Das Klima unter der Lupe

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1 Beobachten Modellieren Beraten Das Klima unter der Lupe

2 Was ist Klima? Der Ausdruck Klima bezeichnet in seinem allgemeinsten Sinne alle Veränderungen der Atmosphäre, die unsere Organe merklich afficieren Alexander von Humboldt ( ), deutscher Naturforscher Für die Geschichte des Klimas sind alte Bäume lebende Zeugen. Die ältesten Linden und Eichen Deutschlands haben in ihren Wachstumsringen tausend und mehr Jahre archiviert. Mal hat die Witterung das Pflanzenwachstum gefördert, mal behindert, auf Warmperioden folgten kleine Eiszeiten. Wetter, Witterung, Klima: Mit diesen drei Begriffen beschreibt die Meteorologie und Klimatologie Vorgänge, die in der Atmosphäre in verschieden langen Zeiträumen ablaufen. Das Wetter umfasst wenige Tage, die Witterung bis zu einer Jahreszeit, das Klima Jahre bis hin zu geologischen Zeitaltern. Die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) definiert Klima wissenschaftlich präzise als Synthese des Wetters über einen Zeitraum, der lange genug ist, um dessen statistische Eigenschaften bestimmen zu können. Die Natur steuert das Erdklima auf vielfältige Weise, auch über die Konstellation unseres Planeten im Sonnensystem: Die Neigung der Erdachse zur Sonne und ihr Abstand von der Sonne sorgt in unseren Breitengraden für vier Jahreszeiten mit ausgeprägten Witterungsunterschieden. Bereits antike Denker wie Aristoteles ( v. Chr.) erkannten diesen Zusammenhang, weshalb Klima vom altgriechischen Wort klĩma für Neigung kommt. Blick vom Wendelstein Foto Claudia Hinz 2

3 Der Hitzesommer 2003 brach alle Rekorde: Die rechte Karte zeigt die Temperaturabweichung im Sommer 2003 vom Temperaturmittel der Sommer der Referenz periode 1961 bis 1990 (linke Karte) Die Wetter- und Klimabeobachtung des DWD unterstützt die Windkraftnutzung in Deutschland Das Klima der Erde ändert sich permanent, die Klimatologie nennt das natürliche Klimavariabilität. Dies geschieht auf kürzerer Zeitskala durch vielfältige Wechselwirkungen im Klimasystem, längerfristig zum Beispiel durch Vulkanausbrüche, Drift der Kontinente und Veränderungen der Erdbahn. Doch seit Beginn der Industrialisierung dreht auch der Mensch an der Klimaschraube. Seitdem wird es wärmer. Ein unübersehbares Zeichen ist das rapide Abschmelzen von Gletschereis und Meereis in der Arktis. Doch wie stark ist der Mensch dafür verantwortlich? Welcher Anteil ist natürlich? Die Suche nach den Ursachen ist eine zentrale Aufgabe der Klimaforschung. Der Klimawandel ist global, aber wird er auch unser direktes Lebensumfeld in Deutschland beeinflussen? Bei Fragen zu weltweiten und hiesigen, regionalen Folgen des Klimawandels kommt der Deutsche Wetterdienst (DWD) ins Spiel. Er überwacht das Klima in Deutschland und nutzt Klimamodelle, um zukünftige Klimaänderungen abschätzen zu können. Damit können Aussagen über Auswirkungen des Klimawandels auf unsere Umwelt gemacht werden. Die Qualität der Klimamodelle lässt sich überprüfen, indem man die Klimaveränderung der Vergangenheit mit dem Modell nachberechnet und das Ergebnis mit der tatsächlichen Klimaveränderung in diesem Zeitraum vergleicht. Hierfür sind die Klimaarchive des Deutschen Wetterdienstes besonders wertvoll. Bei einigen seiner Stationen reichen die Zeitreihen an Wetterbeobachtungen bis ins 18. Jahrhundert zurück. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts kamen mit dem wachsenden meteorologischen Messnetz immer mehr und genauere Wetterdaten hinzu. Der Deutsche Wetterdienst konnte durch wissenschaftliche Auswertung seiner Archive zeigen, wie sich das Klima in Deutschland geändert hat: Seit 1881 stieg die Jahresmitteltemperatur um 1,2 Grad Celsius, also schneller als der weltweite Durchschnitt von etwa 0,8 Grad (seit 1900). Zudem nahmen im Winter die durchschnittlichen Niederschlagsmengen um fast zwanzig Prozent zu, im Sommer blieben sie ungefähr gleich. Auf den Klimawandel und seine Folgen für unser Land konzentriert sich der Deutsche Wetterdienst als staatlicher Klimaberater. Der Bedarf an dieser Beratung wächst. Die Bundesregierung benötigt sie für ihre 2008 gestartete Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel. Kommunen und Länder wollen etwa wissen, wie sie Hochwasserschutzanlagen, Deiche oder kommunale Abwassersysteme für die kommenden Jahrzehnte auslegen müssen. Fehlentscheidungen können schlimmstenfalls sogar Leben von Menschen gefährden. Ein Großteil der Naturkatastrophen in Deutschland wird vom Wetter verursacht. Deshalb suchen Entscheider aus Politik, Verwaltung und Wirtschaft den Rat der Klimaexpertinnen und -experten des Deutschen Wetterdienstes. Andere Beispiele: Bei der Planung einer Photovoltaikanlage können Daten des Deutschen Wetterdienstes über die jährliche Sonneneinstrahlung in einzelnen Regionen genutzt werden. Für die Planung von Windenergieanlagen bietet der Deutsche Wetterdienst detaillierte Winddaten an. Alle Dienstleistungen basieren auf den technischen Ressourcen und internationalen Kooperationen, über die nur ein großer nationaler Wetterdienst verfügt. 3

4 Die Vermessung des Klimas Die Klimalehre wird die Aufgabe haben, uns den mittleren Zuständen der Atmosphäre über verschiedenen Teilen der Erdoberfläche bekannt zu machen. Julius Ferdinand von Hann ( ), österreichischer Meteorologe Der DWD sammelt und analysiert Niederschlagsdaten aus aller Welt: Die Grafik zeigt die Abweichung im Frühjahr 2013 vom langjährigen Frühjahrsmittel des Zeitraums 1961 bis 1990 Besonders wichtige Klimaparameter sind Temperaturen und Niederschlagsmengen. Sie werden über größere Zeiträume gemittelt. Ändern sie sich langfristig, kann sich das direkt auf unsere Lebensumstände auswirken, zum Beispiel weil die Winter milder werden oder wir häufiger mit Hitzewellen rechnen müssen. Hinzu kommen eine Reihe weiterer Parameter, die das Klima beschreiben. Die Bodentemperatur Ende April zum Beispiel stieg in Deutschland von 1962 bis 2012 von durchschnittlich 11 C auf 16 C, was sich auf das Pflanzenwachstum und damit auf die Landwirtschaft auswirkt. Dafür hat die Schneebedeckung hierzulande im Winter im Mittel abgenommen, mit Folgen für den Wintertourismus. 4

5 Aus der Vielzahl unterschiedlicher meteorologischer Messsysteme kommen weitere Daten hinzu. Um den Klimawandel dingfest zu machen, muss man allerdings die heutigen Klimadaten verlässlich mit früheren Daten vergleichen können. Dazu hat die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) eine dreißigjährige Zeitreihe aus der Vergangenheit als Vergleichsbasis definiert. Diese Referenzperiode umfasst den Zeitraum von 1961 bis 1990 und definiert den klimatologischen Normalzustand. Der Deutsche Wetterdienst verwendet zusätzlich Klimadaten der jüngeren Periode , da in diese viele der wärmsten Jahre seit Aufzeichnungsbeginn fallen. Sie beschreibt also unser heutiges Klima besser. Bäume und allgemein Pflanzen sind gute Klimabotschafter. Die langfristige Beobachtung der jährlichen Vegetationsphasen ausgewählter Pflanzen gibt verlässliche Hinweise darüber, ob sich das örtliche Klima verschiebt. Heute blühen zum Beispiel die Apfelbäume in Deutschland im Schnitt 14 Tage früher als vor fünfzig Jahren. Die Lehre von den pflanzlichen Erscheinungen, die Phänologie, leistet also einen bedeutenden Beitrag zur Klimatologie. Deshalb unterhält der Deutsche Wetterdienst in Deutschland rund 1300 phänologische Beobachtungsstellen. Der DWD erstellt im Auftrag der Weltorganisation für Metorologie jährlich einen Bericht über das Klima in Europa und dem Mittleren Osten werden Klimadaten verarbeitet. Entsprechend immens ist der Aufwand, der zum Beispiel hinter dem schlichten ersten Satz des Bulletins von 2007 steckt: In vielen Orten unserer Region war es das wärmste oder zweitwärmste Jahr seit Anfang der Messungen. Der Deutsche Wetterdienst spielt als einer der weltweit größten nationalen Wetterdienste eine zentrale Rolle im internationalen Daten- und Informationsaustausch. Nur solche Anstrengungen verschaffen den Klimatologen eine möglichst genaue Datenbasis, mit der sie den globalen Klimawandel bis ins regionale Detail verfolgen können. Die Analysen des Klimabulletins fließen wiederum in den jährlichen WMO-Bericht zum Zustand des globalen Klimas ein. Diese Beispiele zeigen die Vielfalt an Daten, die Klimatologen des Deutschen Wetterdienstes zu einer Gesamtschau verarbeiten. Sie prüfen diese auf ihre Qualität und bringen sie in eine einheitliche Darstellungsform. Ein wichtiges Ergebnis ist der Deutsche Klimaatlas. Dort können alle Online-Besucher das Klima ihrer Region in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft ansehen, dargestellt in Karten und Diagrammen. Da die Vielzahl an Informationen schwer zu überschauen ist, fasst der Deutsche Wetterdienst sie in speziellen Dokumenten zusammen. Diese vermitteln Bürgerinnen und Bürgern sowie Nutzern aus Politik, Wirtschaft und Forschung ein Gesamtbild vom Zustand des Klimas. Das Klima kennt keine Landesgrenzen. Folgerichtig nimmt der Deutsche Wetterdienst seine internationale Verantwortung sehr ernst. Er gibt jedes Jahr im Auftrag der WMO das Klimabulletin für die Region VI der WMO heraus, die Europa und den Nahen Osten mit rund 50 Ländern umfasst. Aus diesen Ländern Klimawandel in Deutschland: Temperaturanstieg um 1,2 C seit dem Jahr 1881 Anstieg der Niederschlagsmenge um fast 20 Prozent im Winter, im Sommer unverändert Apfelblüte im Schnitt 14 Tage früher als vor fünfzig Jahren Schneebedeckung nimmt im Schnitt ab Globaler Klimawandel: Temperaturanstieg um 0,8 C seit im Schnitt wärmste Dekade seit Beginn der regelmäßigen Wetteraufzeichnungen Rekordverlust an arktischem Meereis im Jahr 2012 Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre im Vergleich zum vorindustriellen Zeitalter vor 1750: Kohlendioxid: 2012 um 41 Prozent höher Methan: 2012 um 161 Prozent höher Lachgas: 2012 um 20 Prozent höher Meeresspiegelanstieg: um durchschnittlich 3 mm pro Jahr durch abschmelzende Gletscher und Wärmeausdehnung des Wassers 5

6 Das Klima gestern und heute Klima ist eine Funktion der Zeit. Es wechselt; es ist Gegenstand von Fluktuationen; es hat eine Geschichte. Emmanuel Le Roy Ladurie (*1929), französischer Historiker C Es wird wärmer in Deutschland: Die Grafik zeigt die Jahresmitteltemperaturen von 1881 bis Die schwarze Linie steht für den Mittelwert der neueren Referenzperiode 1981 bis Die rote Linie stellt den langfristigen Trend als 30jähriges, gleitendes Mittel dar. Auf der rechten Achse können die Jahresmitteltemperaturen auch als Abweichung von dem Mittelwert der Referenzperiode abgelesen werden. Nicht nur alte Bäume sind lebende Archive der Klimageschichte. Auch die Datenarchive des Deutschen Wetterdienstes leben gewissermaßen, denn sie wachsen Jahr für Jahr. Gigantische hundert Milliarden Wetterbeobachtungen aus dem Stationsnetz hat der Deutsche Wetterdienst inzwischen angesammelt. Mit seinem Climate Data Center (CDC) (Kasten S. 19) ermöglicht der Deutsche Wetterdienst den zentralen Zugang auf alle historischen und aktuellen Klimadaten, die in seinem Archiv liegen. Das CDC wird künftig auch die projizierten Klimadaten enthalten. Das betrifft vor allem die Klimadaten aus Deutschland, aber auch umfangreiche Datenbestände aus Europa und der ganzen Welt. Basis der Daten sind konventionelle Beobachtungen über dem Land und Meer und zunehmend auch Fernerkundungsdaten von Satelliten und Wetterradaranlagen. Ein wichtiger Bestandteil des CDC ist ein Datenkatalog mit einer standardisierten Beschreibung aller vorhandenen Daten. Die wissenschaftlich aufgearbeiteten Klimadaten für Deutschland reichen derzeit rund 130 Jahre zurück, für einzelne Stationen sogar noch deutlich länger. 6

7 Im Seewetteramt des DWD in Hamburg lagern rund Schiffstagebücher, die Schritt für Schritt für die Klimaforschung erschlossen werden. Besonders wertvoll sind die Wetteraufzeichnungen des meteorologischen Observatoriums auf dem Hohenpeißenberg seit 1781 und die Beobachtungen des Observatoriums Lindenberg, das unter anderem in der Lindenberger Säule einen 35 Kilometer hohen Ausschnitt der Atmosphäre überwacht. Allerdings muss man historische Aufzeichnungen erst verwendbar machen. Die Klimatologen prüfen sie dazu wissenschaftlich und bringen sie in eine mit heutigen Daten vergleichbare Form. Dazu gehört ein möglichst genaues Wissen über die Lage einer Station und die dort eingesetzten Messinstrumente. Bei der historischen Zeitreihe vom Hohenpeißenberg sind Metadaten, die zum Beispiel Informationen über die alten Messgeräte enthalten, gut dokumentiert. Doch bei vielen anderen Datenquellen, vor allem in abgelegenen Regionen der Erde, müssen die Klimatologen mit detektivischem Spürsinn vorgehen. Weltweit einzigartig sind die Klimadatensammlungen des Weltzentrums für Niederschlagsklimatologie (WZN) und des globalen Maritimen Klimaarchivs (Global Collection Centre, GCC) in Hamburg. Beide Einrichtungen sind beim DWD angesiedelt. Mit ihnen übernimmt der Deutsche Wetterdienst zwei zentrale Aufgaben der internationalen Zusammenarbeit in der WMO. Das WZN besitzt bislang von rund 90 Prozent aller Staaten der Erde aktuelle und historische Daten Die Klimaarchive des DWD Nationale Klimadaten: ca. 100 Milliarden Beobachtungen aus Deutschland ca Regalmeter historische Aufzeichnungen Globale Niederschlagsdaten: Niederschlagsdaten seit 1840 mit über 40 Millionen monatlichen Niederschlagsmengen von knapp Stationen aus aller Welt Maritim-klimatologische Daten: pro Jahr über 1,5 Millionen Schiffswettermeldungen aus fast 20 Ländern insgesamt 300 Millionen Wettermeldungen von Schiffen, Automaten und Bojen aus allen Seegebieten seit 1850 über monatliche Niederschlagsmessungen. So liegen von fast Klimastationen aus aller Welt Niederschlagsdaten vor. Inzwischen reicht das WZN-Archiv bis etwa 1840 zurück. Derzeit arbeiten die Klimatologen des DWD auch daran, die globalen Niederschlagsdaten über Land mit den Niederschlagsdaten über den Ozeanen zu verknüpfen, die die Wettersatelliten liefern. Diese Herausforderung ist komplex, wird aber ein wesentlich genaueres Bild der Niederschläge auf der Erde liefern. Im Maritimen Klimaarchiv des Deutschen Wetterdienstes werden alle weltweit verfügbaren Daten zum Wetter auf den Ozeanen und in den Küstengewässern gesammelt. Wie bei Landstationen ist auch hier das Archivieren der Metadaten wichtig. Dazu zählt zum Beispiel die Bauform des Schiffes, denn sie bestimmt, wie hoch über der Meeresoberfläche ein Beobachter mit seinen Instrumenten steht. Neben dem Sammeln der aktuellen Daten ist aus klimatologischer Sicht auch das Aufarbeiten historischer Informationen in alten maritimen Beobachtungstagebüchern wichtig solcher meteorologischer Schiffsjournale liegen im Hamburger Archiv des Deutschen Wetterdienstes. Sie werden nach und nach elektronisch erfasst. Das älteste Buch ist von 1829 und stammt von der Bark Henriette. Solche historischen Quellen dokumentieren auch die damalige Häufigkeit extremer Wettereignisse wie Orkane oder tropische Wirbelstürme. 7

8 Woher kommen die Daten? Die Atmosphäre bildet einen riesigen Ozean über uns, aber einen wenig erforschten Ozean. Baden F. S. Baden-Powell ( ), britischer Major und Flugpionier 8

9 Satellitenblick auf die Erde Der Wetterradarverbund des DWD zeigt die Niederschlagsmengen einer Kaltfront am 14. Juli 2010 Wichtig für Photovoltaik-Betreiber: Der DWD berechnet die Globalstrahlung, hier für das Jahr 2012 Die Wetterdaten für die klimatologischen Archive liefern die Wetter- und Klimastationen sowie das Wetterradarsystem des Deutschen Wetterdienstes. Hinzu kommen Meldungen von Schiffen, Driftbojen, Flugzeugen, Radiosonden an Wetterballons und Satelliten (Datails beschreibt die DWD-Broschüre Das Wetter im Visier ). Inzwischen gewinnt der Blick per Satellit aus dem All auf die Erde auch in der Klimatologie an Bedeutung. Bei der Wettervorhersage ist er längst unverzichtbar. International spielt ein weltweites Netz von rund 2500 Landstationen eine besondere Rolle. Jede dieser Stationen meldet automatisch monatlich Daten in einem standardisierten Format. Der Deutsche Wetterdienst gehört zu den nationalen Wetterdiensten, die diese Daten im Auftrag der WMO akribisch prüfen und archivieren. Satelliten werden wichtiger Die Klimaüberwachung per Satellit ist ein noch sehr junges Gebiet. Satelliten haben den Vorteil, dass sie die Erdatmosphäre großflächig von oben überwachen. Einen besonders großen Abschnitt der Erdoberfläche überblicken geostationäre Wettersatelliten wie die europäische Meteosat-Serie. Sie parken in etwa Kilometern Höhe am Himmel und können so ihr Gebiet rund um die Uhr beobachten. Polarumlaufende Satelliten wie die europäische Metop-Serie, die nur rund 800 Kilometer hoch über die Pole hinweg ziehen, scannen dagegen die gesamte Erde schrittweise in schmalen Streifen ab. Wettersatelliten liefern flächendeckend Informationen zum Beispiel über Temperatur, Wasserdampfgehalt, Niederschlag, Strahlung und Windverhältnisse. Satelliten erfassen zudem großflächig die Bedeckung mit 9

10 Wolken oder Schnee. Helle Wolken und weiße Landflächen wirken wie Spiegel, die einen beachtlichen Teil der Strahlung von der Sonne ins All reflektieren. Diese kühlende Klimaanlage hat großen Einfluss auf das Erdklima. Das Messnetz des Deutschen Wetterdienstes knapp haupt- und nebenamtliche Wetterwarten, Wetter- und Niederschlagsstationen 17 Wetterradarstationen gut phänologische Stationen zur Pflanzenbeobachtung 9 Radiosondenstationen mit jährlich 7500 Wetterballonaufstiegen Wetterdaten von etwa 300 Flugzeugen Wettermeldungen von rund 750 Handelsschiffen Daten von Wettersatelliten wie Meteosat und Metop Allerdings genügt es nicht, einfach die Daten der Wettersatelliten zu archivieren. Ihre Bahnen schwanken und ihre Instrumente altern mit den Jahren. Für die tägliche Wettervorhersage ist das kein Problem, da sich die Abweichungen anhand anderer Informationsquellen ausgleichen lassen. Für die Klimatologen kann aber schon eine durchgehend um ein Zehntel Grad zu hoch liegende Temperatur die Frage entscheiden, ob sich das Klima ändert. Also müssen sie Messfehler akkurat herausrechnen. Satellitendaten liefern eine Fülle wichtiger Information, die den Klimatologen anders nicht zugänglich sind. Da ihre Auswertung besonderes Fachwissen erfordert, arbeiten Experten mehrerer europäischer Staaten unter dem Dach der Satellitengestützten Klimaüberwachung (Satellite Application Facility on Climate Monitoring, CM SAF) zusammen. Unter der Federführung des Deutschen Wetterdienstes unterstützt das CM SAF seit 2007 die globale Klimaüberwachung. Inzwischen decken die Klimazeitreihen aus den Satellitendaten die vergangenen dreißig Jahre ab. Auch der Ausbau erneuerbarer Energien profitiert von CM SAF, denn der Deutsche Wetterdienst erstellt daraus Karten mit Solarstrahlungsdaten für Europa und die Welt. Damit kann man zuverlässig Photovoltaik-Anlagen planen. Erste Smartphone-Apps helfen bereits, damit den Jahresertrag der eigenen Anlage zu errechnen. 10

11 a b c d Der Deutsche Klimaatlas: Klimadaten von 1881 bis 2100 unter a) Lufttemperatur b) Heiße Tage c) Vegetationsbeginn d) Waldbrandindex Wetterradar zur Klimaüberwachung Die Klimaüberwachung per Wetterradar ist ein neues Gebiet. Der Deutsche Wetterdienst arbeitet daran, seit er sein Netz von Wetterradarsystemen betreibt. Heute sind es 17 Stationen, die flächendeckende Informationen zum Niederschlag für ganz Deutschland liefern. Diese Information ist wichtig für die Warnung vor Unwettern und Überschwemmungen, denn kein anderes System liefert die Niederschlagsinformation in so hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Nur das Wetterradar kann kleinräumige, extreme und schadenträchtigen Niederschlagsereignisse erfassen. Deshalb sind diese einzigartigen Daten, die seit Anfang 2001 verfügbar sind, auch für die Klimatologie hoch interessant. Allerdings müssen sie dazu sorgfältig aufbereitet werden. Sie können Fragen beantworten helfen wie zum Beispiel, ob sich schwere Gewitter häufen und mehr Feuerwehreinsätze nötig machen. 11

12 Wie wird das Klima der Zukunft? Wenn Kohlendioxid der wichtigste Faktor [im Erdklima] ist, dann werden die Temperaturen in Langzeitaufzeichnungen kontinuierlich steigen, solange der Mensch die irdischen Reserven an fossilen Brennstoffen verbraucht. Gilbert Norman Plass ( ), kanadischer Physiker, im Jahr

13 Forscher arbeiten an Vorhersagen und Projektionen von Wetter und Klima aus einem Guss: Die Vorhersage des Wetters stützt sich fast ausschließlich auf den aktuellen Zustand der Atmosphäre. Je länger der Vorhersagezeitraum reicht, desto wichtiger werden andere Komponenten des Klimasystems wie der Ozean und die Eisbedeckung. Bei den Klimaprojektionen, die heute bis zum Ende des Jahrhunderts reichen, hängen die Ergebnisse der Projektionen nicht vom Anfangszustand ab, sondern vor allem von der vermuteten Entwicklung der Treibhausgas-Konzentrationen. Da besonders bei Zeiträumen, die kürzer als 10 Jahre sind, die natürlichen Einflüsse auf das Klima und dessen systemeigene Variabilität den menschengemachten Treibhauseffekt zeitweise überlagern können, sind Klimaprojektionen für das kommende Jahrzehnt bisher wenig aussagekräftig. Es besteht zwischen der Langfristvorhersage und den Klimaprojektionen noch erheblicher Forschungsbedarf. Wenn die Klimaforschung den Blick in unsere Zukunft richtet, dann hat sie es mit drei Unbekannten zu tun. Die größte Unbekannte ist die zukünftige Entwicklung der Menschheit und damit ihre Produktion an Treibhausgasen. Die zweite Ungewissheit steckt in den zwangsläufigen Vereinfachungen der Klimamodelle, denn kein Modell kann alle Vorgänge an allen Orten in der Atmosphäre im Detail erfassen. Die dritte Unbekannte sind Wechselwirkungen im Klimasystem, die noch weiter zu erforschen sind. Entscheidend für das Klima der Zukunft wird sein, wie viele Menschen zukünftig die Erde bevölkern und wie sie leben werden. Wie wird sich die Weltwirtschaft entwickeln? Werden unsere Technologien effizienter, so dass wir weniger Treibhausgase produzieren? Einfache Antworten auf diese Fragen gibt es nicht. Der Weltklimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) arbeitet deshalb mit verschiedenen denkbaren Antworten auf diese Fragen. Die bisherigen Entwicklungsszenarien des IPCC erzählten mögliche Zukunftsgeschichten der Menschheit und ihrer Treibhausgasemissionen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts und darüber hinaus. Die aktuellen Szenarien dagegen folgen einer festgelegten Treibhausgaskonzentration, dem sogenannten repräsentativen Konzentrationspfad RCP (Representative Concentration Pathway). Im Unterschied zum traditionellen Vorgehen werden erst nachträglich die sozio-ökonomischen Entwicklungen an die zu erreichende Konzentration angepasst. Dieses Vorgehen erlaubt somit politische Vorgaben hinsichtlich der Emissionsminderung und Anpassungsmaßnahmen zu berücksichtigen. Die verschiedenen Szenarien speist die Klimaforschung in ihre Klimamodelle ein. Die Modelle errechnen dann auf Basis dieser Annahmen, wie sich das Klima der Zukunft entwickeln könnte. Wegen der Ungewissheiten ist das Ergebnis natürlich keine hundertprozentig sichere Vorschau in eine mögliche Zukunft, sondern eine Klimaprojektion. Diese besagt, wie sich das Klima im angenommenen Szenario wahrscheinlich entwickeln wird. Auch Expertinnen und Experten des Deutschen Wetterdienstes arbeiten an den IPCC-Berichten mit. Sie prüfen Teile des Berichts als Regierungsgutachter, bringen aber auch eigene Beiträge ein. 13

14 Regionalisierung von Klimaprojektionen Aussagen über zukünftige, kleinräumige Auswirkungen des Klimawandels stehen am Ende einer komplexen Modellkette. Den Anfang geben Zukunftsszenarien zur weltweiten Entwicklung von Treibhausgas-Emissionen vor. Aus ihnen errechnen globale Klimamodelle Zukunftsprojektionen, die wiederum feiner gerasterte Regionalmodelle antreiben. Wirkmodelle verfeinern deren Ergebnisse schließlich zu speziellen lokalen Aussagen, zum Beispiel über die Veränderung eines Stadtklimas. Was machen Klimamodelle? Klima ist das, was wir erwarten, Wetter das, was wir bekommen. Robert A. Heinlein ( ), amerikanischer Schriftsteller Wenn man verstehen will, was Klimamodelle simulieren, muss man sich die echte Klimaküche anschauen. Unsere Zentralheizung ist die Sonne. Ein Teil ihrer Strahlung dringt durch die Erdatmosphäre bis zum Boden. Er heizt sich auf und erwärmt die Luft von unten. Ein anderer Teil wird bereits von der Atmosphäre aufgenommen. Am Ende strahlt die Erde zusammen mit der Atmosphäre die komplette Energie des Sonnenlichts wieder ins Weltall zurück. Andernfalls würde sie sich immer mehr aufheizen. Doch die Erde übersetzt dabei, grob gesagt, sichtbares Sonnenlicht in langwellige Wärmestrahlung. Dieser recht komplexe Übersetzungsprozess treibt die Wetterküche an. Dabei kommen die Treibhausgase ins Spiel. Sie wirken wie ein wärmender Mantel für die Erde, denn sie verzögern sozusagen die kühlende Energieabgabe zurück ins Weltall. Der natürliche Treibhauseffekt, vor allem durch Wasserdampf und Kohlendioxid in der Luft, hebt so die Temperatur an der Erdoberfläche auf angenehme durchschnittliche 14 Grad Celsius. Ohne ihn wären es bittere minus 18 Grad kalt. Solange der Anteil der Treibhausgase in der Atmosphäre nicht zu groß wird, sind sie also gut für uns. Allerdings haben wir Menschen seit Beginn der Industrialisierung zum Beispiel den Kohlendioxidanteil um rund 40 Prozent hochgetrieben. Der Mantel um die Erde droht, zu warm zu werden. Diese Strahlungsbilanz berechnen die Klimamodelle. Ganz am Anfang stehen die Globalmodelle. Sie simulieren das Klima der gesamten Erde und müssen dabei komplexe Prozesse im Erdsystem erfassen. Dazu zählt auch der starke Einfluss der Ozeane auf das Klima. Sie transportieren Wasser, das die Sonne am Äquator erwärmt hat, in die Polarregionen und heizen diese auf. Gäbe es den Golfstrom zum Beispiel nicht, dann hätten wir in Deutschland ein deutlich kälteres Klima. 14

15 Klimamodelle Vom Globalmodell zum Wirkmodell Globalmodelle haben allerdings nur eine grobe Auflösung. Ihr Rechengitter, mit dem sie den Globus wie ein Strumpf überziehen, hat eine Maschenweite von 200 bis 500 Kilometern. Feiner gestrickte Globalmodelle würden die Rechenleistung heutiger Supercomputer überfordern. Um die Folgen des Klimawandels zum Beispiel für Deutschland zu simulieren, braucht man daher Regionalmodelle, welche die Ergebnisse der Globalmodelle verfeinern. Sie überdecken ein kleineres Gebiet, lösen dessen Strukturen aber viel genauer auf. So können sie den Einfluss von Gebirgen, Seen oder der Landnutzung, zum Beispiel durch Landwirtschaft, besser einbeziehen. Somit zeichnen Regionalmodelle ein detaillierteres Bild über den wahrscheinlichen Klimawandel in Deutschland. Allerdings bleibt die Frage, wie dieser sich konkret auf unser direktes Lebensumfeld auswirken wird. Die Antwort darauf liefern Wirkmodelle, die der Deutsche Wetterdienst für verschiedene Anwendungen entwickelt und betreibt. Stadtklimamodelle zum Beispiel zeigen, welche Auswirkung der Klimawandel in einer Stadt haben kann. Es gibt auch Wirkmodelle, die den Einfluss des Klimawandels auf Der DWD verfügt zurzeit über ein Ensemble von mehr als 40 Klimaprojektionen basierend auf 3 Klimaszenarien, 5 globalen Klimamodellen und 13 Regionalmodellen. Land- und Forstwirtschaft, den Wasserhaushalt oder die Gesundheit simulieren. Erst damit können Politik und Wirtschaft geeignete Anpassungsstrategien an die Folgen des Klimawandels entwickeln. Klimamodelle simulieren wie die numerischen Modelle der Wettervorhersage die physikalischen Vorgänge in der Atmosphäre. Wegen der verschiedenen Zeitspannen, die sie umfassen, werden sie aber unterschiedlich angetrieben. Wettermodelle brauchen eine sehr präzise Eingabe des Ist-Zustands der Atmosphäre, um das Wetter in den kommenden Tagen vorherzusagen. Für Klimamodelle sind dagegen langfristige Veränderungen der Atmosphäre entscheidend, etwa steigende Treibhausgas-Konzentrationen. Wegen dieser verschiedenen Betriebsarten klafft derzeit zwischen den Wetter- und den Klimamodellen eine Vorhersage -Lücke im Bereich eines Jahres und eines Jahrzehnts. Der Deutsche Wetterdienst beteiligt sich an den Forschungsarbeiten zu einem Modellsystem, das diese Lücke schließen soll. Blick auf die Wetterwarte Zugspitze Foto Claudia Hinz 15

16 Wie hart trifft der Klimawandel Deutschland? Wir können also das Menschengeschlecht als Schar kühner, aber kleiner Riesen betrachten, die die Erde unterjochen und mit ihrer schwachen Faust das Klima verändern. Wie weit sie es darinn gebracht haben mögen, wird uns die Zukunft lehren. Johann Gottfried Herder ( ), deutscher Theologe und Philosoph Nicht nur alte Bäume müssen sich auf eine Klimaerwärmung einstellen, auch wir selbst. Der von uns Menschen verursachte Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre hat jedoch nicht zur Folge, dass es automatisch Jahr für Jahr ein bisschen wärmer wird. Die natürliche Klimavariabilität wird immer für Schwankungen sorgen. Langfristig wird es aber bei uns erheblich wärmer werden. Nach aktuellen Klimaprojektionen wird die Lufttemperatur im Jahresmittel in der Bundesrepublik bis 2050 um 0,5 bis zwei Grad, bis 2100 um insgesamt zwei bis vier Grad steigen. Vor allem in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts wird sich die Erwärmung beschleunigen, in Süddeutschland wahrscheinlich stärker als in Norddeutschland. Die Sommer werden trockener werden, während im Winter die Niederschlagsmengen zunehmen. 16

17 Hochwasser in Hamburg Foto Matthias Küttgen (PandaMedia.net) Besonders kritisch kann es im warmen Oberrheingraben werden. In Mannheim etwa gibt es bisher durchschnittlich nur alle 25 Jahre einen Tag mit einer Höchsttemperatur von 39 Grad Celsius oder mehr werden wahrscheinlich im Mittel vier Tage im Jahr so heiß werden. Besonders belastend ist das für Senioren und Menschen mit Herzkreislauferkrankungen. Daher betreibt der Deutsche Wetterdienst ein Hitzewarnsystem. Auf dieser Basis können sich Seniorenheime und Gesundheitsämter rechtzeitig auf Hitzewellen vorbereiten. Wir müssen uns also auf den Klimawandel in Deutschland einstellen. Entsprechend wächst der Bedarf an Klimaüberwachung und fundierter Beratung zur Unterstützung von Klimaanpassung. Letztere ist ohne Klimaprojektionsrechnungen auf dem neuesten Stand der Forschung nicht denkbar. Die Fragestellungen im Kontext des Klimawandels sind vielfältig. Themen sind neben dem vorbeugenden Katastrophenschutz die Energiewende sowie die Nahrungsmittel- und Trinkwassersicherheit. Die Klimaexpertinnen und -experten des Deutschen Wetterdienstes greifen auf einen langjährigen Erfahrungsschatz zurück. Sie fließt in die große Palette seiner Klimaservices ein. Einige drehen sich um unser direktes Lebensumfeld, das Wohnen und Arbeiten. Stadtplaner versuchen, die Überhitzung der Städte im Sommer zu entschärfen. Dabei können ihnen die Stadtklimatologen des Deutschen Wetterdienstes wirkungsvoll helfen. Sie simulieren dazu die Folgen des Klimawandels mit ihrem dreidimensionalen Stadtklimamodell MUKLIMO_3. In einem Pilotprojekt mit der Stadt Frankfurt am Main ergaben solche Analysen einen kräftigen Anstieg der Sommertage: Derzeit sind dort im Mittel 44 Tage pro Jahr wärmer als 25 Grad Celsius, bis 2050 könnten bis zu 31 Tage hinzukommen. Die Simulationsrechnungen des Deutschen Wetterdienstes zeigen auch die Lösungswege: so kann zum Beispiel die Umwandlung bestimmter Areale in Grünflächen lokal zu einer deutlichen Minderung der erwarteten Zunahme an Sommertagen beitragen. So bleibt die Stadt auch künftig lebenswert. Klimawandel in der Stadt Die meisten von uns verbringen einen großen Teil des Lebens unter Dächern. Gebäude kann man bereits heute für den zukünftigen Klimawandel fit machen, inklusive Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Die Basis hierfür liefern die Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes als Klimaservice. Einige davon berücksichtigen bereits den zu erwartenden Klimawandel bis Die meisten Häuser stehen in Städten, in denen heute rund Dreiviertel aller Deutschen leben. Wegen der dichten Bebauung können Städte bei bestimmten Wetterlagen bis zu neun Grad wärmer als das Umland werden. In Ballungsräumen kommt also die Bildung solcher Wärmeinseln noch zum Klimawandel hinzu. Erwarteter Klimawandel in Deutschland bis 2100 Temperaturanstieg bis zu 4 C mehr Starkniederschläge im Winter doppelt so viele Sommertage wie heute bis zu 14 Tage früherer Vegetationsbeginn Globaler Klimawandel bis 2100 Temperaturanstieg von 2-4 C 17

18 Mehr heiße Tage mit Höchsttemperaturen von mindestens 30 Grad Celsius Der DWD wertet vorliegende regionale Klimaprojektionen zur Abschätzung der zukünftig zu erwartenden Änderungen von meteorologischen Größen wie Lufttemperatur und Niederschlag routinemäßig aus. Die Grafik zeigt die Entwicklung der Anzahl der heißen Tage im Jahr mit einer Höchsttemperatur von mindestens 30 C. Im Bild links sind die aktuellen Verhältnisse dargestellt, wie sie im klimatologischen Referenzzeitraum gemessen wurden. Die Bilder im rechten Teil der Abbildung zeigen, mit wie vielen zusätzlichen heißen Tagen pro Jahr zukünftig gerechnet werden muss - oben für den Zeitraum , unten für den Zeitraum Dargestellt ist hierbei die obere Grenze der im jeweiligen Zeitraum wahrscheinlich zu erwartenden Änderung. Eine noch deutlichere Zunahme ist dementsprechend unwahrscheinlich. Häufigere Ernten, aber auch Trockenheit Pflanzen reagieren schon längst auf die Klimaerwärmung. Bis Ende des Jahrhunderts könnte die Vegetation in Deutschland im Frühjahr zwei Wochen eher starten. Für die Landwirtschaft birgt das Risiken und Chancen. So könnte eine früher einsetzende Obstblüte stärker durch Nachtfröste bedroht sein. In manchen Regionen könnten künftig aber auch zwei Ernten im Jahr möglich sein. Allerdings drohen auch verstärkt Trockenperioden im Frühjahr und im Sommer, die die Ernten gefährden. Die Agrarklimatologen des Deutschen Wetterdienstes helfen Landwirten, sich auf diesen Klimawandel einzustellen. Ihre Erkenntnisse fließen in eine praxisnahe Beratung, die zum Beispiel Ertragsschwankungen in der Landwirtschaft verringern kann. Extreme Wetterereignisse Besonders wichtig für den Bevölkerungsschutz ist die Frage, ob mit dem Klimawandel die Anzahl extremer Wetterereignisse in Deutschland steigen könnte. Tatsächlich deuten die Klimaprojektionen darauf hin, dass etwa Starkniederschläge vermehrt auftreten könnten besonders im Winter. Im Projekt KLIWA (Klimaveränderungen und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft) erforscht der Deutsche Wetterdienst gemeinsam mit Bayern, Baden-Württemberg und Rheinland-Pfalz, wie sich dort der Klimawandel auf den Wasserhaushalt in den einzelnen Regionen auswirkt. Seine Modellsimulationen zeigen, mit welchen Hochwasserszenarien die Kommunen in Zukunft rechnen müssen. Bayern und Baden-Württemberg verstärken bereits Hochwasserschutzanlagen und schaffen überflutbare Ausgleichsflächen an Flüssen. Für solche Anpassungsstrategien ist der Deutsche Wetterdienst ein wichtiger Berater. Das gilt auch für die Folgen anderer extremer Wetterereignisse. Neben Hochwassern verursachen vor allem Stürme große Schäden forderte der Orkan Kyrill zum Beispiel 13 Todesopfer und verursachte Schäden von 2,4 Milliarden Euro. Deshalb arbeitet der Deutschen Wetterdienst eng mit dem Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) zusammen. Zum Beispiel werden detaillierte Statistiken über extreme Wetterereignisse der Vergangenheit erstellt, um stärker gefährdete Regionen auszumachen und sich auf dort zukünftig häufigere Bevölkerungsschutzeinsätze vorzubereiten. 18

19 Foto Fotolia In ganz Deutschland lässt der DWD seit Jahrzehnten ausgesuchte Pflanzen beobachten. Eine Erkenntnis: Aufgrund des Klimawandels blühen viele Pflanzen heute früher als vor 50 Jahren. Der Klimawandel wird die Landwirtschaft weltweit verändern Damit Feuerwehren, Polizei und das Technische Hilfswerk schnell auf heraufziehende Unwetter reagieren können, hat der Deutsche Wetterdienst automatische Frühwarnsysteme aufgebaut. einzustellen. Der Deutsche Wetterdienst deckt mit seinen Klimaservices bereits alle Komponenten des GFCS ab und bringt sein Expertenwissen in nationalen und internationalen Gremien ein. Verantwortung für die Welt Der Klimawandel kennt keine Grenzen. Deshalb ist es für den Deutschen Wetterdienst wichtig, international aktiv zu sein. Als nationaler Wetterdienst ist er innerhalb der Weltorganisation für Meteorologie, der WMO, perfekt vernetzt. Die WMO will nun die Entwicklung und operationelle Bereitstellung von wissenschaftlich fundierten Klimaserviceleistungen international koordinieren. Diese Serviceleistungen sollen in vergleichbarer Qualität in allen Ländern der Erde zugänglich sein. Von zentraler Bedeutung ist dabei das Globale Rahmenwerk für Klimaservices (Global Framework for Climate Services GFCS). Es soll weltweit eine verbesserte Anpassung an die Auswirkungen des Klimawandels ermöglichen. Besonders wichtig ist diese Aktivität für Entwicklungs- und Schwellenländer: Sie brauchen fundierte Hilfe, um sich mit ihrer Landwirtschaft und ihren wachsenden Megastädten auf den Klimawandel Klimainformationen des Deutschen Wetterdienstes im Internet Portal Klima und Umwelt : Ausführliches zum Klimawandel: Klimadaten ausgewählter deutscher Stationen: Climate Data Center des DWD: Daten und Informationen des Weltzentrums für Niederschlagsklimatologie: WMO-Bericht zum Zustand des globalen Klimas: Klimafaktoren für den Energiepass: Klimaauskünfte des DWD: Informationen zum Klima in der Zukunft: Deutscher Klimaatlas: Internationale Aktivitäten des DWD: 19

20 Impressum Text: Roland Wengenmayr, Redaktion: Uwe Kirsche, DWD Fotos und Abbildungen: DWD (wenn nicht anders gekennzeichnet) Gestaltung: monista Mediendesign, Druck: Druckerei der BMVBS Papier: Dieses Produkt stammt aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern und kontrollierten Quellen. Titelfoto: Claudia Hinz Deutscher Wetterdienst (DWD) Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Frankfurter Straße Offenbach Tel: +49 (0) 69 / info@dwd.de, Über gelangen Sie auch zu unseren Auftritten in: DWD 2. Auflage / 02.14