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Klimavorhersagen und KlimaprojektionenWie entstehen Aussagen über das zukünftige Klima?
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Inhalt
Vorwort ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 5
Einführung: Das Klimasystem und seine Variabilität ��������������������������������������������������������������� 6
Klimawandel – Der Mensch als Klimafaktor ����������������������������������������������������������������������������� 8
Der IPCC-Sachstandsbericht ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 9
Die Klimaentwicklung in Deutschland ���������������������������������������������������������������������������������� 10
Attributionsforschung beim DWD ���������������������������������������������������������������������������������������� 11
Klimamodellierung ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 12
Der Blick in die Zukunft erfordert Szenarien möglicher Entwicklungen ���������������������������������� 14
Klimaprojektionen für mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte������������������������������������������������� 16
Klimaprojektionen für Deutschland �������������������������������������������������������������������������������������� 18
Auswirkungen des Klimawandels auf Städte ������������������������������������������������������������������������� 20
Klimavorhersagen von Wochen bis einigen Jahren ���������������������������������������������������������������� 22
Immer aktuell - die dekadischen Klimavorhersagen für die nächsten zehn Jahre �������������������� 24
Saisonale Klimavorhersagen werden monatlich vom DWD veröffentlicht ������������������������������� 26
Ein Ausblick auf die Witterungsentwicklung der nächsten Wochen ���������������������������������������� 28
Klimaservices des DWD zu Klimavorhersagen und Klimaprojektionen ����������������������������������� 30
Ausblick������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 33
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VorwortLiebe Leserinnen und Leser,
der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt der Öffentlichkeit, der Wirtschaft und der Politik regelmä-
ßig aktualisierte Klimavorhersagen der nächsten Wochen, Monate und Jahre sowie Klimaprojek-
tionen für den Ausblick bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zur Verfügung. Die daraus abgeleiteten
Produkte und Informationen ermöglichen einen nahtlosen Blick in die klimatologische Zukunft und
unterstützen damit, gemeinsam mit anderen relevanten Rahmenbedingungen, evidenz-basierte
Planungen und Entscheidungen für Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel in unterschiedli-
chen Zeithorizonten.
Im Bereich der Klimatologie gibt es derzeit intensive Forschung und Entwicklung, um das Ver-
ständnis der vielen relevanten Prozesse innerhalb des Klimasystems und deren Wechselwirkun-
gen weiter zu verbessern sowie dieses bestmöglich in Modellen abzubilden. Auf allen Zeitskalen –
von Klimavorhersagen für die nächsten Wochen, Monate und Jahre bis zu den Klimaprojektionen
für die nächsten Jahrzehnte und Jahrhunderte – sowie allen räumlichen Skalen – von globaler, über
regionaler bis zu lokaler Auflösung – lässt sich die Qualität der aus den Klimasimulationen gene-
rierten Produkte und Vorhersagen durch eine weitere Verbesserung des Prozessverständnisses
und der anschließenden Überführung des neu generierten Wissens in ein Erdsystemmodell stei-
gern. Der DWD arbeitet deshalb mit vielen anderen wissenschaftlichen Einrichtungen auf natio-
naler und internationaler Ebene an der stetigen Verbesserung der Klimavorhersagen und Klima-
projektionen und der diesen Produkten zugrundeliegenden Modellen. Diese Anstrengungen haben
zum Zweck, unsere Nutzerinnen und Nutzer mit bestmöglichen, qualitätsgesicherten Klimainfor-
mationen auf aktuellem Stand der Wissenschaft zur zu erwartenden Klimazukunft zu versorgen.
Das Ziel der vorliegenden Broschüre ist, einen anschaulichen Beitrag zum Verständnis über das
Entstehen von Aussagen über das Klima der Zukunft und deren Interpretationsmöglichkeiten
zu leisten sowie einen Überblick über die Aktivitäten und Dienstleistungen des DWD in diesem
Bereich zu geben.
Tobias Fuchs
Vorstand Klima und Umwelt des Deutschen Wetterdienstes
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Einführung: Das Klimasystem und seine VariabilitätDas Klima ist definiert als eine Zusammenfassung der Wettererscheinungen, die den mittleren
Zustand der Atmosphäre über einen hinreichend langen Zeitraum an einem bestimmten Ort oder
in einem mehr oder weniger großen Gebiet charakterisieren. Es gibt vielfältige Wechselwirkungen
zwischen der Atmosphäre und der Hydrosphäre (Ozeane, Flüsse, Seen), der Biosphäre (Fauna, Flo-
ra), der Lithosphäre (feste, unbelebte Erde) und der Kryosphäre (Eis, Gletscher, Permafrost). Die
Gesamtheit dieser Komponenten wird Klimasystem genannt.
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▲ Komponenten des Klimasystems.
Der Hauptantrieb des Klimasystems der Erde ist die eintreffende Sonnenstrahlung. Diese wird teilweise in der Atmosphäre und dem Erdboden in Wärmestrah-lung umgewandelt und erwärmt die bodennahe Luft-schicht auf etwa -18 °C. Ein Teil der Wärmestrahlung wird wieder in den Weltraum reflektiert. Der andere Teil wird durch bestimmte Gase in der Atmosphäre gehalten und erwärmt diese. Diesen Prozess bezeich-net man als Treibhauseffekt. Der natürliche Treib-hauseffekt ist im Wesentlichen verursacht durch den atmosphärischen Wasserdampf. Er führt zu einer mitt-leren globalen Temperatur der Erde von knapp 15 °C und ermöglicht damit das Leben auf der Erde. Die-ses natürliche Gleichgewicht wird durch die Emission anthropogener Treibhausgase gestört. Der anthro- pogene Treibhauseffekt führt zu einer zusätzlichen Erwärmung der Atmosphäre. Dabei spricht man von Klimawandel.
Die einzelnen Komponenten des Klimasystems, wie Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre und Biosphä-re, stehen miteinander im Austausch. Die Wechselwir-kungen zeigen sich auf unterschiedlichen Zeitskalen.
Der untere Teil der Atmosphäre, in der das Wetter-geschehen stattfindet, reagiert sehr schnell in einem Zeitraum von Minuten bis Tagen auf Veränderungen und weist die größte Variabilität auf. Der tiefe Oze-
an, die Eisschilde und der Boden sind trägere Kompo-nenten des Klimasystems, da sie Reaktionszeiten von Jahrhunderten bis Jahrtausenden unterliegen.
Die Klimavariabilität beinhaltet Schwankungen um mittlere klimatische Zustände auf unterschiedlichen Zeitskalen. Neben den kurzfristigen Reaktionen des Klimasystems, wie z. B. Tages- und Jahresgang, gibt es Schwankungen mit längeren Perioden. Ein Beispiel dafür ist die Nordatlantische Oszillation (NAO). Die NAO beschreibt den Luftdruckunterschied zwischen den Azoren und Island.
Eine große Luftdruckdifferenz zwischen Island-Tief und Azoren-Hoch und damit eine stark ausgeprägte NAO führt zu einem großen Einfluss des Nordatlan-tiks auf die Witterung in Europa mit starken West-winden, milden Wintern und hohem Niederschlag. Bei eher schwach ausgeprägter NAO sind regionale Ein-flüsse deutlich merkbarer.
Das Klimasystem ist ein offenes System. Das bedeutet, es wird auch von externen Faktoren beeinflusst, wie z. B. von Vulkanausbrüchen, Schwankungen der Son-nenaktivität und Änderungen der Erdbahnparameter. Hinzu kommen die vom Menschen verursachten Ein-griffe in die Zusammensetzung der Atmosphäre und Landnutzung.
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Das Klima wird durch statistische Eigenschaften (u. a.Mittelwerte, Extremwerte, Häufigkeiten) der Klima- elemente über einen genügend langen Zeitraum beschrieben. Gemäß den Empfehlungen der Weltor-ganisation für Meteorologie (WMO) ist es üblich, zur Erfassung des Klimas und seiner Änderungen einen Zeitraum von 30 Jahren zu verwenden, um den Ein-fluss der natürlichen Variabilität bei der statistischen Betrachtung des Klimas auszuklammern. Der aktuel-le 30-jährige Zeitraum umfasst die Jahre 1991–2020. Für die Bewertung des Klimawandels wird weiterhin die WMO-Referenzperiode 1961–1990 verwendet und mit Messdaten der jüngeren Vergangenheit vergli-chen. Zur Abschätzung des Klimatrends in den nächs-
ten Jahrzehnten und Jahrhunderten wurden Emissi-ons- und Landnutzungsszenarien entwickelt, die den Einfluss des Menschen und mögliche Entwicklungen der Treibhausgaskonzentrationen berücksichtigen. Es wurde beispielsweise ein Szenario entwickelt, das eine Welt beschreibt, in der die Energieversorgung im Wesentlichen auf der Nutzung fossiler Energie beruht (Weiter-wie-bisher-Szenario, kurz RCP8.5). Ein ande-res Szenario beschreibt eine Welt, bei der die globa-le Erwärmung bis 2100 auf unter 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau beschränkt werden kann (Kli-maschutz-Szenario, kurz RCP2.6).
Der Klimawandel wirkt sich auf das gesamte Ökosys-tem aus. Die Erderwärmung verändert die gesamte atmosphärische Zirkulation. Das wiederum bewirkt u. a. eine Veränderung der Niederschlagsverteilung. Abschmelzende Eismassen von Gletschern und pola-rem Eis führen u. a. zu einem Anstieg des Meeresspie-gels. Vegetationszonen verschieben sich.
Nach aktuellen Beobachtungen schreitet die Erwär-mung in der Arktis schneller voran als in anderen Regionen der Erde. Wenn das arktische Meereis schwindet, erhitzt sich die Atmosphäre stärker, da weniger (helle) Eisflächen das Sonnenlicht zurückwer-fen und an deren Stelle die dunklere Meeresoberflä-che tritt. Dadurch wird mehr Sonnenlicht absorbiert.
Klimawandel – Der Mensch als Klimafaktor
Klimaänderungen können auf natürliche sowie auf menschliche Einflüsse zurückgeführt werden.
Seit Mitte des 20. Jahrhunderts haben sich die oberflächennahen Luftschichten der Kontinente
und Ozeane der Erde deutlich erwärmt. Der Klimawandel zeigt sich in den letzten Jahrzehnten
unter anderem in der Zunahme von heißen Temperaturextremen, dem stetigen Anstieg des
Meeresspiegels und der mancherorts veränderten Häufigkeit von extremen Niederschlägen.
Anthropogene Aktivitäten sind hierfür die Hauptursache. Wesentlich ist dabei vor allem der von
Menschen verursachte Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen seit der vorindustriellen Zeit
durch verstärkte Kohlendioxid- und andere Emissionen aus Industrie, Verkehr, Landwirtschaft
und Haushalten. Ferner haben Veränderungen in der Landnutzung, z. B. durch Abholzung und
Versiegelung des Bodens, einen bedeutsamen Einfluss auf das Klima.
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Der Weltklimarat hat die Aufgabe, den Stand der wis-senschaftlichen Forschung zum Klimawandel für poli-tische Entscheidungsträger zusammenzufassen, um darauf aufbauend Grundlagen für wissenschaftsba-sierte Entscheidungen zu bieten. Darüber hinaus soll der internationale Forschungsstand über die Aus-wirkungen der globalen Erwärmung und seine Risi-ken sowie Minderungs- und Anpassungsstrategien zusammengetragen und aus wissenschaftlicher Sicht bewertet werden. Dazu beruft der IPCC hunderte Wis-senschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt. Diese tragen alle Erkenntnisse der Klimaforschung zu den sogenannten Sachstandsberichten des IPCC zusammen. Bisher hat der IPCC fünf vollständige Sachstandsberichte und mehr als zehn Sonderberichte sowie Richtlinien für die Erstellung von Treibhaus- gasinventaren veröffentlicht.
Der Sechste IPCC-Sachstandsbericht (AR6) wird 2021/2022 fertiggestellt und besteht aus drei Bänden,
für die jeweils eine Arbeitsgruppe (WG) zuständig ist, und einem übergreifenden Synthesebericht:
◆ WG I – Naturwissenschaftliche Grundlagendes Klimawandels (Veröffentlichung im August2021)
◆ WG II – Folgen des Klimawandels, Verwundbar-keit und Anpassung (geplante Veröffentlichungim Februar 2022)
◆ WG III – Minderung des Klimawandels (geplanteVeröffentlichung im März 2022)
◆ Synthesebericht – wichtigste Aussagen der dreiWG-Bände und der drei aktuellen Sonderberich-te: 1,5 °C globale Erwärmung, Ozean und Kryo-sphäre, Klimawandel und Landsysteme (geplanteVeröffentlichung im September 2022).
Der IPCC-Sachstandsbericht
Der zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (Intergovernmental Panel on Climate
Change, IPCC) wird auch als Weltklimarat bezeichnet und arbeitet unter dem Dach der Vereinten
Nationen. Er wurde 1988 vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) und der
Weltorganisation für Meteorologie (WMO) ins Leben gerufen.
▲ Der Einfluss des Menschen hat das Klima in einem Maße erwärmt, wie es seit mindestens 2000 Jahren nicht mehr der Fall war.Die Abbildung zeigt die Änderungen der globalen Oberflächentemperatur gegenüber 1850–1900. Linker Teil: Änderung der globalen Oberflä-chentemperatur wie rekonstruiert (1–2000) und beobachtet (1850–2020). Rechter Teil: Änderung der globalen Oberflächentemperatur im Zeit-raum 1850-2020 wie beobachtet (schwarze Linie) und auf Basis menschlicher & natürlicher (beige Linie und Bereich) beziehungsweise nurnatürlicher (grüne Linie und Bereich) Faktoren simuliert. Quelle: IPCC AR6 (2021), Abb. SPM.1.
rekonstruiert
beobachtet
beobachtet
simuliert menschlich & natürlich
simuliert nur natürlich (Sonne & Vulkane)
Erwärmung ist in über 2000 Jahren beispiellos
Wärmster mehrere Jahrhun-derte langer Zeitraum in den letzten 100.000 Jahren.
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Die Klimaentwicklung in Deutschland Für Deutschland sind seit dem Jahr 1881 ausreichend Daten vorhanden, um Veränderungen des
Klimas zu bestimmen. Auf dieser Basis lassen sich die mittleren Verhältnisse für die Temperatur
und den Niederschlag bis zum Ende des 19. Jahrhunderts zurückverfolgen.
TemperaturDas Jahresmittel der Lufttemperatur ist im Flä-chenmittel von Deutschland von 1881 bis 2020 sta-tistisch gesichert um 1,6 °C angestiegen. Neun der zehn wärmsten Jahre seit 1881 in Deutschland sind nach dem Jahr 2000 aufgetreten. Die Temperaturen in Deutschland sind damit deutlich stärker gestiegen als im weltweiten Durchschnitt (etwa 1 °C). Dies liegt darin begründet, dass sich die Landregionen generell schneller erwärmen als die Meere. Die Geschwindig-keit des Temperaturanstiegs in Deutschland (wie auch weltweit) hat in den vergangenen 50 Jahren deutlich zugenommen.
1890 1920 1950 1980 2010
-2
-1
0
1
2
Tem
pera
tura
nom
alie
[°C
]
TemperaturanomalieDeutschland Jahr
1881 - 2020Referenzzeitraum 1961 - 1990
positivenegative Anomalie vieljähriger Mittelwert (1961 - 1990): 8,2 °C
linearer Trend (1881 - 2020): +1,6 °C
▲ Abweichung des Jahresmittels der Lufttemperatur für Deutschland vom vieljährigen Mittel 1961-1990 für den Zeitraum 1881-2020.
Die Anzahl "Heiße Tage" (Tagesmaximum der Luft-temperatur mindestens 30 °C) – über ganz Deutsch-land gemittelt – hat sich seit den 1950er Jahren von etwa drei Tagen pro Jahr auf derzeit durchschnittlich neun Tage pro Jahr verdreifacht. Auch markante Hit-zeperioden nahmen in diesem Zeitraum sowohl in der Häufigkeit als auch in der Intensität zu.
Demgegenüber nahm die mittlere Anzahl der Eistage (Tagesmaximum der Lufttemperatur unter 0 °C) im gleichen Zeitraum von 28 auf 19 Tage pro Jahr ab.
NiederschlagIm Gegensatz zur Temperaturentwicklung weisen die Änderungen des Niederschlags in Deutschland insbe-sondere jahreszeitlich, aber auch räumlich deutliche Unterschiede auf. Während die mittleren Regenmen-gen im Sommer weitestgehend unverändert geblieben sind, ist es insbesondere im Winter signifikant feuch-ter geworden. Die Anzahl aufeinanderfolgender Tro-ckentage hat vor allem im Sommer zugenommen. Dies hat zur Folge, dass sich die Häufigkeit von Trocken-phasen erhöht hat.
Weitere Informationen zum beobachteten Klimawan-del in Deutschland sind auf der DWD-Website zu fin-den.
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Attributionsforschung beim DWD Treten als Folge des Klimawandels häufiger extreme Wetterereignisse auf? Dieser Frage geht die
noch junge Disziplin der Attributionsforschung nach.
▲ Darstellung zweier Welten. Mit (links) und ohne (rechts) menschli-chen Einfluss. © Hanna Luca
Infolge menschlichen Handelns steigen weltweit die Lufttemperaturen. Damit gehen Änderungen in der Zirkulation einher. Aufgrund dessen erwarten Klima-forschende eine Veränderung der Eintrittswahrschein-lichkeit meteorologischer Extremereignisse.
Mit Attributionsstudien lässt sich abschätzen, inwie-weit der vom Menschen verursachte Klimawandel für eine geänderte Eintrittswahrscheinlichkeit individu-eller Wetter- oder Klimaextreme verantwortlich ist. Daneben sind noch weitere Faktoren für das tatsächli-che Auftreten von Extremereignissen mitverantwort-lich und beeinflussen deren Häufigkeit und Intensi-tät, so dass es trotz des anthropogenen Klimawandels nicht zwingend zu einer Zunahme der Häufigkeit sol-cher Ereignisse kommen muss.
Für den notwendigen Vergleich zwischen dem Klima der Vergangenheit, den aktuellen sowie den zukünf-tig möglichen klimatischen Verhältnissen werden Kli-masimulationen benötigt. Sämtliche Simulationen des vergangenen Klimas werden gleich zweimal durchge-führt: Der erste Satz an Klimasimulationen beschreibt eine Welt unter Verwendung aller bekannten natürli-chen und durch den Menschen geänderten Klimaan-triebe, der zweite Satz dagegen beschreibt eine Welt, in der ausschließlich natürliche Klimaantriebe (z. B. Vulkanausbrüche, Änderung der solaren Einstrah-lung) berücksichtigt werden, aber keine vom Men-schen veränderte Antriebe (z. B. Ausstoß von Treib- hausgasen wie Kohlendioxid).
Hierdurch lässt sich eine Welt mit klimatischen Ver-hältnissen simulieren, wie sie sich wahrscheinlich ohne den Einfluss des Menschen entwickelt hätte. Eine Voraussetzung für die Ableitung belastbarer Aus-sagen zur Attribution ist neben einer ausreichenden Anzahl an Simulationsjahren die Fähigkeit der einge-setzten Klimamodelle, die zu untersuchenden Extrem-ereignisse realitätsgetreu abzubilden. Insbesondere in Bezug auf die Simulation kleinräumiger Phänome-ne, wie z. B. von Gewittern mit Starkregen, ist erst die
neueste Generation der so genannten konvektionser-laubenden regionalen Klimamodelle in der Lage, die-se realistisch abzubilden. Derartige Modellrechnun-gen sind rechenzeittechnisch extrem aufwändig und erfordern somit entsprechende Computerressourcen, sowie viel Zeit.
Der DWD erstellt Klimasimulationen mit dem Erdsys-temmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM), verwendet sie für die Attributionsstudien und stellt sie außerdem der Forschung zur Verfügung.
Da das Interesse der Öffentlichkeit an den Ergebnis-sen von Attributionsanalysen unmittelbar nach einem Extremereignis am größten ist, strebt der DWD die Automatisierung dieser Analysen an, um innerhalb kurzer Zeit das Ergebnis zu erhalten. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes „Klimawandel und Ex- tremereignisse (ClimXtreme)“ wird vom DWD an der Automatisierung der Durchführung von Attributions-analysen gearbeitet. Der Fokus des Projekts liegt auf der Attribution von Hitzewellen, Dürreperioden und großräumigen Extremniederschlägen.
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KlimamodellierungFür die Betrachtung des zukünftigen Klimas wurden anfangs häufig Beobachtungswerte aus
der Vergangenheit verwendet und diese für die Zukunft fortgeschrieben. Durch die sich derzeit
vollziehende Klimaänderung ist eine derartige Vorgehensweise jedoch nicht mehr möglich. Für
Klimasimulationen in die Zukunft werden daher bereits seit den 1960er Jahren Klimamodelle
eingesetzt.
Globale KlimamodelleAussagen über das weltweite Klima der Zukunft kön-nen durch globale Klimamodelle getroffen werden. In den Anfängen der Klimamodellierung der 1960er Jah-re wurden stark vereinfachte Modelle der Dynamik von Atmosphäre und Ozean entwickelt. Mit der rasan-ten Entwicklung im Bereich der Hochleistungsrechner und dem zunehmenden Verständnis des Klimasystems und seiner Wechselwirkungen nahm auch die Komple-xität der Klimamodelle zu. Mittlerweile umfassen glo-bale Klimamodelle neben Atmosphäre und Ozean auch Hydrosphäre, Biosphäre und Kryosphäre und werden daher auch Erdsystemmodelle genannt.
Klimamodelle basieren auf physikalischen Gleichun-gen zur Impuls-, Energie- und Massenerhaltung. Diese Gleichungen werden zunächst so vereinfacht, dass sie für diskrete Gitterpunkte gültig sind. Das Klimasys-tem wird mit einer großen Anzahl solcher Gitterpunk-te überzogen, um alle drei Raumdimensionen einzu-beziehen. Der Abstand der Gitterpunkte zueinander bestimmt die räumliche Auflösung des Klimamodells. Wegen der Vielzahl an Gitterpunkten werden die Glei-chungen mit Hilfe von Supercomputern für jeden Git-terpunkt des globalen Gitternetzes gelöst.
Für Prozesse, die durch die Modellauflösung nicht abgebildet werden können (z. B. bestimmte Wellen, Turbulenz oder Konvektion) müssen Annahmen getrof-fen werden. Das geschieht oft unter Verwendung von Messungen, aus denen empirische Zusammenhänge abgeleitet werden. Diese Vorgehensweise wird Para-
metrisierung genannt, und stellt eine Annäherung an reale Prozesse dar, die das Klimamodell mit den dis-kretisierten Gleichungen allein nicht darstellen kann. Klimamodelle sind im Gegensatz zum natürlichen Klimasystem geschlossene Systeme. Sie können nur Zusammenhänge und Wechselwirkungen von Kompo-nenten darstellen, die in den Modellen abgebildet sind.
Die Auflösung globaler Klimamodelle (mit Gitterab-ständen von derzeit mehr als 100 km) reicht noch nicht aus, um die Unterschiede in den Ausprägungen des Klimawandels in einer Region der Erde (z. B. Europa, Deutschland) detailliert zu beschreiben.
▲ ICON (ICOsahedral Nonhydrostatic modelling framework) ist das vom Deutschen Wetterdienst und dem Max-Planck-Institut für Meteo-rologie entwickelte Modell. Es berechnet Wetterprognosen und soll zukünftig auch für die Klimamodellierung Anwendung finden.
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Regionale KlimamodelleHierfür werden regionale Klimamodelle mit einem viel engmaschigeren Netz von Gitterpunkten für bestimmte Regionen (z. B. Kontinente) eingesetzt. Weltweit gibt es eine Reihe verschiedener regionaler, dynamischer Klimamodelle, die alle mit den Ergebnissen der globalen Kli-mamodelle angetrieben werden. In den regionalen Modellen kann die Gitter-weite bis auf horizontale Abstände von 1-20 km verringert werden, wodurch mehr Prozesse direkt von den – dem Modell zugrunde liegenden – Glei-chungen abgebildet und weniger Prozesse parametrisiert werden. Neuerdings gibt es auch globale Modelle, die lokal eine Gitterverfei-nerung, z. B. über Europa, nutzen.
Ein anderer Ansatz zur Verfeinerung globaler Informationen verwendet auf beobachteten Zeitreihen basierende sta-tistische Methoden zur Übertragung von großräumiger Information auf die lokale Skala. Sie wird als empirisch-statistisches Downscaling bezeichnet. Die detektierten sta-tistischen Zusammenhänge werden genutzt, um eine Vielzahl von Datensätzen der globalen Klimasi-mulationen mit geringem Rechenzeitaufwand für loka-le Anwendungen in Deutschland zu verfeinern.
KlimasimulationenMit den oben beschriebenen Modellen werden Simula-tionen durchgeführt, um das Geschehen im Klimasys-tem modellhaft darzustellen. Je näher die Vorhersage dem Startzeitpunkt ist, desto größer ist der Einfluss des aktuellen Zustands des Klimasystems. Bei länger andauernden Klimasimulationen nimmt der Einfluss des Anfangszustands ab. Eine wichtigere Rolle nimmt dann der Einfluss der Erdbahn um die Sonne (Jahres-zeiten), die Zusammensetzung der Atmosphäre mit Treibhausgasen (Jahrhunderte) oder die Planetenkon-stellation (Jahrtausende) ein.
DWD-Aktivitäten im Bereich der KlimamodellierungIn enger Zusammenarbeit von Max-Planck-Institut für Meteorologie und DWD wurde in den vergangenen Jahren das Modell ICON1 entwickelt, welches am DWD für die operationelle Wettervorhersage eingesetzt wird. Dieses soll zukünftig auch für Klimavorhersagen und -projektionen Anwendung finden. Darüber hinaus beteiligt sich der DWD bereits seit einigen Jahren an der Weiterentwicklung der regionalen Klimamodelle
COSMO-CLM2,3 und ICON-CLM4. Diese Modelle wer-den für Simulationen des jetzigen und zukünftigen Klimas und dessen Änderungen speziell für verschie-dene Anwendungen in Deutschland betrieben. Dabei liegt aktuell ein Fokus auf der sehr hochaufgelösten Skala, d. h. Gitterweiten von unter 3 km. Dadurch wer-den kleinräumige und extreme Ereignisse besser dar-gestellt. Seit einigen Jahren wird vom DWD die empi-risch-statistische Regionalisierungsmethode EPISODES entwickelt. Mit dieser Methode werden Datensätze von Klimavorhersagen und Klimaprojekti-onen auf eine räumliche Auflösung von 5 bzw. 12 km übertragen.
Ein neues Produkt des DWD ist eine hochaufgelöste Klimasimulation (Gitterweite von 3 km) für den Zeit-raum 1970–2020. Diese Klimasimulation wurde unter Verwendung einer globalen Nachberechnung des Wet-tergeschehens (Reanalyse) erstellt. Die Daten dieser Simulation stehen demnächst über das ESGF-Portal5 zur allgemeinen Nutzung zur Verfügung.
1 ICON - ICOsahedral Nonhydrostatic modelling framework 2 COSMO - Consortium for Small-scale Modeling 3 COSMO-CLM - COSMO model in CLimate Mode4 ICON-CLM - ICON model in CLimate Mode5 ESGF – Earth System Grid Federation
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Der Blick in die Zukunft erfordert Szenarien möglicher Entwicklungen
Zur Einschätzung der zu erwartenden gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Änderungen in den
kommenden Jahrzehnten werden Szenarien entwickelt. Mit diesen Szenarien werden Verände-
rungen der Landnutzung und der atmosphärischen Treibhausgaskonzentration der Atmosphäre
abgebildet. Für die so getroffenen Annahmen liefert eine Klimaprojektion Informationen über den
zukünftigen Zustand des Klimasystems.
Klimaszenarien im Fokus: RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 und RCP8.5. Sie bilden die Grundlage zur Abschät-zung der Bandbreite zukünftiger Klimaänderungen. Die Ziffern in den Szenariennamen repräsentieren den unter den jeweiligen Annahmen zu erwartenden zusätzlichen Strahlungsantrieb am Ende des 21. Jahr-hunderts, also die dem Klimasystem zusätzlich zuge-führte Energie (z. B. 8,5 Watt pro Quadratmeter (W/m²) bei RCP8.5 im Jahr 2100 gegenüber den Jahren 1861–1880).
Klimaszenarien im Fünften SachstandsberichtBei den im Fünften Sachstandsbericht verwende-ten Klimaszenarien handelt es sich um repräsentati-ve Konzentrationspfade (RCPs: Representative Con-centration Pathways), welche sehr unterschiedliche sozioökonomische Entwicklungen und, damit verbun-den, unterschiedliche Auswirkungen auf den Strah-lungshaushalt der Erde bzw. deren Energiehaushalt repräsentieren. Diese werden im Wesentlichen auf unterschiedliche zukünftige Änderungen der Treib-hausgasemissionen zurückgeführt. Dabei stehen vier
▲ Zukünftige Emissionen verursachen zukünftige zusätzliche Erwärmung, wobei die Gesamterwärmung von vergangenen und zukünftigenCO2-Emissionen dominiert wird. Zukünftige jährliche CO2-Emissionen (links) und Emissionen wichtiger Nicht-CO2-Antriebsfaktoren (rechts) überfünf illustrative Szenarien. Quelle: IPCC AR6 (2021), Abb. SPM.4a (Auszug).
Kohlendioxid (Gt CO2 pro Jahr)Methan (Mt CH4 pro Jahr)
Lachgas (Mt N2O pro Jahr)
Schwefeldioxid (Mt SO2 pro Jahr)
Ausgewählte Beiträge zu Nicht-CO2-Treibhausgasen
Ein Luftverschmutzungs- und Aerosolbeitrag
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Klimaszenarien im Sechsten Sachstandsbericht Für den Sechsten Sachstandsbericht des Weltklima-rats werden Szenarien verwendet, die basierend auf den RCPs jeweils mit einem passenden sozioökono-mischen Entwicklungspfad (SSP: Shared Socioecono-mic Pathway) verknüpft sind. Diese SSPs beschrei-ben einen nachhaltigen (SSP1) und mittleren (SSP2) Weg sowie einen Weg regionaler Rivalitäten (SSP3) und fossiler Entwicklung (SSP5). In Kombination mit den RCPs werden im 6. Sachstandsbericht des Welt-klimarats fünf dieser Szenarien mit höherer Priorität betrachtet: SSP1-1.9 und SSP1-2.6 sind Szenarien, wel-che die globale Erwärmung entsprechend des Pariser Klimaabkommens bis zum Jahr 2100 auf unter 1,5 °C bzw. 2 °C über dem vorindustriellen Niveau begren-zen. Die Szenarien SSP2-4.5 und SSP3-7.0 beschrei-ben unterschiedliche, moderate Emissionswege. Die stärkste Beeinflussung durch den Menschen wird durch das SSP5-8.5 Szenario beschrieben. Hier wird davon ausgegangen, dass jeder weitere Gewinn an Lebensstandard durch die Nutzung fossiler Energie-träger erreicht wird.
Auswirkungen der TreibhausgaseJe nachdem, wie hoch die globale Emission von Treib-hausgasen, wie z. B. Kohlendioxid und Methan, für zukünftige Zeiträume angenommen wird, ändert sich ihre Konzentration in der Atmosphäre. Klimamodel-le erlauben, die Auswirkungen dieser Szenarien auf die Entwicklung des Klimas zu simulieren. Dabei zeigt sich, dass die unterschiedlichen Treibhausgaskonzen-trationen der Szenarien im Ergebnis der Klimaprojek-tionen zu unterschiedlichen globalen Temperaturen im Verlauf des 21. Jahrhunderts führen. Somit lässt sich mit diesen unterschiedlichen Szenarien modellie-ren, wie sich die Welt erwärmen könnte, wenn mehr oder weniger klimapolitische Maßnahmen ergriffen werden. Die geringste Erwärmung ist bei rigoroser Reduktion des Material- und Energieverbrauchs bei zügigem Wechsel zu erneuerbaren Ener-giequellen zu erwarten. Um das Erwärmungsziel des SSP1-1.9 Szenarios zu erreichen, ist dar-über hinaus ab etwa Mitte des Jahrhunderts eine verstärkte aktive Entfernung von Treib-
hausgasen aus der Atmosphäre notwendig. Bei einer trägeren Einführung von Klimaschutzmaßnahmen (SSP2-4.5) oder der weiteren Nutzung fossiler Brenn-stoffe (SSP5-8.5) wird die globale Erwärmung deutlich stärker ausfallen. Die Ergebnisse der Klimamodelle weisen darauf hin, dass sich die Auswirkungen der Kli-mapolitik erst mit etwa 15 bis 20 Jahren Verzögerung zeigen. Insbesondere die – im Vergleich zu natürlichen Klimaschwankungen – hohe Geschwindigkeit der Kli-maänderung führt in vielen Bereichen, beispielsweise der Biodiversität, zu großen Problemen.
Aus den unterschiedlichen Modellergebnissen lässt sich ableiten, dass jede Tonne Treibhausgase, die nicht in die Atmosphäre emittiert wird, einen wichtigen Bei-trag zur Begrenzung der globalen Erwärmung leistet. Daher sind alle Menschen in der Verantwortung, ihren Beitrag zu leisten.
▲ Aktivitäten des Menschen wirken sich auf alle wichtigen Komponenten des Klimasystems aus, wobei einige über Jahrzehnte und andere über Jahrhunderte reagieren. Änderung der globalen Oberflächentemperatur gegenüber 1850–1900. Quelle: IPCC AR6 (2021), Abb. SPM.8a (Auszug).
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Klimaprojektionen für mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte
Weltweit werden globale Klimaprojektionen im Rah-men von CMIP (Coupled Model Intercomparison Pro-ject) koordiniert und erstellt. CMIP ist ein Projekt des globalen Klimaforschungsprogramms WCRP (World Climate Research Programme) der Weltorganisation für Meteorologie (WMO).
Darüber hinaus werden weltweit regionale Klimapro-jektionen durch die CORDEX (Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment) Initiative des WCRP koordiniert und erstellt. Für Europa liegen aktuell eine Vielzahl von Simulationen mit einer räumlichen Gitter-
weite von etwa 50 km und 12,5 km vor. Die Ergebnis-se der Projektionen werden häufig in Form von Abwei-chungen von einem Bezugszeitraum angegeben. Die Abweichungen werden auch als Klimaänderungssignal bezeichnet.
Der DWD widmet sich vor allem den regionalen Klima-projektionen mit dem Fokus auf Europa und Deutsch-land. Dazu werden weltweit verfügbare Daten der jeweils aktuellsten Klimaprojektionen gesammelt, aus-gewertet und den Nutzerinnen und Nutzern zur Verfü-gung gestellt.
Bei längeren Klimasimulationen über mehrere Jahrzehnte bis Jahrhunderte sind Randbedingungen
des Klimasystems von großer Bedeutung. Zu den Randbedingungen zählen neben natürlichen Ein-
flussgrößen wie z. B. Schwankungen der Solarkonstante und durch Vulkanausbrüche freigesetztes
Aerosol auch die anthropogenen Eingriffe in das Klimasystem, wie die Emission von Treibhausga-
sen und Eingriffe in die Landnutzung. Diese werden durch Klimaszenarien beschrieben.
Internationale Aktivitäten zur Erstellung von Klimaprojektionen
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EnsemblebetrachtungenUm Unsicherheiten abzuschätzen, die durch das chao-tische Verhalten des Klimasystems und die in Model-len nicht ausreichend oder fehlerhaft beschriebenen Prozesse entstehen, werden heute in vielen Anwen-dungen Ensemblerechnungen durchgeführt. Dies bedeutet, dass Klimasimulationen für den gleichen Zeitraum mit leicht unterschiedlichen Anfangsbedin-gungen oder modifizierten Modellparametern mehr-mals berechnet werden und somit eine Lösungsvielfalt entsteht. Mit einem einzelnen Modell bekommt man dadurch verschiedene Realisierungen, so dass die Bandbreite der Ergebnisse analysiert werden kann. Durch die Auswertung eines solchen Ensembles von Klimasimulationen können also Aussagen über die Bandbreite möglicher zukünftiger Entwicklungen des Klimasystems getroffen werden.
Um auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Modellen bzw. Modellketten berücksichtigen zu kön-nen, verwendet man sogenannte Multi-Modell-Ensem-bles. Dabei ist wichtig, möglichst viele verschiedene Modellergebnisse miteinander zu kombinieren, um die wegen unterschiedlicher Modellentwicklungen beste-hende Bandbreite bestimmen und abdecken zu kön-nen.
Auch bei der Auswertung von Ensembles muss bedacht werden, dass nie sämtliche Einflüsse und Unsicherheiten innerhalb des Klimasystems berück-sichtigt werden können. Ebenso kann sich die Band-breite angenommener Voraussetzungen (wie zum
Beispiel Emissionsszenarien) als nicht ausreichend herausstellen. Die aus der Analyse von Ensembles resultierenden Änderungen müssen daher immer als Teilmenge der in der Natur möglichen Veränderungen interpretiert werden.
Evaluierung der ModellergebnisseUm eine Einschätzung der Verlässlichkeit eines Kli-mamodells zu bekommen, ist es nötig, Zeiträume in der Vergangenheit zu simulieren und die statistischen Eigenschaften der Modellergebnisse mit denen der Beobachtungen zu vergleichen. Hierfür ist eine gute Datenbasis an Beobachtungen erforderlich.
Darüber hinaus ist wesentlich, ob ein Klimamodell in der Lage ist, die sogenannte Klimasensitivität rea- listisch zu reproduzieren. Unter Klimasensitivität ver-steht man in der Regel die Erwärmung der Atmosphä-re in Folge einer Verdopplung der Kohlendioxidkon-zentration in der Atmosphäre.
▲ Schematische Darstellung von Klimaprojektionen: Die schwarze Linie beschreibt die natürliche Klimaschwankung eines Erdsystemmodells (ESM) im Gleichgewicht. Das ist der sogenannte Kontrolllauf ohne anthropogene Einflussfaktoren. Die schwarzen Punkte repräsentieren unter-schiedliche Startzeitpunkte für die historischen Läufe. Ab diesen Startzeitpunkten wird das Gleichgewicht des Klimasystems durch Verände-rung der Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre gestört. Die unterschiedlichen Anfangsbedingungen hervorgerufen durch die Varia-bilität des Klimas führen zu unterschiedlichen Realisierungen, die die Bandbreite für verschiedene zukünftige Klimaentwicklungen innerhalb eines Szenarios repräsentieren. Typischerweise liegen zwischen den Startzeitpunkten etwa 50 Jahre.
▴ Illustration eines Ensembles.
18
Klimaprojektionen für DeutschlandKlimamodelle sind in der Lage, das Klima der Zukunft mit Hilfe von Szenarien zu projizieren. Mit
ausreichend großen Ensembles von Klimaprojektionen, welche in Zusammenarbeit mit einer Viel-
zahl an Institutionen weltweit zur Verfügung gestellt werden, ist es möglich, statistische Aussagen
über mögliche zukünftige Klimazustände zu treffen. Solche Ensembleauswertungen bilden zum
Beispiel die Grundlage für den Deutschen Klimaatlas des DWD. Ferner trägt der DWD zur Weiter-
entwicklung der Regionalisierungsmethoden bei, um die Auswirkungen eines veränderten Weltkli-
mas auf die klimatischen Verhältnisse z. B. in Deutschland besser zu beschreiben.
Die internationalen Aktivitäten zur Bereitstellung von Klimaprojektionen werden national durch verschiede-ne Forschungsprojekte unterstützt.
Die globalen Klimaprojektionen, die in Sachstandsbe-richten des Weltklimarats Berücksichtigung finden, werden durch den DWD systematisch für Deutsch-land ausgewertet und durch regionale Klimaprojektio-nen ergänzt. Zusätzlich werden Klimaprojektionen mit sehr hoher räumlicher Auflösung (etwa 3 km Gitter-weite) gerechnet.
Die regionalen Klimaprojektionen für Europa werden beim DWD einer Qualitätsprüfung unterzogen und finden, im Erfolgsfall, Eingang in das DWD-Referenz-Ensemble. Hier werden alle Simulationen, die festge-legte Kriterien erfüllen, zusammengefasst, um eine möglichst konsistente Datengrundlage zur Berech-nung von Klimaindikatoren oder als Eingangsda-
ten für Wirkmodelle zu gewährleisten. Das Referenz-Ensemble kann im Klimaatlas interaktiv visualisiert werden. Hier können verschiedene Klimaszenarien oder Klimaelemente ausgewählt werden. Für auf-wändigere Wirkmodelle ist es jedoch nicht möglich, alle Klimaprojektionen des Referenz-Ensembles als Antrieb zu verwenden. Für diesen Fall stellt der DWD das DWD-Kern-Ensemble zur Verfügung. Für jedes Szenario werden fünf bis sechs Simulationen aus dem Referenz-Ensemble ausgewählt, welche die Bandbrei-te der Änderungssignale des Referenz-Ensembles für Temperatur und Niederschlag bis Ende 2100 am bes-ten wiedergeben.
Im Zusammenhang mit dem deutschen Beitrag zu den globalen Klimaprojektionen wirkte der DWD an der Datenbasis für den Sechsten IPCC Sachstandsbericht mit.
DWD-Aktivitäten im Bereich der Klimaprojektionen
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◀ Temperatur- und Niederschlagsänderungssig-nale für das Weiter-wie-bisher-Szenario im Som-mer und Winter (Gebietsmittel für Deutschland) für den Zeitraum 2071-2100 relativ zum Bezugs-zeitraum 1971-2000. Hier wird deutlich, dass die von den verschiedenen Klimaprojektionen projizierten Temperatur- und Niederschlagsver-änderungen eine gewisse Bandbreite aufspan-nen und sich in den Jahreszeiten unterscheiden. Für die Temperatur zeigen alle Klimaprojektio-nen eine Zunahme, allerdings verschieden stark ausgeprägt. Dahingegen zeigen sie beim Nie-derschlag vor allem im Winter eine Tendenz zu höheren Mengen.
In regelmäßigen Abständen werden neue globale und regionale Ensembles von Klimaprojektionen mit aktualisierten Szenarien und verbesserten Modellen erzeugt. Kernaufgabe ist dabei, robuste Änderungs-signale relevanter Klimaparameter und Klimaindizes vor dem Hintergrund der bestehenden Szenarien-, Kli-masystem- und Modellunsicherheiten abzuleiten. Spe-zielle methodische Herausforderungen bestehen bei der Ableitung von Ergebnissen für extreme atmosphä-rische, ozeanographische und hydrologische Bedin-gungen. Bei der Ableitung von Erkenntnissen aus die-sen Klimaprojektions-Ensembles werden vom DWD stets die spezifischen Nutzeranforderungen berück-sichtigt.
Ergebnisse
▲ 30-Jahresmittel der 2m-Temperatur aus COSMO-CLM Klimasimulationen mit 3 km Gitterweite für den historischen Zeitraum (1971-2000, links), die nahe Zukunft (2031-2060, Mitte) und die ferne Zukunft (2071-2100, rechts). Die Projektionen für nahe und ferne Zukunft wurden mit dem RCP8.5-Szenario gerechnet.
Die derzeit aktuelle Auswertung der Klimaprojektio-nen für das Klimaszenario RCP8.5 zeigt für Deutsch-land im Zeitraum 2071–2100 einen Anstieg der boden-nahen Temperatur von 3,1 °C bis 4,7 °C im Vergleich zum Bezugszeitraum 1971–2000. Die Projektion der Nie-derschlagsänderung ist bei den vorliegenden Klimapro-jektionen der unterschiedlichen regionalen Klimamodel-le uneinheitlich. Im Jahresmittel für Deutschland wird eine Änderung von -1 % bis +15 % projiziert. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) geförderten Expertennetzwerks werden Klimaprojektionen mit sehr hoher räumlicher Auflösung (etwa 3 km) für Deutschland berechnet. Die Daten dieser Simulationen stehen demnächst über das ESGF-Portal zur allgemeinen Nutzung zur Verfügung.
Sommer Winter
Temperaturänderung in °CTemperaturänderung in °C
Nied
ersc
hlag
sänd
erun
g in
%
Nied
ersc
hlag
sänd
erun
g in
%
20
Auswirkungen des Klimawandels auf StädteDas Klima in Städten und Ballungsräumen unterscheidet sich auf Grund der Bebauungsstruktur
von dem des Umlands. Auch innerhalb der Stadt ist die räumliche Variabilität vieler Klimaparame-
ter hoch. Das Stadtklima und seine Änderungen zu kennen ist daher unerlässlich für eine erfolg-
reiche Anpassung an die Auswirkungen des Klimawandels in urbanen Räumen.
Unter Stadtklima ver-steht man das gegen-über dem Umland modi-fizierte Lokalklima. Eine besonders mar-kante Eigenschaft des Stadtklimas ist die städ-tische Wärmeinsel, die vor allem nachts bei wolkenfreien und wind-schwachen Wetterbe-dingungen durch höhe-re Lufttemperaturen in der Stadt im Vergleich zum Umland charakte-risiert ist. Die städtische Wärmeinsel ist ursächlich auf die Eigenschaften von Baustoffen bezüglich Wärmespeicherung und Refle-xion von Strahlung, auf die starke Versiegelung des Bodens und das Fehlen von Vegetation sowie auf die Freisetzung von Wärme durch menschliche Aktivitä-ten zurückzuführen.
Aufgrund der vielfältigen Landnutzungen und Bebau-ungsstrukturen weist das Lokalklima innerhalb der Stadt eine hohe räumliche Variabilität auf. Dies wird beim Wind besonders deutlich. Die mittlere Windge-schwindigkeit in der Stadt ist in der Regel reduziert, da Gebäude als Strömungshindernis wirken und die erhöhte aerodynamische Oberflächenrauigkeit den Wind abbremst. Durch Düseneffekte und Wirbelbil-dung zwischen Gebäuden und an Hausecken sowie Kanalisierungseffekte in Straßenschluchten kann es jedoch lokal zu erhöhten Windgeschwindigkeiten und Turbulenzintensitäten kommen.
Auswirkungen der Klimaänderungen in StädtenDie Folgen des Klimawandels betreffen zahlreiche Aspekte des städtischen Lebens. Neben der Erhöhung des Jahresmittels der Lufttemperatur werden sich insbesondere häufigere und intensivere Hitzeperio-den, die durch den Wärmeinseleffekt noch verstärkt werden, negativ auf die Gesundheit der Stadtbevöl-kerung, den Energieverbrauch und die Funktionalität der Infrastruktur auswirken. Die erwartete Zunah-me von Starkniederschlägen und damit verbunden das erhöhte Risiko für Sturzfluten und Hochwasser wird zukünftig eine größere Rolle in der Stadtplanung ein-nehmen. Für die Städte an den Küsten ergeben sich durch den Anstieg des Meeresspiegels und die Gefahr von Sturmfluten zusätzliche Risiken. Wie sich die kli-matisch bedingte Temperaturerhöhung in der Stadt ausprägt und welche Auswirkungen sich für die Stadt-entwicklung ergeben, kann mit Hilfe von Stadtklima-modellen und dynamisch-statistischen Methoden aus den regionalen Klimaprojektionen auf die benötigte räumliche Auflösung einer Stadt übertragen werden.
▲ Einflussfaktoren auf das Stadtklima.
Stadtklima
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▲ Mittlere jährliche Anzahl "Heiße Tage" in Frankfurt am Main für die Vergangenheit (1971–2000) und nahe Zukunft (2031–2060) auf Basis des repräsentativen Konzentrationspfades RCP8.5. Dargestellt ist die Spannweite möglicher zukünftiger Entwicklungen unter Auslassung der 15 % geringsten bzw. höchsten Ergebnisse des verwendeten Klimaensembles.
Mittlere jährliche Anzahl "Heiße Tage" für Vergangenheit und ZukunftVergangenheit Zukunft mit dem „Weiter-wie-bisher-Szenario“ (RCP8.5)
15. Perzentil 85. Perzentil1971 – 2000 2031 – 2060
Heiße Tage≤ 10
> 10 - 15> 15 - 20
> 20 - 25
> 25 - 30> 30 - 40
> 40 - 50> 50 - 60
> 60 - 70
> 70 - 75
Der DWD beantwortet viele Fragestellungen zur Stadt- und Regionalklimatologie mit Hilfe von Model-len wie KLAM_21, MUKLIMO_3 und PALM-4U. Die Ergebnisse werden genutzt, um Städte und Gemein-den zum Klimawandel und seinen Folgen zu beraten.
Stadtquartiere mit hohen Lufttemperaturen oder hoher Wärmebelastung lassen sich dank der Stadtkli-mamodellierung leicht identifizieren. Mögliche Aus-wirkungen auf die städtische Lufttemperatur und die Wärmebelastung infolge des Klimawandels werden mit der eigens hierfür entwickelten „Quadermetho-de“ auf Basis eines Ensembles regionaler Klimapro-jektionen und hochauflösender Stadtklimasimulatio-nen bestimmt. Da die städtische Wärmeinsel in der Nacht am stärksten ausgeprägt ist und eine fehlende nächtliche Abkühlung sich besonders negativ auf das Wohlbefinden und die Gesundheit der Stadtbevölke-rung auswirkt, spielt die nächtliche Bildung von Kalt-luft und die damit verbundenen Kaltluftabflüsse eine entscheidende Rolle. Mit Hilfe der Modellierung kann flächendeckend das Potential von unbebauten Flächen zur Bildung von Kaltluft analysiert werden. Trajektori-en simulieren beispielsweise wohin die Luft aus einem Kaltluftentstehungsgebiet fließt oder woher die Luft nachts in die besonders belasteten städtischen Gebie-te einströmt.
Eine wichtige Rolle bei der kommunalen Klimaanpas-sung an Hitze spielen Maßnahmen der Stadtentwick-lung, die der thermischen Aufheizung in der Stadt entgegenwirken. Dazu gehören die Freihaltung von Entstehungsgebieten und Transportpfaden von Kalt- und Frischluft sowie der Erhalt, die Erweiterung und die Neuanlage von Grün- und Wasserflächen zum Beispiel durch begrünte Straßenzüge, Fassaden und Dächer. Daneben tragen auch die Entsiegelung oder die Verwendung heller stark reflektierender Materiali-en und Oberflächen zur Hitzereduktion bei.
Die Stadtentwicklung kann durch Entsiegelung von Oberflächen und Schaffung von Retentionsflächen, sowie durch Speicherung von Regenwasser für Tro-ckenepisoden dem Auftreten von Überschwemmun-gen entgegenwirken. Das gespeicherte Regenwasser kann während Trockenepisoden für die Bewässerung der grünen Infrastruktur und durch Verdunstung zur Kühlung der Stadt dienen (Schwammstadt Prinzip).Das "Informationsportal Klimaanpassung in Städten" (INKAS) ist ein internetbasiertes Beratungswerkzeug für die Stadt- und Regionalplanung und auch für die interessierte Öffentlichkeit, um in wenigen Schritten die klimatische Wirkung von Anpassungsmaßnahmen gegen Hitze in der Stadt analysieren und vergleichen zu können.
Modellierung des Stadtklimas Klimaanpassung in Städten
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Klimavorhersagen von Wochen bis einigen JahrenKlimavorhersagen leiten aus dem vergangenen und aktuellen Zustand der Atmosphäre die Ent-
wicklung der Witterung und des Klimas in der Zukunft für Zeiträume von Wochen, Monaten und
Jahren ab. Sie liegen daher im Zeitraum zwischen Wettervorhersagen für die nächsten Tage und
Klimaprojektionen bis zum Ende des 21. Jahrhunderts. Wie Klimaprojektionen werden Klimavor-
hersagen, vor allem dekadische, von der Treibhausgaskonzentration beeinflusst, deren zukünftige
Ausprägung anhand unterschiedlicher Szenarien zur sozioökonomischen Entwicklung abgeschätzt
wird. Zusätzlich ist bei Klimavorhersagen, wie bei Wettervorhersagen, die Kenntnis des aktuellen
Zustandes des Klimasystems als Ausgangsbedingung essentiell.
Wettervorhersagen können die meteorologischen Ereignisse der nächsten Tage sehr detailgenau beschreiben. Vorhersagen, die über die nächsten Tage hinausgehen, sind durch wachsende Unsicherheiten gekennzeichnet. Dies ist vor allem auf das chaotische Verhalten der Atmosphäre zurückzuführen.
Da der errechnete zukünftige Zustand der Atmosphä-re stark von den Anfangswerten abhängig ist, werden diese in der Vorhersagemodellrechnung berücksich-tigt. Für bestimmte Wettersituationen können schon geringe Abweichungen von diesen Anfangswerten zu ganz verschiedenen Wetterentwicklungen in der Zukunft führen.
Im Rahmen von Klimavorhersagen können dennoch Abschätzungen über Klimaentwicklungen der kom-
menden Wochen, Monate, Jahreszeiten oder Jahre getroffen werden, indem neben der Atmosphäre auch deren Wechselwirkungen mit anderen Komponenten des Klimasystems berücksichtigt werden. Insbesonde-re Komponenten mit sogenanntem „langem Gedächt-nis“, wie beispielsweise der Ozean und das Meereis, tragen zur Vorhersagbarkeit der Klimaentwicklung bei.
Der Begriff "langes Gedächtnis" bezieht sich auf die Trägheit, mit der das System auf Änderungen reagiert. Zum Beispiel wirkt der Einfluss von Sonne, Wind und Regen auf den Ozean viel länger nach und wird zu einem anderen Zeitpunkt und Ort an die Atmosphäre zurückgegeben. Durch die Berücksichtigung all dieser Komponenten wird aus einem reinen Atmosphären-Modell ein umfassendes Erdsystem-Modell.
Tage Wochen Monate Jahre Dekaden Jahrhunderte
Klimaprojektionen
Anfangswert-Problem
Randwert-Problem
Wetter-vorhersagen
Witterungs- vorhersagen
saisonaleKlimavorhersagen
DekadischeKlimavorhersagen
▶ Illustration der unterschiedlichen Zeitskalen von Wettervorher-sagen (<14 Tage), Witterungsvorhersagen (3-6 Wochen), saisona-len Klimavorhersagen (1-6 Monate), dekadischen Klimavorhersagen (1–10 Jahre) und Klimaprojektionen (30–100 Jahre). Der Einfluss der Anfangswerte nimmt von kurzen zu langen Zeitskalen ab, wohinge-gen sich die Wirkung der Randwerte (z. B. Treibhausgase, Vulkan-ausbrüche) eher bei langen Zeitskalen zeigt, da sich deren Einflüsse über die gesamte Simulationszeit auswirken. Quelle: Max-Planck-Institut für Meteorologie, verändert durch DWD.
Klimavorhersagen der nächsten Wochen bis Jahre
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◀ Schematische Darstellung zur Klimavorhersa-ge: Der Startpunkt im Klimavorhersagemodell ist vom Verlauf des Klimas in der Vergangenheit abhängig. Verschieden ausgeprägte Anfangsbe-dingungen (siehe Lupe), die zu unterschiedlichen Modellverläufen für Zeiträume in der Zukunft führen, werden berücksichtigt und führen zu einem Vorhersage-Ensemble. Die Auswertung des Ensembles ermöglicht Aussagen über die Bandbreite und Wahrscheinlichkeit von klimati-schen Ereignissen.
Die Komponenten des Klimasystems mit „langem Gedächtnis“ geben dem chaotischen Verhalten auf Wetterzeitskalen auf längeren Zeitskalen eine Struk-tur und können dadurch von Klimavorhersagemo-dellen prognostiziert werden. Zum Start einer Kli-mavorhersage werden alle weltweit verfügbaren Beobachtungsdaten für die verschiedenen Komponen-ten des Klimasystems in das Klimamodell eingespeist (assimiliert). Um die Unsicherheiten dieser beobach-teten Startwerte zu berücksichtigen, werden zahlrei-che Modellsimulationen mit leicht unterschiedlichen Startwerten, ein sogenanntes Vorhersage-Ensemble, berechnet.
Zur Bestimmung der Qualität des Klimavorhersa-ge-Ensembles werden umfangreiche Klimavorhersa-gen für vergangene Zeiträume berechnet, so genann-te Nachhersagen. Statistische Qualitätsmaße können berechnen, wie gut diese Nachhersagen die tatsäch-
lichen Beobachtungen der Vergangenheit reproduzie-ren. Wenn ein Modell die Vergangenheit gut wiederge-ben kann, wird davon ausgegangen, dass es auch für die Zukunft gute Vorhersagen liefert. Durch statisti-sche Nachbereitung können Modellfehler an tatsächli-che Beobachtungen angepasst werden.
Das Ensemble der Klimavorhersagen kann auf zwei Arten ausgewertet werden: Der Mittelwert aller Vor-hersage-Simulationen kann mit dem vieljährigen Mit-tel eines zeitnahen Bezugszeitraums verglichen wer-den. Weiterhin kann die Verteilung des Ensembles als Wahrscheinlichkeit interpretiert werden, ob und wie stark zukünftige Zeiträume wärmer/kälter oder tro-ckener/feuchter im Vergleich zum Bezugszeitraum erwartet werden. So kann der nächste Winter „2 °C wärmer“ oder „mit 70 % Wahrscheinlichkeit feuchter“ als der Bezugszeitraum sein. Der vieljährige Bezugs-zeitraum umfasst seit 2021 die Jahre 1991 bis 2020.
KlimavorhersagenStart der Vorhersage
Simulation initialisiertmit historischenBeobachtungen
Zeit
Klima der Vergangenheit Vorhersage
Monat Saison bis Dekade
Tem
pera
tur
Klimasimulationen =Vorhersage-Ensemble
1
▶ Illustration von Ensemblemittel- und Wahrscheinlichkeitsvorhersagen
1 Die Vielzahl an Klimavorhersagen(links) bildet das Vorhersage-Ensemble.
2 Die Klimavorhersagen werden alsAbweichung (Anomalie) zu einemBezugszeitraum in der Vergangenheitausgedrückt. Das Mittel über alle Simulationendes Vorhersage-Ensembles bildet dieEnsemblemittelvorhersage.
3 Die Aufteilung der einzelnen Klima-vorhersagen in die Kategorien„höher als normal“, „normal“ und„niedriger als normal“ (getrennt durch die 33 %und 66 % Terzile des Bezugszeitraums)führt zur Wahrscheinlichkeitsvorhersage.
Ensemblemittel
Ensemblemittel-vorhersage
vorhergesagter Trendhöher als normal
66 % Terzil
normal
33 % Terzil
vorhergesagter Trendniedriger als normal
Wahrscheinlichkeitsvorhersage2 3
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▲ Dekadische Basis-Ensemblemittelvorhersage für die Temperatur in Deutschland für 2021–2025 und 2023–2027 (Vorhersagestart 2021).
Die Farbe stellt die Abweichung der Ensemblemittelvorhersage (5-Jahres-mittel) vom Klimamittel im Zeitraum 1991–2020 dar. Die Ampel zeigt die Vorhersagegüte im Evaluierungszeitraum 1966–2020:
signifikant schlechter als das beobachtete Klimamittel vergleichbar zum beobachteten Klimamittel signifikant besser als das beobachtete Klimamittel
Immer aktuell - die dekadischen Klimavorhersagen für die nächsten zehn JahreDekadische Klimavorhersagen beschreiben die Klimaentwicklung der nächsten Jahre bis zu einem
Jahrzehnt. Damit decken sie einen für Entscheidungsträger in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft
relevanten Zeitraum ab und haben eine besondere Bedeutung für die Planung von Anpassungs-
maßnahmen an den Klimawandel. Der DWD hat das dekadische Ensemble-Klimavorhersagesystem
des Projekts MiKlip (Mittelfristige Klimaprognosen) in den operationellen Betrieb übernommen
und erstellt nun jährlich dekadische Klimavorhersagen, welche auf der DWD-Klimavorhersagen-
Webseite veröffentlicht werden.
DWD-Aktivitäten im Bereich dekadischer Klimavorhersagen
Das vom Bundesministerium für Bildung und For-schung (BMBF) geförderte Projekt MiKlip (Mit-telfristige Klimaprognosen) hatte zum Ziel, ein globales dekadisches Klimavorhersagesystem zu entwickeln. Der DWD hat nach Projektende das Klimavorhersagesystem in den Routinebetrieb überführt und berechnet nun jährlich dekadische Klimavorhersagen der nächsten ein bis zehn Jah-re. Seit März 2020 werden die jährlich aktualisier-ten dekadischen Klimavorhersagen auf der DWD-Klimavorhersagen-Webseite veröffentlicht. Das Design wurde in Zusammenarbeit mit Nutzerin-nen und Nutzern entwickelt und umfasst konsis-tente Abbildungen für dekadische und saisonale Klimavorhersagen sowie Witterungsvorhersagen.
°C
2021-2025 2023-2027
25
Der intensive Nutzerdialog hat zum Ziel, maßge-schneiderte Produkte der dekadischen Klimavorher-sagen gemeinsam mit den Zielgruppen, z. B. aus den Bereichen Wasserwirtschaft, Forstwirtschaft oder Katastrophenvorsorge, zu entwickeln.
ErgebnisseDie Basis-Klimavorhersagen der DWD-Klimavorhersa- gen-Webseite zeigen Karten, Zeitreihen und Tabellen von Ensemblemittel- und Wahrscheinlichkeitsvorher- sagen für Temperatur und Niederschlag. Es wer-den 1- und 5-Jahresmittel in vier deutschen Regionen betrachtet und deren Vorhersagequalität als Ampel dargestellt. Für 2021-2025 und 2023-2027 zeigen Vor-
hersagen z. B. für Deutschland eine um 0,5-1,0 °C höhere Temperatur als im Bezugszeitraum 1991-2020. Für Niederschlag prognostiziert das DWD-Klimavor-hersagesystem eine Wahrscheinlichkeit von über 80 % für trockene Zeiträume in den nächsten zehn Jahren in Süddeutschland.
Die Profi-Klimavorhersagen bieten detailliertere, git-terpunktbasierte Darstellungen für Deutschland, Europa und die Welt. Die Vorhersagegüte wird durch drei Punktgrößen dargestellt. Die für Entscheidungs-träger ausschlaggebende regionale Verfeinerung der globalen Klimavorhersagen für Deutschland wird durch ein statistisches Downscaling auf etwa 20 km erreicht.
▲ Dekadische Basis-Wahrscheinlichkeitsvorhersage (Vorhersagestart 2021) für den Niederschlag in Süddeutschland als Zeitreihe für verschiedene Zeit-räume: Die Balken stellen die Wahrscheinlichkeiten der drei Kategorien (Trocken/Normal/Feucht) der Klimavorhersage (mittlere Jahressumme über 5 Jahre) im Vergleich zur Klimaausprägung im Zeitraum 1991–2020 dar. Die Kategorie Normal ist definiert als 893 mm–940 mm.
Die Ampel zeigt die Vorhersagegüte im Evaluierungszeitraum 1966–2020:
signifikant schlechter als das beobachtete Klimamittel vergleichbar zum beobachteten Klimamittel signifikant besser als das beobachtete Klimamittel
Deutschland: Süd
Mittlere Jahressumme
2023-2027 2026-20302021-2025
Wah
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einl
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it Tr
ocke
n/No
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/Feu
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%)
0
100
80
60
40
20
26
Saisonale Klimavorhersagen werden monatlich vom DWD veröffentlichtFür die Vorhersage der kommenden Monate sind verschiedene Komponenten des Klimasystems
von Relevanz: hohe Luftschichten, die über der wetteraktiven Schicht, der Troposphäre, liegen;
der Boden, der Wärme und Wasser aufnimmt und abgibt, auf dem sich Vegetation entwickelt und
wieder zurückgeht; das Meereis, dessen Ausdehnung auf das Wettergeschehen in den polaren und
subpolaren Regionen wirkt; sowie vor allem der Ozean, der auf langen Zeitskalen Wärme speichert
und abgibt. Aus diesem Zusammenspiel ergeben sich großräumige Klimaschwankungen, wie das
El Niño Phänomen, der Monsun oder die auf das europäische Wetter einwirkende Nordatlantische
Oszillation (NAO).
Saisonale Klimavorhersagen sind Gegenstand inten-siver Forschung und Weiterentwicklung. Für einige Regionen der Welt können sie jedoch schon heute die Grundlage für Entscheidungen liefern.
Der Deutsche Wetterdienst ermöglicht mit der Bereit-stellung saisonaler Klimavorhersagen eine frühzeitige Planung von Maßnahmen und Anpassung besonders bei Hinweisen auf bevorstehende Extremereignisse, z. B. Hitzewellen oder Dürren.
Diese monatlich aktualisierten Klimavorhersagen wer-den auf der Klimavorhersagen-Webseite des DWD ver-
öffentlicht und an den Copernicus Climate Data Store (CDS)1 abgegeben.
1 Das CDS ist das Klimadatenportal des europäischen Copernicus Kli-mawandeldienstes (C3S – Copernicus Climate Change Service).
DWD-Aktivitäten im Bereich der saisonalen Klimavorhersage
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Saisonale Klimavorhersagen weisen für manche Regionen wie z. B. Euro-pa oder Deutschland noch viele Unsi-cherheiten auf. Dennoch haben auch bestimmte Teilgebiete Europas und Deutschlands in bestimmten Monaten eine nützliche Vorhersagequalität.
Eine Verbesserung der Vorhersagegü-te lässt sich beispielsweise durch die Betrachtung ausgewählter Ensemble-Mitglieder erzielen, welche die groß-räumige Luftzirkulation über Europa und dem Nordatlantik gut reproduzie-ren können. So ergibt sich z. B. eine deutliche Verbesserung der Winter-vorhersage. Weiterhin ermöglicht ein statistisches Downscaling eine regio-nale Verfeinerung der groben globalen saisonalen Kli-mavorhersage für Deutschland auf etwa 20 km.
Ein besonders robustes Anwendungsbeispiel ist die saisonale Klimavorhersage eines El Niño-Ereignisses im tropischen Pazifik. Es tritt ein, wenn die mittlere Anomalie der Meeresoberflächentemperatur in einer bestimmten Region des Pazifik länger als drei Mona-te über 0,5 °C liegt. Ein El Niño-Ereignis verändert die Passatwinde und die Temperatur des Oberflächen-wassers im tropischen Pazifik und damit das Nieder-schlagsverhalten in vielen angrenzenden aber auch entfernten Regionen.
▲ Gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie und derUniversität Hamburg entwickelt und betreibt der Deutsche Wetter-dienst ein System zur saisonalen Klimavorhersage; das GCFS (Ger-man Climate Forecast System). Damit werden im Routinebetrieb glo-bale saisonale Klimavorhersagen erstellt und der Öffentlichkeit zurVerfügung gestellt. Die Grundlage dafür bildet das Erdsystem-Modelldes Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-ESM). Das GCFS-Ensemble von saisonalen Klimavorhersagen ist in ein internationalesMulti-Modell-Ensemble im Rahmen des am EZMW (Europäisches Zen-trum für mittelfristige Wettervorhersage) eingerichteten CopernicusKlimawandeldienstes eingebunden.
▲ Saisonale Profi-Ensemblemittelvorhersage (Vorhersagestart März 2021) für die Temperatur:Die Farbe stellt die Abweichung der Ensemblemittelvorhersage (3-Monatsmittel) vom Klimamittelim Zeitraum 1991-2020 dar.Die Punktgröße zeigt die Vorhersagegüte im Evaluierungszeitraum 1990-2020:
signifikant schlechter als das beobachtete Klimamittel
vergleichbar zum beobachteten Klimamittel
signifikant besser als das beobachteten Klimamittel
Mrz
- M
ai 2
021
28
Ein Ausblick auf die Witterungsentwicklung der nächsten WochenDie Witterungsvorhersagen beschreiben die großräumige, atmosphärische Entwicklung der nächs-
ten Wochen. Sie füllen den Zeitraum zwischen Wetter- und saisonalen Klimavorhersagen und
ermöglichen somit eine nahtlose Klimavorhersage der kommenden Wochen über Monate bis hin
zu Jahren.
DWD-Aktivitäten im Bereich der WitterungsvorhersagenIm Rahmen von Witterungsvorhersagen lassen sich Aussagen über Wochenmittel der Temperatur und Wochensummen des Niederschlags der nächsten Wochen treffen, um frühzeitige witterungsabhängige Planungen und Maßnahmen zu unterstützen. Die Wit-terungsvorhersagen setzen nach der Wettervorhersa-ge (bis zu 14 Tagen) an und treffen Aussagen für die dritte bis sechste Vorhersagewoche im Vergleich zum Referenzklima. Im Jahr 2022 werden diese Witterungsvorhersagen wöchentlich auf der Klimavorhersagen-Webseite des DWD veröffentlicht. Sie basieren auf dem Monats-Vorhersagesystem des Euro-päischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersa-gen (EZMW). Das EZMW wird von 34 Staaten gemein-
sam getragen, um die notwendigen Ressourcen für die aufwändigen Simulationen zu bündeln.
Der DWD erforscht potenzielle zukünftige Anwen-dungsbereiche der Witterungsvorhersagen. Beispiels-weise wird untersucht, ob durch die Verknüpfung dieser Vorhersagen mit einem Bodenwasserhaushalts-modell mittelfristige Aussagen zur Bodenfeuchte und damit Dürreverhältnisse erstellt werden können. Im Verbund mit anderen Behörden arbeitet der DWD an Vorhersagen zum Hochwasserrisikomanagement und zur Unterstützung des Sedimentmanagements im Ästuarbereich.
29
Die Witterungsvorhersage wird auf der DWD-Klima-vorhersagen-Webseite konsistent zu den Abbildungen der dekadischen und saisonalen Klimavorhersagen abgebildet. Dort werden ab 2022 Karten, Zeitreihen und Wertetabellen von Ensemblemittel- und Wahr- scheinlichkeitsvorhersagen von Temperatur und Niederschlag für Deutschland, Europa und die Welt dargestellt. Die Witterungsvorhersage wird gemein-sam mit der entsprechenden Vorhersagegüte bereitge-
stellt. Dabei werden wöchentliche Prognosen von 51 Vorhersagemodellläufen über sechs Wochen sowie von elf Nachhersagemodellläufen genutzt. Für eine Gitter-verfeinerung in Deutschland zur Datenbereitstellung und zur Präsentation auf der Webseite wird das empi-risch-statistische Downscalingverfahren EPISODES eingesetzt.
▲ Witterungs-Basis-Ensemblemittelvorhersage (Start der Vorhersage am17.06.2021) für die Temperatur: Die farbigen Punkte stellen die Abweichung derEnsemblemittelvorhersage (Wochenmittel) vom Klimamittel im Zeitraum 2001-2015dar. Die Box-Whisker zeigen die Verteilung des Vorhersage-Ensembles. Der graueHintergrund beschreibt die Bandbreite der Beobachtungen im Zeitraum 2001-2015.
Die Ampel zeigt die Vorhersagegüte im Evaluierungszeitraum 2001-2015:
signifikant schlechter als das beobachtete Klimamittel vergleichbar zum beobachteten Klimamittel signifikant besser als das beobachtete Klimamittel
Deutschland: Gesamt
Wochenmittel
01. Jul 2021-07. Jul 2021
08. Jul 2021-14. Jul 2021
15. Jul 2021-21. Jul 2021
22. Jul 2021-28. Jul 2021
Minimum-Maximum der Beobachtungen 2001-2015Minimum, 25./50./75. Perzentil, Maximum der Klimavorhersage
Abw
eich
ung
(°C)
zum
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2015
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l/ 08
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.-28.
Jul:
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18,
7/ 1
9,0)
8,0
4,0
0,0
-4,0
-8,0
30
Die Folgen des Klimawandels betreffen viele Handlungsfelder in Politik und Wirtschaft. Extrem-
ereignisse wie Hitzewellen, Dürren, Starkniederschläge oder ähnliches setzen Wirkungsketten in
Gang, an deren Ende Aspekte der Daseinsvorsorge sowie der Sicherheit stehen. Die Bundesregie-
rung adressiert diese Thematik im Rahmen der Umsetzung der im Dezember 2008 beschlosse-
nen "Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel" (DAS), die kontinuierlich bezüglich der
Aspekte Klimawirkung, Klimarisiko und Anpassung fortgeschrieben wird. Hierbei sollen Akteu-
rinnen und Akteure auf allen Ebenen über die Risiken und Chancen der Klimaveränderungen für
ihren Tätigkeitsbereich informiert werden, um damit Vorbereitungen treffen zu können. Die Daten-
grundlage im Bereich Klima stellt der DWD zur Verfügung.
Maßgeschneiderte Klimaservices Maßgeschneiderte Klimaservices sind eine wesent-liche Aufgabe des DWD und werden in engem Aus-tausch mit den Zielgruppen entwickelt. Der Austausch mit den Nutzerinnen und Nutzern erfolgt durch unse-re Regionalen Klimabüros und die Zentrale in Offen-bach.
Zum Thema Klimavorhersagen und Klimaprojektionen veranstaltet der DWD jährlich ein Nutzerworkshop Klimavorhersagen und Klimaprojektionen und veröf-fentlicht halbjährliche und situationsbezogene News-letter zu aktuellen Themen der Klimawissenschaft und nutzerspezifischen Anwendungen sowie deren zukünftige Perspektiven im Bereich Klimavorhersa-
Der Deutsche Wetterdienst berät und unterstützt Nutzerinnen und Nutzer von Klimadaten bei allen Fragen zum Klima, der Klimavariabilität und dem Klima-wandel
Unsere Leistungen umfassen unter anderem:◆ Beratungsleistungen zu allen Fragen rund um das Thema Klimawandel◆ Statistische Auswertung von Klimaprojektionsdaten◆ Abgabe von Klimaprojektionsdaten und -produkten◆ Abgabe von Klimavorhersagedaten und -produkten
Anfragen zu oben genannten Leistungen des DWD können über folgende E-Mail-Adresse gestellt werden: [email protected]
gen und Klimaprojektionen. Die Klimavorhersagen des DWD werden regelmäßig auf der Klimavorhersagen-Webseite aktualisiert. Das Angebot wird sowohl durch Anregungen der Nutzerinnen und Nutzer bezüglich der Verständlichkeit als auch durch Hinzunahme wei-terer Leistungen stetig weiter ausgebaut. Der Klima-atlas verbindet Klimaüberwachung und Klimaprojek-tionen für Deutschland mit Fokus auf verschiedene Handlungsfelder.
Ergänzend entwickelt der DWD in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen projektbasierte Pro-dukte, wie z. B. Testreferenzjahre (TRY) oder die Wind-klimatologie QuWind100, welche den Nutzerinnen und
Klimaservices des DWD zu Klimavorhersagen und Klimaprojektionen
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Nutzern über die Webseite des DWD kostenfrei zur Verfügung gestellt werden. In den genannten Beispie-len wurden Beobachtungsdaten und Zukunftsprojek-tionen zielorientiert und bedarfsgerecht aufbereitet. Im Bereich der Klimaüberwachung gibt es den inter-aktiven Service des CDC-Portals. Hier können eine Vielzahl von gemessenen und abgeleiteten Klimadaten abgerufen und visualisiert werden. Die Angebote des CDC-Portals werden kontinuierlich erweitert.
Klimaservices in DeutschlandFür die Anpassung des Verkehrssystems an die Aus-wirkungen des Klimawandels und an extreme Wet-ter- und Klimaereignisse, aber auch für viele weitere Handlungsfelder der Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel (DAS), werden fortlaufend aktuel-le und belastbare Datengrundlagen und Informationen für klimatologische, ozeanographische und hydrologi-sche Parameter sowie daraus abgeleitete operationel-le Dienstleistungen für Gegenwart und Zukunft benö-tigt. Dazu hat das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) 2020 den DAS-Basis-dienst „Klima und Wasser“ eingerichtet und den DWD mit der Koordination beauftragt. In diesem Dienst werden Produkte zur Unterstützung der DAS erzeugt und regelmäßig bereitgestellt.
Aufgrund der Vorarbeiten in vorangegangenen For-schungsprojekten (z. B. BMVI-Expertennetzwerk) ste-hen bereits heute ausgewählte Leistungen für den operationellen Betrieb im Webportal des DAS-Basis-dienstes "Klima und Wasser" bereit. Weitere Leistun-gen sollen auf Basis aktueller Forschungsergebnisse aufgegriffen werden, um dadurch das Portfolio an Kli-maservices zu erweitern.
Darüber hinaus hat sich der DWD mit weiteren Bun-desbehörden zum Deutschen Klimadienst (DKD) zusammengeschlossen, um gemeinsam Klimadiens-te für Deutschland bereitzustellen. Die Geschäfts-stelle des DKD stellt der DWD. Der Aufbau des DKD als Netzwerk hat zum Ziel, den Zugriff auf fundierte Informationen zur Unterstützung von Entscheidungen in Politik, Verwaltung und Wirtschaft zu erleichtern. Damit wird eine optimale Nutzung des vorhande-nen Klimawissens angestrebt. Dieses Wissen wird im Deutschen Klimavorsorgeportal (KLiVO Portal) auf Initiative der Bundesregierung unter gemeinsamer Regie von DWD und Umweltbundesamt zur Verfügung gestellt. Das Portal selbst bietet eine Sammlung von Zugängen zu den unterschiedlichsten Klimainforma-tions- und Klimaanpassungsdiensten.
Bedeutung der Klimaservices auf internationaler EbeneMit den beschriebenen Aktivitäten trägt der DWD zu den vom weltweiten Rahmenwerk für Klimadienstleis-tungen der Vereinten Nationen empfohlenen Baustei-nen für erfolgreich agierende Klimadienste auf natio-naler Ebene bei.
Auf europäischer Ebene ist der operationelle Coperni-cus Klimawandeldienst (C3S) von großer Bedeutung. Er stellt aktuelle Klimaindikatoren und modellierte Indizes für die Zukunft bereit. Zur Demonstration der Nutzbarkeit werden bei C3S für praktische Anwen-dungen aus der Agrar- und Forstwirtschaft, dem Gesundheitswesen oder der Energie-, Wasser-, und Tourismuswirtschaft Wirkmodelle eingesetzt, die bei der Anpassung an den Klimawandel unterstützen. Der DWD beliefert den Copernicus Klimawandeldienst mit Daten der Klimavor hersagen, grundlegenden Klimava-riablen und Klimabulletins.
▲ Entwicklungszyklus für bedarfsorientierte Entwicklung von Klimaservices.
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AusblickZur Wahrnehmung seines gesetzlichen Auftrags stellt der Deutsche Wetterdienst meteorologische
und klimatologische Informationen von der Wettervorhersage bis zur Klimaprojektion bereit. Für
den Zeitraum jenseits der traditionellen Wettervorhersage werden dazu Klimamodelle eingesetzt.
Heutige Klimamodelle bilden die wesentlichen Komponenten des Klimasystems ab. Insgesamt
müssen sie jedoch weiter optimiert werden, um das Klimasystem mit all seinen Komponenten
und Wechselwirkungen noch besser zu beschreiben und die Güte der Klimavorhersagen
und -projektionen noch weiter zu verbessern. Die Hinzunahme neuer Beobachtungsdaten
und die Auswertung von Ensembles sind wichtige Voraussetzungen für die Reduzierung von
Unsicherheiten. Statistische Modelle bilden neben den dynamischen Klimamodellen zudem einen
vielversprechenden Ansatz und können in Zukunft verstärkt zur Ensembleerweiterung und
Nachbereitung in Betracht gezogen werden.
Eine weitere Herausforderung ist die Bereitstellung von Ergebnissen in höherer räumlicher
Auflösung bis hin zur Gemeindeebene. Mit der zunehmenden Verfeinerung der Gitterweite
der Klimasimulationen rücken weitere Komponenten des Klimasystems in den Fokus, die in
ihrer Komplexität noch nicht vollständig in den Klimamodellen enthalten sind, wie z. B. die
Klimawirkung von Gebäuden oder die Atmosphärenchemie. Solch offene Fragestellungen werden
in der Klimaforschung verfolgt und in die nächsten Generationen der Klimamodelle implementiert.
Insbesondere für saisonale und dekadische Klimavorhersagen bedarf es weiterer Anstrengungen,
um Unsicherheiten weiter zu mindern und die Aussagekraft auf regionaler Ebene zu verbessern.
Ihre besondere Bedeutung wurde im globalen Klimaforschungsprogramm (WCRP: World
Climate Research Programme) hervorgehoben. Langfristig verfolgt der DWD das Ziel nahtloser
Klimavorhersagen und -projektionen auf allen Zeit- und Raumskalen (seamless prediction).
Dazu wurde begonnen, das in der Wettervorhersage eingesetzte Modell, ICON auch für
Klimaanwendungen nutzbar zu machen. Es ist zu erwarten, dass durch dieses moderne
Modellsystem die Verlässlichkeit der Prognosen des künftigen Klimas verbessert werden.
Für die Entwicklung von Klimadiensten auf Basis von Klimavorhersagen und Klimaprojektionen
stellt auch die Zusammenarbeit mit potenziellen Zielgruppen, z. B. aus der Versicherungs- und
Windenergiebranche, dem Katastrophenschutz, der Landwirtschaft oder dem Transportwesen
eine wichtige Aufgabe dar. Ziel der gesamten DWD-Aktivitäten ist die Versorgung der Nutzerinnen
und Nutzer mit anwendungsbezogenen Produkten im Bereich der Klimavorhersagen und
Klimaprojektionen.
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ImpressumAutorenBarbara Früh, Jennifer Brauch, Susanne Brienen, Saskia Buchholz, Kristina Fröhlich, Amelie Hoff, Florian Imbery, Frank Kreienkamp, Jennifer Lenhardt, Nora Leps, Andreas Paxian, Heidi Seybert, Christian Steger, Andreas Walter, Sabrina Wehring
RedaktionBarbara Früh
Gestaltung und SatzMichael Kügler, Marcel Reichel, Anja Thomas
DruckDruckerei des BMVI Robert-Schumann-Platz 1 53175 Bonn
Fotos und AbbildungenDWD, außer:
Fotolia.de, geändert durch DWD: Titelseite, S. 18 oben (Erdglobus: Anton Balazh, alte Seekarte: caz)
Michael Kügler: S. 8, 26; Hanna Luca: S. 11
Pixabay: S. 3 (links Larisa Koshkina, Mitte Hans Braxmeier, rechts Naturfreund_Pics); S. 4 Hans Braxmeier; S. 15 oben jwvein; S. 18 unten jplenio; S. 22 oben Winterseitler
Panthermedia.net: S. 6 (Candy18); S. 16 oben (kwest); S. 28 Patrick Lienin
ESA-ATG: S. 32; DKRZ: S. 12 oben
DKRZ/ESiWACE2, Landflächen: NASA Blue Marble: S. 13
IPCC AR6: S. 9: Sum. Pol. Maker Abb. SPM.1; S. 14: Sum. Pol. Maker Abb. SPM.4a; S. 15 unten: Sum. Pol. Maker Abb. SPM.8a
MPI: S. 22 unten, geändert durch DWD
BMVI-Expertennetzwerk: S. 19 oben
Online-AusgabeDieses Heft liegt als digitales Dokument auf unserer Internetseite www.dwd.de/klimavorhersagenundprojektionen
Die Online-Ausgabe unterliegt der Lizenz http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.de
KontaktTelefon: 0049 69 8062-2912 Email: [email protected]
ZitierhinweisDWD (2021): Klimavorhersagen und Klimaprojektionen; Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main, Deutschland, 36 Seiten.
ISBN 978-3-88148-531-9 (Print) ISBN 978-3-88148-532-6 (Online)
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Weblinks in dieser Broschüre
Internetauftritt des DWDwww.dwd.de
Attributionsforschung beim DWDwww.dwd.de/attribution
Expertennetzwerkwww.bmvi-expertennetzwerk.de
Informationsportal Klimaanpassung in Städtenwww.dwd.de/inkas
Copernicus Klimawandeldiensthttps://cds.climate.copernicus.eu
DWD Newsletter-Anmeldungwww.dwd.de/newsletter
QuWind 100www.dwd.de/qwind100
Deutsches Klimavorsorgeportalwww.klivoportal.de
Deutscher Klimaatlaswww.dwd.de/klimaatlas
DAS-Basisdienstwww.das-basisdienst.de
Informationen zum Klima in Deutschlandwww.dwd.de/klima-deutschland
Zugang zu Klimamodelldaten über den ESGF-Knotenhttps://esgf.dwd.de/
DWD-Referenz-Ensemblewww.dwd.de/ref-ensemble
DWD Klimavorhersage-Websitewww.dwd.de/klimavorhersagen
Informationen zum DWD-Nutzerworkshop Klimavorhersagen und -projektionenwww.dwd.de/klimanutzerworkshop
Zugang zu Datensätzen der Testreferenzjahrewww.dwd.de/TRY
Zugang zu Klimadaten über das CDC-Portalhttps://cdc.dwd.de/portal
Elektronische Version der vorliegenden Broschürewww.dwd.de/klimavorhersagenund- projektionen
DW
D 4
. Aufl
age
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Deutscher Wetterdienst
Klima- und Umweltberatung
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