Werte verarbeitet werden, ist die Datenmenge immens. Deshalb benötigen Klimamodellierer:innen leistungsstarke Großrechner. Die AWI-Expert:innen nutzen für ihre Klimasimulationen unter anderem den Supercomputer am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) in Hamburg, auf den sie per Internetverbindung zugreifen.