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Klimawandel auf globaler, nationaler, regionaler sowie lokaler Ebene Klimawandel Grundlagen Klimawandel auf globaler Ebene Klimawandel auf regionaler und lokaler Ebene Globale Klimamodelle Klimaszenarien

Der vom Menschen ausgelöste globale Klimawandel ist eine in der Fachwelt anerkannte Tatsache. Die ersten Folgen des Klimawandels sind in Sachsen-Anhalt bereits spürbar. Die Auswirkungen des Klimawandels wird man in Sachsen-Anhalt in den kommenden Jahrzehnten vermehrt zu spüren bekommen. Der Themenkomplex Klimawandel lässt sich generell in zwei Bereiche aufteilen: Die Klimaanalyse umfasst alle Auswertungen von Klimadaten in der Vergangenheit. Im Themenbereich Klimaprojektion werden mögliche Klimaentwicklungen in der Zukunft auf der Grundlage von Klimamodellrechnungen betrachtet. Bei der Klimaanalyse ist es wichtig, von heute beginnend in der Geschichte zurückzuschauen, um die Klimageschichte des Planeten bewerten zu können. Nur so können aktuelle und künftige Entwicklungen in die Klimageschichte eingeordnet und Extremereignisse bewertet werden. Unterschied zwischen Wetter, Witterung und Klima Wetter: Als Wetter wird der physikalische Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem auch kürzeren Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet bezeichnet, wie er durch die meteorologischen Elemente und ihr Zusammenwirken gekennzeichnet ist. Witterung: Als Witterung wird der allgemeine, durchschnittliche oder auch vorherrschende Charakter des Wetterablaufs eines bestimmten Zeitraums (von einigen Tagen bis zu ganzen Jahreszeiten) bezeichnet. Klima: Das Klima ist definiert als die Zusammenfassung der Wettererscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem mehr oder weniger großen Gebiet charakterisieren. Hierbei wird ein Zeitraum von mindestens 30 Jahren zugrunde gelegt. Die Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation - WMO) empfiehlt den Zeitraum 1961 bis 1990 als Klimareferenzperiode zur langfristigen Betrachtung der Entwicklungen des Klimawandels. Klimawandel: Als Klimawandel werden die langfristigen Veränderungen dieses mittleren Zustandes der Atmosphäre (Klima) bezeichnet. Dabei ist es unerheblich, ob die Veränderungen natürlichen Ursprungs sind oder nicht. Das Klima unterliegt verschiedenen Einflüssen wie bspw. der Sonnenaktivität und den Erdbahnparametern, sowie Vulkanausbrüchen oder der Plattentektonik aber auch dem Einfluss des Menschen. Dabei kann festgehalten werden: Die durch den Menschen hervorgerufene Klimaerwärmung seit Beginn der Industrialisierung ist wissenschaftlicher Konsens. Der Treibhauseffekt Der Treibhauseffekt ist ein auch ohne den Menschen vorkommendes Phänomen: Die Erdoberfläche strahlt langwellige Wärmestrahlung ab. Diese langwellige, nach oben gerichtete Strahlung wird durch Bestandteile der Atmosphäre, die Treibhausgase, absorbiert (aufgenommen) und wieder emittiert (abgegeben). Diese Strahlungsemission geschieht dabei in alle Richtungen, sodass die eigentlich nach oben gerichtete langwellige (also Wärme-)Strahlung zum Teil in der Atmosphäre gehalten wird. Diese erwärmt sich somit. Treibhausgase kommen natürlicher Weise in der Atmosphäre vor. Natürlich in der Atmosphäre vorkommende Treibhausgase sind bspw. Kohlenstoffdioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ), Lachgas (N 2 O) und Wasserdampf (H 2 O). Im Fall des Wasserdampfes verdeutlicht ein einfaches Beispiel den Effekt: In einer sternenklaren Nacht kühlt die Atmosphäre wesentlich schneller aus als bei bedeckten Verhältnissen. Die Erdatmosphäre schützt die Erde somit vor dem Auskühlen: im Gleichgewicht des Strahlungshaushalts ohne Atmosphäre läge die mittlere Erdoberflächentemperatur bei -18 °C. Ausgehend von einer globalen Mitteltemperatur von rund 15 °C wäre es ohne den Treibhauseffekt auf der Erde somit um ca. 33 Kelvin kälter. Die Konzentrationen der Treibhause CO 2 , CH 4 und N 2 O steigen seit Jahrzehnten durch den menschlichen Ausstoß an. In den letzten 60 Jahren hat die CO 2 -Konzentration um 25% zugenommen. Die Konzentration von Methan hat sich mehr als verdoppelt. Dabei gilt zu beachten, dass Methan eine deutlich stärkere Treibhauswirkung hat als CO 2 . Die Atmosphäre ist ein komplexes System. So hängen die verschiedenen physikalischen Größen und Vorgänge wie bspw. Temperatur, Verdunstung sowie Niederschlag/Wasserkreislauf miteinander zusammen. Verändert sich eine Variable (im Falle des Klimawandels die Temperatur), verändern sich auch die anderen Prozesse und Zustände der Atmosphäre. Weiterhin hängen die verschiedenen Komponenten des Klimasystems (Atmosphäre, Hydrosphäre, Kryosphäre, Biosphäre, Lithosphäre/ Pedosphäre) miteinander zusammen. Um nur einige der prominentesten Beispiele zu nennen: Die Temperaturerhöhung der Atmosphäre hat bspw. Auswirkungen auf den Meeresspiegel der Ozeane (Hydrosphäre; z. B. Abschmelzen der Gletscher (Kryosphäre) sowie Dichteabnahme und damit Ausdehnung des Meerwassers) oder den Säuregehalt des Ozeans. Dies wiederum führt zu Beeinflussung des Ökosystems Meer (Biosphäre; bspw. Absterben von Korallenriffen). Weiterhin ist hiervon auch direkt der Lebensraum des Menschen betroffen: Besonders Inselstaaten sind vom Meeresspiegelanstieg bedroht. Zudem bricht mit den absterbenden Korallenriffen ein bedeutsamer Küstenschutz weg. Die globale Lufttemperatur hat seit 1850 um 1,1 K zugenommen. 2023 war global das erste Jahre, dass mehr als 1,5 K wärmer war als vorindustriell (Quelle: https://climate.copernicus.eu/global-climate-highlights-2023 ). Aber auch die Meerestemperaturen steigen an und puffern so einen Teil der Erwärmung der Atmosphäre zunächst ab. Der Anstieg der Temperaturen führt aber sowohl ober, als auch unterhalb der Wasseroberfläche zu Veränderungen von Gletschern, Eisschilden, Strömungen, Flora, Fauna und vielem mehr. Besonders empfindliche Systeme drohen irreversibel geschädigt zu werden, mit Folgen für den ganzen Planeten. Die Rede ist von sogenannten Kipppunkten im Klimasystem der Erde. Die Schnelligkeit der Erwärmung und der damit einhergehenden Veränderungen stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus diesen Gründen ist sowohl die Anpassung an bereits stattgefundene oder nicht mehr vermeidbare Klimaveränderungen zwingend nötig, als auch der Schutz des Klimas insgesamt, um noch weiterreichende Veränderungen zu verhindern. Der Klimawandel wirkt sich auch auf regionaler Ebene aus. So steigt bspw. schon heute die Hitzebelastung in mitteldeutschen Sommern. Weiterhin können sich die Niederschlagsverhältnisse innerhalb des Jahres verschieben bzw. durch stabile Wetterlagen kann es immer häufiger zu länger anhaltenden Witterungsverhältnissen kommen, die unter Umständen zu Dürre oder Hochwassergefahr führen. Das Mittel der Temperaturverteilung verschiebt sich in Richtung warm bei zunehmender Bandbreite mit den Hitzeextremen. Globale Klimamodelle sind komplexe physikalische Modelle, die das Klimasystem der Erde anhand physikalisch-numerischer Gleichungen computergestützt und zeitabhängig beschreiben. Kalibrierte Modelle ermöglichen unter definierten Annahmen über die zukünftige Treibhauskonzentrationsentwicklung die Simulation möglicher zukünftiger Klimaentwicklungen (siehe Klimaszenarien). Modelle und ihre Eigenschaften Man nutzt zur Berechnung des zukünftigen Klimas globale Zirkulationsmodelle (General Circulation Model bzw. Global Climate Model - GCMs). Globale Modelle stellen ein unverzichtbares Instrumentarium für voraussichtliche Veränderungen der Häufigkeit und Dauer von charakteristischen Großwetterlagen dar und besitzen eine horizontale Auflösung von ca. 200 km x 200 km Gitterabstand (IPCC). Zeitliche Entwicklung der Modelle Die Entwicklung der globalen Zirkulationsmodelle ist wesentlich an die Entwicklung der Computerkapazitäten gebunden. Erst die Fortschritte in der Rechenleistung großer Computeranlagen haben es ermöglicht, dass sich die Komplexität der Modelle, die Länge der Simulation und die räumliche Auflösung steigern ließen. Die ersten Modellrechnungen wurden mit reinen Atmosphärenmodellen durchgeführt, die aus Wettermodellen abgeleitet wurden. Seit den 1960er Jahren wurden Atmosphären- und Ozeanmodelle miteinander gekoppelt, zunächst mit einer sehr rudimentären Dynamik. In den folgenden Jahren wurden Modelle der Atmosphäre und des Ozeans getrennt weiterentwickelt. Seit den 1990er Jahren wurden immer mehr Komponenten des Klimasystems miteinbezogen und die Modelle wurden immer komplexer. So wurden Anfang der 1990er Jahre Modellrechnungen durchgeführt, die auch die Wirkung der in der Summe abkühlend wirkenden Aerosole berücksichtigten. Außerdem wurden Modelle für den ozeanischen und terrestrischen Kohlenstoffkreislauf entwickelt und in gekoppelten Simulationen für den Bericht des Weltklimarates IPCC von 2007 genutzt. Eine dynamische Vegetation und die Chemie der Atmosphäre sind weitere Bausteine der Modellentwicklung. Das Resultat sind sogenannte Erdsystemmodelle. In jüngster Zeit sind verbesserte biogeochemische Kreisläufe und dynamische Eisschilde, die mit Klimaänderungen in Wechselwirkung stehen, hinzugekommen. Das langfristige Ziel ist es, dass möglichst alle Komponenten des Klimasystems einschließlich ihrer Rückkopplungen und der externen Störungen simuliert werden können. Um Aussagen über das zukünftige Klima treffen zu können, werden Globale Klimamodelle in Verbindung mit Szenarien genutzt. Diese Klimaszenarien beinhalten Annahmen über die zukünftige Entwicklung von Treibhausgasen und ggf. die Gesellschaft. Sie stellen eine sogenannte Randbedingung von Klimamodellrechnungen für die Zukunft (= Klimaprojektionen) dar. Der 5. IPCC-Bericht verwendete Szenarien mit repräsentativen Konzentrationspfaden (RCP), die den möglichen zukünftigen Verlauf der absoluten Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre beschreiben. Im neueren 6. IPCC-Bericht fanden gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade (Shared Socioeconomic Pathways, SSP) Anwendungen, die stärker den möglichen künftigen Einfluss der gesellschaftlichen und ökonomischen Entwicklung der Menschheit als Ausgangspunkt für den Ausstoß von Treibhausgasen betrachten. Die unterschiedlichen RCP Szenarien sind in der Abbildung dargestellt. Der Zahlenwert hinter dem RCP entspricht dem zusätzlichen Strahlungsantrieb. Der anthropogene Strahlungsantrieb ist hierbei ein Maß für den Einfluss, den ein einzelner Faktor auf die Veränderung des Strahlungshaushalts der Atmosphäre und damit auf den Klimawandel hat. Er wird in Watt pro Quadratmeter angegeben. Ein positiver Strahlungsantrieb, z.B. durch die zunehmende Konzentration langlebiger Treibhausgase, führt zu einer Erwärmung der bodennahen Luftschicht. Ein negativer, z.B. durch die Zunahme von Aerosolen, hingegen bewirkt eine Abkühlung ( weitere Informationen ). Bei RCP2.6 würden also 2,6 W/m² mehr in der Atmosphäre verbleiben. Das Szenario des RCP2.6 ist dabei das Szenario mit konsequentem globalem Klimaschutz, dass das Ziel von 1,5 K Erwärmung bis 2100 einhalten könnte. Mit moderatem Klimaschutz rechnet das Szenario RCP4.5, hier würde man global rund 2 K Erwärmung bis 2100 erreichen. Das RCP6.0 ist das Szenario mit wenig globalem Klimaschutz. Hierbei würde sich die Erwärmung bis 2100 auf etwa 3 K belaufen. Ohne Klimaschutz (RCP8.5) würde die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre weiter ungebremst zunehmen. Die globale Temperatur würde bis 2100 um mehr als 4 K zunehmen mit entsprechend verheerenden Folgen für unseren Planeten. Die neuere Szenarienfamilie des 6. IPCC Berichts teilt sich recht ähnlich zu der Szenarienfamilie der RCPs auf, auch wenn sich diese im Detail unterscheiden. So wurden zunächst Narrative der sozioökonomischen Entwicklung aufgespannt, welche von „Nachhaltigkeit“ bis „Fossile Entwicklung“ reichen. Für diese verschiedenen Narrative (SSP1 bis SSP5) können verschiedene Strahlungsantriebe eintreten. Nach dem nachhaltigen Szenario mit konsequentem globalem Klimaschutz (SSP1-2.6) kann das 2-Grad-Ziel erreicht werden. Das Szenario SSP2-4.5 mit moderatem Klimaschutz geht von einer Erwärmung von knapp 3 K bis Ende des Jahrhunderts aus. Im Falle des SSP3-7.0 wird von einer Zunahme von Konflikten auf der Erde ausgegangen, die globalen Klimaschutz deutlich erschweren. Demnach würde die globale Temperatur um etwa 4 K ggü. dem vorindustriellen Wert ansteigen. Im SSP5-8.5 gelingt es der Menschheit nicht, Klimaschutz bis zum Ende des Jahrhunderts global umzusetzen. Dies führt zu einer Erwärmung von etwa 5 K. Die Szenarien zeigen, dass konsequenter globaler Klimaschutz bis hinunter auf die Ebene der Bundesländer in Deutschland alternativlos ist, wenn man tiefgreifende Veränderungen vermeiden will. Weiterhin stellen die Szenarien und Klimaprojektionen die Basis für die zu entwickelnden Maßnahmenkonzepte zur Anpassung an den zu erwartenden Klimawandel dar. Letzte Aktualisierung: 18.09.2024

Untersuchungsgebiet und Methodik von KliBiW

Anhand von beobachteten Niederschlags- und Klimadaten an Messstationen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) werden die klimatischen Trends der Vergangenheit analysiert. Die Betrachtung der zukünftigen Klimaverhältnisse erfolgte bisher auf Basis von zwei Treibhausgas-Szenarien . In früheren Projektphasen wurde zunächst das gemäßigte Szenario SRES-A1B herangezogen. In den aktuellen Projektphasen liegt der Fokus auf dem Szenario ohne Klimaschutz RCP8.5. Mit Hilfe von Ensembles verschiedener globaler und regionaler Klimamodelle (aus den Projekten EURO-CORDEX und ReKliEs-De ) werden die zukünftigen Veränderungen bis zum Jahr 2100 ermittelt. Grundlage sind dabei regionale Klimamodelldaten, die vom DWD im Auftrag des BMVI-Expertennetzwerkes aufbereitet wurden und welche die Bandbreite der möglichen zukünftigen Entwicklungen repräsentieren. Im Zuge dieser Arbeiten erfolgte u.a. eine multivariate Bias-Adjustierung der Daten sowie eine Interpolation vom ursprünglichen 12,5x12,5 km Raster auf ein 5x5 km Raster. Globalmodell Globalmodell Regionalmodell Regionalmodell EC-EARTH (Lauf 1) RACMO22E EC-EARTH (Lauf 12) RACMO22E HadGEM2-ES (Lauf 1) WETTREG2013 HadGEM2-ES (Lauf 1) WRF361H MIROC5 (Lauf 1) CCLM MPI-ESM-LR (Lauf 1) CCLM MPI-ESM-LR (Lauf 1) WETTREG2013 MPI-ESM-LR (Lauf 1) WRF361H

Klimawandel und Wärmebelastung der Zukunft 2008

Im Rahmen des Umweltatlas werden seit mehr als 25 Jahren Erhebungen zur Stadtklimatologie durchgeführt und Daten gewonnen (vgl. SenStadtUm 1985). Aktuell liegt mit den Ergebnissen der Anwendung des Klimamodells FITNAH eine umfassende Bestandsaufnahme der heutigen klimatischen Situation im Stadtgebiet und im näheren Umland vor (vgl. Karte 04.10 Klimamodell Berlin – Analysekarten (Ausgabe 2009) und Karte 04.11 Klimamodell Berlin – Bewertungskarten (Ausgabe 2009)). Die Kenntnis über das in der Stadt vorherrschende Lokalklima, insbesondere die Lage und Ausdehnung der städtischen “Wärmeinseln” und die klimatischen Funktionszusammenhänge zwischen Siedlungs- und grünbestimmten Räumen sind bedeutende Aspekte der Umweltvorsorge und Stadtentwicklung. Seit einigen Jahren hat sich nun das Spektrum der Herausforderungen drastisch erweitert: die Abschätzung der Auswirkungen der durch den globalen Klimawandel zu erwartenden Veränderungen auf die thermischen, hygrischen und lufthygienischen Verhältnisse insbesondere in den städtischen Ballungsräumen erfordert zusätzliche Antworten, um die unter den Begriffen “Mitigation” (Minderung) und “Adaptation” (Anpassung) zusammengefassten Anforderungen zu unterstützen. Während der Klimaschutz seit Jahren ein fester Bestandteil der Berliner Umweltpolitik ist und im Zusammenhang mit zahlreichen Programmen zur Steigerung der Energieeffizienz, die Nutzung erneuerbarer Energien und zur Energieeinsparung eine lange Tradition besitzt (vgl. Ziele und Grundlagen der Klimaschutzpolitik in Berlin ) war die Anpassung an den Klimawandel bisher nur ein Randthema. Allerdings kann die Notwendigkeit der Klimawandelanpassung heute nicht mehr aus dem kommunalen Alltag ausgeblendet werden. Mit der Annahme des 4. Sachstandsberichts des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) von 2007 sind der Klimawandel und seine mit hoher Wahrscheinlichkeit anthropogenen Ursachen international anerkannt. Seit dem vergangenen Jahrhundert erwärmt sich das Klima, wie Beobachtungsdaten belegen. So stieg das globale Mittel der bodennahen Lufttemperatur im Zeitraum 1906 bis 2005 um etwa 0,74°C. Gebirgsgletscher und Schneebedeckung haben im Mittel weltweit abgenommen. Extremereignisse wie Starkniederschläge und Hitzewellen – etwa während des “Jahrhundertsommers” 2003 – wurden häufiger, und seit den 1970er Jahren traten in den Tropen und Subtropen intensivere und länger andauernde Dürren über größeren Gebieten auf. Mit steigender Temperatur nehmen die erwarteten Risiken zu (vgl. Umweltbundesamt ). Seit dem Beginn der Industrialisierung steigt die globale Mitteltemperatur der Luft in Bodennähe. Die durch das vom Menschen verursachte ( anthropogene ) Verbrennen fossiler Brennstoffe in der Atmosphäre angereicherten Treibhausgase führen in der Tendenz zu einer Erwärmung der unteren Luftschichten (vgl. Abbildung 1) Nach den Prognosen des IPCC muss auch in Deutschland bis zum Jahr 2050 mit folgenden Änderungen gerechnet werden: im Sommer werden die Temperaturen um 1,5 °C bis 2,5 °C höher liegen als 1990 im Winter wird es zwischen 1,5 °C und 3 °C wärmer werden im Sommer können die Niederschläge um bis zu 40 % geringer ausfallen im Winter kann es um bis zu 30 % mehr Niederschlag geben (ausführliche Zusatzinformationen hier: Klimaatlas Deutschland ). Um die regionalen Auswirkungen dieser künftigen Klimaänderungen in Deutschland besser einschätzen zu können, werden sogenannte Regionale Klimamodelle eingesetzt und z.B. im Auftrag des Umweltbundesamtes zur Erstellung von Projektionsdaten der möglichen zukünftigen Entwicklung genutzt. Grundlage für die Klimamodelle bilden Annahmen über die Entwicklung der Emissionen in den nächsten Jahrzehnten, die wiederum abhängig sind von den möglichen (weltweiten) demographischen, gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und technischen Entwicklungen. Maßgebend sind für die meisten Klimaprojektionen die SRES-Emissionsszenarien des IPCC . Für die meisten Projektionsrechnungen wird das Szenario A1B genutzt, das von folgenden Annahmen ausgeht: stetiges Wirtschaftswachstum ab Mitte des Jahrhunderts rückläufige Weltbevölkerung Einführung neuer und effizienter Technologien Verringerung der regionalen Unterschiede im Pro-Kopf-Einkomen “ausgewogene Nutzung” aller Energiequellen. Alle SRES-Szenarien beinhalten keine zusätzlichen Klimainitiativen, d.h. es sind keine Szenarien berücksichtigt, die ausdrücklich eine Umsetzung internationalen Übereinkommen vorsehen. Die Auflösungsebene der regionalen Modelle liegt bei 10 km x 10 km pro einzelner Rasterfläche. Einerseits bedeutet dies einen beträchtlichen Qualitätssprung gegenüber den globalen Modellen mit Rastergrößen von 200 km x 200 km, andererseits reicht die Auflösung für stadtplanerische Zwecke bei weitem nicht aus. Zwei der bekanntesten Modelle in Deutschland sind das dynamische Regionalmodell REMO sowie das statistische Verfahren WETTReg. Auf Bundesebene wurde am 17. Dezember 2008 im Kabinett die Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel (DAS) beschlossen. Sie stellt den Beitrag des Bundes dar und schafft einen Rahmen zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels in Deutschland, der durch die Städte und Ballungszentren je nach lokaler Betroffenheit spezifiziert werden muss (weitere Informationen hier ). Diese mögliche lokale Betroffenheit besser einschätzen zu können, war Ausgangspunkt der Anfang 2008 abgeschlossenen Kooperationsvereinbarung zwischen dem Deutschen Wetterdienst (DWD), Abteilung Klima- und Umweltberatung und der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Abteilung Geoinformation, Referat Informationssystem Stadt und Umwelt , die Anfang 2010 erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Der dazu vorgelegte Projektbericht lieferte auch wesentliche Beiträge für die hier vorgelegten Textteile (DWD 2010). Ansatz der hier präsentierten Karten und Daten war somit die Fragestellung, wie sich auf der Basis heute vorliegender Erkenntnisse und Modelldaten die thermischen Verhältnisse in Berlin entwickeln könnten. Dies ist auch deshalb von besonderem Interesse, da davon auszugehen ist, dass heute noch als nicht wärmebelastet bewertete Stadtgebiete durch die fortdauernde Klimaerwärmung in den nächsten Jahrzehnten einer deutlichen höheren sommerlichen Hitze ausgesetzt sein dürften. Dies gilt sowohl von der zu erwarteten absoluten Höhe der erreichten Temperaturwerte als auch von der Andauer der Hitzeperioden. Es ging also im Wesentlichen um eine Bestandsaufnahme der zu erwartenden Klimafolgen insbesondere in den bebauten Bereichen, wo die Verwundbarkeit der Stadtbewohner – und hier vor allem der älteren Bevölkerung – am größten ist. Das methodische Vorgehen zur kleinräumigen lokalen Ausprägung möglicher durch den globalen Klimawandel verursachter Folgen ist noch “Forschungsneuland”, in keiner Weise standardisiert und somit in der Interpretation der Ergebnisdaten immer mit gewissen Unsicherheitsfaktoren versehen (vgl. Methode).

Klimawandel Allgemeine Informationen Klimamodelle: Klimamodelle und -szenarien

Klimamodelle sind sehr komplexe, leistungsstarke Computermodelle. Sie versuchen die wesentlichen physikalischen und chemischen Prozesse sowie die Energieströme innerhalb und zwischen verschiedenen Systemen, wie der Atmosphäre, den Ozeanen und der Erdoberfläche, zu simulieren. Diese sind jedoch vielfach noch nicht vollständig erforscht und können, auch aufgrund ihrer Komplexität, häufig nur vereinfacht abgebildet werden. Die Modelle werden anhand von Beobachtungsdaten sowie Klimadaten aus der Vergangenheit (sog. Proxy-Daten) entwickelt und überprüft. Ziel ist es mit Hilfe der Modelle Abschätzungen von zukünftigen Klimaentwicklungen zu ermöglichen. Grundlage dafür sind zum einen natürliche Faktoren, wie etwa die Variation der Sonneneinstrahlung oder der Erdumlaufbahn bzw. Neigung der Erdachse. Zum anderen spielen Faktoren eine Rolle, die auch vom Menschen beeinflusst werden können, wie etwa die Landnutzung oder die Emissionen von Treibhausgasen in die Atmosphäre. Auf Grundlage möglicher zukünftiger Gesellschaftsentwicklungen werden Szenarien erarbeitet. Diese stellen Annahmen über die globale demographische, ökonomische, politische und technologische Entwicklung in der Zukunft dar. Aus dieser resultieren wiederum Treibhausgas-Konzentrationen in der Atmosphäre, die auch als anthropogener Strahlungsantrieb ausgedrückt werden können. Derzeit gibt es zwei Gruppen von Szenarien: die SRES Emissionsszenarien aus dem 4. Sachstandsbericht des IPCC von 2007 und die Gruppe der RCP-Szenarien aus dem 5. Sachstandsbericht des IPCC von 2013. Diese Zukunftsszenarien dienen neben den anderen genannten Faktoren als Antrieb für Globalmodelle. Diese Modelle bestehen aus einem dreidimensionalen Gitter. Zwischen den Gitterpunkten werden die klimatischen Prozesse großräumig (global), aber mit einer relativ groben zeitlichen (Tageswerte) und räumlichen (100 bis 200 km) Auflösung berechnet. Mit den Ergebnissen der Globalmodelle können für kleinere Regionen wie etwa Niedersachsen jedoch nur wenig differenzierte Aussagen zur Klimaentwicklung gemacht werden. Hier kommen regionale Klimamodelle zur Anwendung, die nur einen Ausschnitt der Erde bzw. Atmosphäre betrachten. Sie erhalten als Antrieb bzw. Randbedingung u.a. die Ergebnisse der Globalmodelle und rechnen damit auf einer höher aufgelösten räumlichen (bis unter 10 km) Skala weiter, wobei Aspekte wie die Topographie oder die Landnutzung besser berücksichtigt werden können. Dieses Verfahren nennt man „Nesting" oder auch „dynamic Downscaling". Daneben gibt es auch Methoden, die auf Basis von statistischen Zusammenhängen zwischen großräumigen Wetterlagen und lokalen meteorologischen Phänomenen die Daten der Globalmodelle auf eine höher aufgelöste Skala rechnen, das sog. „statistical downscaling“. Die Ergebnisse der regionalen Klimamodelle können letztlich als Antrieb für sog. Impact-Modelle genutzt werden. Dies sind Modelle, die die Wirkungen der klimatischen Veränderungen auf verschiedenen fachlichen Ebenen simulieren. Hierzu zählen z.B. hydrologische Modelle, die die Folgen eines Klimawandels auf die Wasserwirtschaft verdeutlichen können. Es muss jedoch stets berücksichtigt werden, dass diese Ergebnisse nicht als Prognosen oder Vorhersagen interpretiert werden dürfen. Um die Unsicherheiten in den Aussagen der möglichen zukünftigen Entwicklung zu verdeutlichen, sollten stets die Ergebnisse verschiedener Modelle gemeinsam betrachtet werden (Modell-Ensemble). So wird die Bandbreite möglicher Entwicklungen aufgezeigt. Je einheitlicher die Aussagen des Ensembles bzgl. Bandbreite und Richtung der Entwicklungen sind, desto "robuster" ist das Klimasignal. Voraussetzung hierbei ist ein möglichst großes Ensemble von unabhängigen Mitgliedern.

Klimaänderung und Wasserwirtschaft: Das KLIWA-Projekt

Mit dem KLIWA-Ensemble bereit für neue Wasserhaushaltsmodellierungen bis zum Ende des Jahrhunderts Die Klimaerwärmung hat auch auf Rheinland-Pfalz deutliche Auswirkungen. Der bereits festgestellte Temperaturanstieg von 1,6 °C im Jahresmittel für Rheinland-Pfalz seit Beginn regelmäßiger Wetteraufzeichnungen (1881) führt im 21. Jahrhundert zu vielen Wärmerekorden und Phasen ausgeprägter Trockenheit, insbesondere in den letzten Jahren. Es ist zu befürchten, dass die bodennahe Lufttemperatur bis 2050 noch einmal so stark ansteigen wird, wie bisher. Zunahme von Hochwassern Die Auswirkungen werden für uns von Jahr zu Jahr spürbarer. So wird der projizierte Anstieg der Winterniederschläge in der Zukunft bis zur Mitte des Jahrhunderts zu höheren Hochwasserabflüssen und einer Zunahme von Hochwassern führen. Um die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserwirtschaft bis zum Ende des 21. Jahrhunderts zu erkennen und bereits jetzt Handlungsempfehlungen zur Anpassung entwickeln zu können, ist es erforderlich, die verfügbaren Projektionen zu sammeln, zu bewerten und anzuwenden. Dies geschieht für den Bereich der Wasserwirtschaft im Vorhaben KLIWA. Das Kooperationsvorhaben „Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft“ (KLIWA) der Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern und Rheinland-Pfalz sowie dem Deutschen Wetterdienst besteht seit 1999 und untersucht damit seit 20 Jahren die Einflüsse der Klimaänderung. Dies geschieht insbesondere in den Themengebieten des Oberflächenabflusses (beispielsweise Hoch- und Niedrigwasser), dem Grundwasser, der Gewässerökologie für Fließgewässer und Seen, der Bodenerosion und des Starkregens. Für den Blick in die Zukunft werden in KLIWA Klimaprojektionen angewendet. Im Jahr 2019 wurde das KLIWA-Projektionsensemble zusammengestellt, das aus zwölf regionalen Klimaprojektionen besteht. Das KLIWA-Ensemble basiert auf vergleichbaren Vorarbeiten des Deutschen Wetterdienstes zur Erstellung eines Referenz- und Kern-Ensembles (2018). Vom Emissionsszenario hin zur Wirkmodellierung Der Weltklimarat IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) gibt die zukünftige Entwicklung in Emissionsszenarien mit unterschiedlichen möglichen Entwicklungsfaden wieder (Abb. 1) und veröffentlicht diese mit ihren Sachstandsberichten. Abgebildet sind dort die möglichen Pfade des zusätzlichen Strahlungsantriebs der letzten beiden veröffentlichten Sachstandsberichte Nr. 4 von 2007 und Nr. 5 von 2014. Für den fünften Sachstandsbericht wurden vier Emissionsszenarien erstellt, darunter ein Klimaschutzszenario (RCP2.6), welches den globalen Temperaturanstieg auf unter 2 °C gewährleistet sowie ein Hochemissionsszenario (RCP8.5), in dem es keinen wirksamen globalen Klimaschutz gibt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, unterschiedliche Annahmen zur zukünftigen globalen Entwicklung zu treffen, da die genauen demografischen und ökonomischen Entwicklungen in der Zukunft nicht bekannt sind. Klar ist jedoch, dass die heute getroffenen Entscheidungen erst in Jahrzehnten Effekte zeigen werden. So verläuft die Entwicklung in der ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts in allen Emissionsszenarien noch weitgehend ähnlich, ehe sich in der zweiten Hälfte deutlich unterschiedliche Entwicklungen ergeben. Die Emissionsszenarien zeigen jedoch nur die möglichen Wege auf. Um aus diesen Annahmen Aussagen für die Wasserwirtschaft zu generieren, bedarf es einer Umsetzung in Modelldaten. In einem ersten Schritt werden globale Klimamodelle (Globalmodell) verwendet, welche die gesamte Erde in ein vergleichsweise grobes vertikales Raster einteilen. In einem Globalmodell werden atmosphärische Vorgänge abgebildet. Dies sind vor allem Eigenschaften von Land- und Ozeanflächen, großen Eisflächen und Biosphäre sowie von anthropogenen Einflüssen. Da die Beschreibung der physikalischen und chemischen Prozesse in verschiedenen atmosphärischen Schichten nicht nur sehr komplex und ressourcenintensiv ist, sondern auch in groben Kacheln mit einer Rasterweite von ca. 100 km vorliegen, sind globale Klimamodelle ungeeignet, um regionalen Gegebenheiten wie Naturräume und Mesoklimata zu simulieren. Dies gelingt besser mit der Verwendung eines deutlich feiner aufgelösten regionalen Klimamodells, welches durch das globale Klimamodell angetrieben wird. Bei der Aufstellung von regionalen Klimamodellen gibt es zwei Herangehensweisen. So kann ein regionales Klimamodell anhand statistischer Ableitung von Klimastationen oder dynamisch anhand der physikalisch berechneten Wirkzusammenhänge erstellt werden. Dynamische regionale Klimamodelle werden in der Wirkmodellierung von Rheinland-Pfalz in der Regel beim Oberflächenabfluss eingesetzt, statistische Modelle werden für das Grundwasser verwendet. Für den letzten Baustein der Abflussprojektion werden Wirkmodelle , wie Wasserhaushaltsmodelle, benötigt. Derartige Wasserhaushaltsmodelle bestehen aus einem hochaufgelösten Höhenmodell, Informationen zur Landnutzung, versiegelten Flächen und Siedlungen, den Bodeneigenschaften und dem Flussnetz mit seinem bisherigen Abflussverhalten. Durch sie ist die Modellkette (Abb. 2) vom Emissionsszenario hin zur Wirkmodellierung vollständig. Doch dieser Weg ist aufwendig und zeitintensiv. Auswahl des KLIWA-Ensembles Die Durchführung globaler und regionaler Klimamodellrechnungen erfolgt in der Regel mit Großrechnern, da diese Simulationen sehr viel Rechenkapazität und Speicherplatz benötigen. Selbst mit der Verwendung von Großrechnern vergehen für die Erstellung von Klimamodellläufen bis zu mehreren Monaten. Durch die Vielzahl an globalen und einer ebenfalls großen Anzahl von regionalen Klimamodellen ergeben sich so viele Kombinationsmöglichkeiten, dass die Auswahl von geeigneten Projektionen nicht nur unübersichtlich, sondern auch äußerst komplex ist. Sowohl beim Deutschen Wetterdienst wie auch bei KLIWA wurden daher Überlegungen zur sinnvollen Reduktion von sehr vielen Projektionen hin zu einem kleinen, handhabbareren Ensemble angestellt. Das Ziel der Reduktion ist es, mit möglichst wenigen Projektionen einen Großteil der Gesamtheit in Bandbreite und Aussage wiedergeben zu können. Um hierfür geeignete Projektionen zu identifizieren, wurde das in Bayern entwickelte Klimaaudit angewendet, ein Bewertungsverfahren, um Projektionen mit einander vergleichen zu können. Hierbei wurde auch darauf geachtet, dass Projektionen für das hydrologische Deutschland vorliegen, die auch die ausländischen Anteile von Einzugsgebieten berücksichtigen. Im Ergebnis dieser Prüfung haben sich neun dynamische und zwei statistische Klimamodelle als geeignet herausgestellt, welche seit 2019 das das KLIWA-Ensemble bilden (Tab. 1). Alle Projektionen basieren dabei auf dem Hochemissionsszenario RCP8.5 (vgl. Abb. 1). Zur Verwendung des KLIWA-Ensembles in einer Wirkmodellierung werden die Klimamodelle zunächst einem weiteren Bearbeitungsschritt unterzogen. So muss für dynamische regionale Klimamodelle in der Regel eine Bias-Adjustierung durchgeführt werden. Der Bias ist eine systematische geringe Abweichung von Modellen gegenüber vergleichbaren Beobachtungen. Diese Abweichung ist in jedem Modell und für jeden Klimaparameter unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Bias-Adjustierung wird in KLIWA derzeit für die Parameter Lufttemperatur, Niederschlag, relative Luftfeuchte und Globalstrahlung durchführt. Ausblick Mit dem KLIWA-Ensemble wird Rheinland-Pfalz ab 2020 neue flächendeckende Wasserhaushaltssimulationen durchführen. Der bisher in Wasserhaushaltsmodellierungen verwendete Zukunftshorizont bis 2050 wird dabei nun bis 2100 ausgeweitet, um für unterschiedliche Zeithorizonte des 21. Jahrhunderts Aussagen liefern zu können. Dabei werden nachfolgende drei Zeithorizonte betrachtet: 2021 bis 2050: Nahe Zukunft 2041 bis 2070: Mittlere Zukunft 2071 bis 2100: Ferne Zukunft Die ab 2021 erwarteten Ergebnisse stellen nicht den definitiven Verlauf in den jeweiligen Zeithorizonten dar, sondern sind als eine Abschätzung nach derzeitigem Kenntnisstand zu betrachten. Diese Abschätzung kann nur in Form einer Bandbreite erfolgen. Das Landesamt für Umwelt Rheinland-Pfalz wird auch in Zukunft in enger Zusammenarbeit mit den Landesbehörden anderer Bundesländer im Austausch über aktuelle Abflussprojektionen und deren Auswirkungen stehen und über weitere Erkenntnisse informieren.

Grundlageninformationen für die Erstellung eines Klimaanpassungskonzeptes

Dieses Beratungsangebot unterstützt Sie bei der Erstellung einer kommunalen Klimaanpassungsstrategie, um so ein abgestimmtes und kommunales Maßnahmenkonzept zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels für Ihre Gemeinde entwickeln zu können. Grundlageninformationen überspringen und gleich zur Vorgehensweise Die nachfolgenden Inhalte sollen Ihnen beim Verständnis grundlegender Aspekte des Klimawandels und dem Umgang mit Modelldaten helfen. Für die Erstellung Ihrer kommunalen Anpassunsstrategie schlagen wir Ihnen weiter unten auf dieser Seite ein für Sachsen-Anhalt geeignetes Klimamodell-Ensemble vor, das Sie auch ohne tiefgreifendes Verständnis der Prozesse in der Klimamodellierung verwenden können. Definition Globale Klimamodelle sind komplexe physikalische Modelle, die das Klimasystem der Erde anhand physikalisch-numerischer Gleichungen computergestützt und zeitabhängig beschreiben. Kalibrierte Modelle ermöglichen die Simulation möglicher zukünftiger Klimaentwicklungen. Modelle und ihre Eigenschaften Man unterscheidet zwischen einfachen konzeptionellen Modellen, Modellen mittlerer Komplexität und den hochkomplexen globalen Zirkulationsmodellen (General Circulation Model bzw. Global Climate Model – GCMs). Erweiterte Formen sind beispielsweise gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Modelle (AOGCM, atmosphere-ocean general circulation/global climate models). Mathematisch (noch) nicht beschreibbare Prozesse werden hierbei parametrisiert, sprich mit fixen Werten gerechnet. Alternativ kann die Berechnung des Modells auch über spektrale Methoden erfolgen (spektrale Methoden sind ein wichtiges Werkzeug zum numerischen Lösen partieller Differentialgleichungen). Globale Modelle stellen ein unverzichtbares Instrumentarium für voraussichtliche Veränderungen der Häufigkeit und Dauer von charakteristischen Großwetterlagen dar und besitzen eine Auflösung von ca. 200x200km Gitterabstand (IPCC). Eine Visualisierung der räumlichen Auflösung verschiedener Gitterabstände kann der nebenstehenden Abbildung entnommen werden. Beispiele HadGEM2-ES: Hadley Centre Global Environmental Model (Version 2) – Earth System; Großbritannien MPI-ESM: Earth System Modell des Max-Planck-Institutes für Meteorologie ( MPI ). Quelle: https://www.max-wissen.de/Fachwissen/show/5584?seite=4 Übersicht der chronologischen Entwicklungen von Klimamodellen Quelle: http://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Datei:Modellentwicklung.jpg Regionalisierte Modelle ermöglichen – im Gegensatz zu den Resultaten globaler Modelle – Aussagen, die auch auf Landkreis- sowie Kommunaler Ebene relevant sein können. Regionalisierte Modellergebnisse basieren auf den Globalmodelle, „brechen“ diese aber auf die regionale Ebene herunter. Regionale Modelle verwenden wesentliche Ergebnisse der Globalen Modelle als Eingangsgrößen und sind deshalb auch nicht unabhängig von Ihnen. In einem sogenannten „dynamic downscaling“ oder auch „Nesting“ genannten Ansatz, werden regionale Modelle mit ihrer hohen räumlichen Auflösung (häufig 1 bis 10km Raster) in Globale Modelle eingebettet. Die Einbettung und Verwendung wesentlicher Ergebnisse der Globalen Modelle als Eingangsgrößen rührt daher, dass regionale Klimamodelle lediglich einen Ausschnitt der Atmosphäre betrachten und deshalb geeignete Randbedingungen an den Grenzen des Simulationsgebietes benötigen. Diese Randbedingungen stammen aus Simulationen der globalen Klimamodelle. Man spricht in diesem Zusammenhang davon, dass ein regionales Klimamodell durch ein globales Klimamodell angetrieben wird. Neben dem zuvor beschriebenen „dynamic downscaling“ Ansatz, welcher mittels physikalischer Algorithmen Auflösungen von unter 10 km erreicht, existieren noch statistische Ansätze. Bei diesem statistischen Downscaling kommen statistische Methoden zum Einsatz die Auflösungen von bis zu 1 km erreichen. Kombinationen beider Verfahren sind ebenso möglich und finden Verwendung. Quelle: Deutscher Wetterdienst Beispiele WETTREG2018 CCLM 4-8-17 Paläoklima Forschungsgegenstand der Paläoklimatologie ist die Klimavergangenheit der Erde. Eine Vielzahl von Wissenschaftlern aus den Bereichen Meteorologie, Geologie, Physik, Biologie, Geschichte (Historie),… arbeiten interdisziplinär zusammen, um anhand verschiedener Klimaarchive die klimatologische Geschichte der Erde zu rekonstruieren. Eine interessante Zeitreise durch das Klima der Erde wurde hier ansprechend visualisiert. Betrachtet man Wetter und klimatologische Untersuchungen in der Bundesrepublik Deutschland, so werden diese vorrangig durch den 1952 gegründeten Deutschen Wetterdienst (DWD) im Rahmen der Daseinsvorsorge erbracht. Auf gemessene Stationsdaten zu einzelnen Klimadaten kann hierbei digital bis ins Jahr 1881 zurück gegriffen werden, größtenteils bis ins Jahr 1951. Geschichtliche Entwicklung der Klimamessung Experimentelle Messungen (1592-1700) Erste regelmäßige Messungen (1700-1850) Frühe Messnetze (1780-1850) Moderne Messnetze (seit 1850) Quelle: http://www.zamg.ac.at/cms/de/klima/informationsportal-klimawandel/klimaforschung/klimamessung/geschichte Klimaprojektionen sind die Ergebnisse der Klimamodellrechnungen. Mit Hilfe der Klimaprojektionen lassen sich die zukünftigen klimatischen Entwicklungen abschätzen. Klimaszenarien stellen unterschiedliche zukünftige Entwicklungspfade der anthropogenen Einflussfaktoren des Klimas dar und definieren die Randbedingungen für die Modellrechnungen. Dazu gehören beispielsweise die Bevölkerungsentwicklung oder der Umfang von Klimaschutzaktivitäten der Weltgemeinschaft. Es handelt sich bei den Projektionen um keine Vorhersagen, sondern um mögliche Entwicklungspfade des zukünftigen Klimas. Klimamodelle, Klimaszenarien und die daraus hervorgehenden Klimaprojektionen sind die Datenbasis für die zu entwickelnden kommunalen Maßnahmenkonzepte. Dabei wurde in der Vergangenheit häufig das Szenario A1B verwendet, da dieses auch als Grundlage für andere Anpassungsstrategien auf Bundes- und Landesebene Verwendung fand. Die aktuelle Szenarienfamielie nennt sich RCP-Szenarien. Für den 5. IPCC-Sachstandsbericht (2013/2014) wurden die RCP-Szenarien von der Wissenschaftsgemeinde in Selbstorganisation entwickelt. Sie stellen den aktuellen Standard dar und wurden gegenüber vorherigen Szearien stark verändert. Als charakteristisch wird nun der sogenannte „ anthropogene Strahlungsantrieb “ betrachtet. Repräsentative Konzentrationspfade bzw. Representative Concentration Pathways (RCPs) Das Szenario RCP2.6 wird auch „Klimaschutz-Szenario“ genannt, da den zugrunde liegenden Annahmen gravierende Klimaschutzmaßnahmen (und damit ein Rückgang der globalen Treihausgaskonzentration in der Atmosphäre) ab 2020 unterstellt werden. Das RCP8.5 wird auch als „Weiter-wie-bisher-Szenario“ bezeichnet, da die diesem Szenario zugrunde liegenden Annahmen nach wie vor von steigenden Kohlendioxidemissionen bis 2100 ausgehen. Quelle: Global Carbon Projekt Das Themengebiet der Klimaprojektionen ist ebenso wie die Wettervorhersage mit gewissen Unsicherheiten behaftet. Beansprucht die Wettervorhersage einen bestimmten kurzfristigen Zustand der unteren Atmosphäre (Troposphäre) an einem bestimmten Ort der Erdoberfläche zu bestimmen bzw. vorherzusagen, so unterscheidet sich Klimaprojektionen hiervon gravierend. Sie zielen auf statistische Durchschnittswerte über größere Zeitabschnitte und flächenhaft ausgedehntere Gebiete bzw. Räume ab. Die verschiedenen Unsicherheiten bei Klimaprognosen lassen sich grob in folgende drei Gruppen einteilen: Unsicherheiten, die die externen Einflussfaktoren auf das Klima betreffen, Unsicherheiten, die aus der begrenzten Kenntnis über das Klimasystem resultieren und Unsicherheiten, die in den Klimamodellen selbst begründet sind. Externe Einflussfaktoren Da niemand die Entwicklung der Weltgesellschaft über die nächsten Jahrzehnte geschweige Jahrhunderte bestimmen kann oder Einflussfaktoren wie die Bevölkerungsentwicklung, Veränderungen des Konsum- oder Nutzungsverhaltens von Energiequellen bzw. dessen Verbrauch, Fortschritte bei technologischen Entwicklungen und weiterer Einflussgrößen wie Kriege, vorhersagen vermag, bedarf es verschiedener Annahmevarianten. Die Abbildung der Unsicherheiten spiegelt sich in den unterschiedlichen Klimaszenarien wieder, denen jeweils unterschiedliche Annahmen zu Grunde liegen. Klimaprojektionen sind folglich immer Wenn-Dann-Aussagen und haben nicht den Anspruch, „die eine“ Zukunft zu zeigen, sondern unter bestimmten Grundannahmen wahrscheinliche zukünftige Entwicklungen zu projizieren. Kenntnis über das Klimasystem Die Kenntnisse über das Klimasystem und seiner Dynamik sind trotz rasch voranschreitender Forschung, wie bei vielen nicht trivialen Themen, noch immer begrenzt. Quantitativ ungewiss ist so beispielsweise, wie sich ein wärmeres Klima zusammen mit einem höheren Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre auf die Vegetation auswirken und deren Veränderung wiederum das Klima und den CO2-Gehalt beeinflussen wird. Viele Aspekte der Atmosphärenchemie und -physik mit ihrem Einfluss auf die Wolkenbildung und deren Einfluss auf den atmosphärischen Strahlenhaushalt sind ebenfalls noch nicht hinreichend erfasst und erforscht worden. Nach jüngsten Erkenntnissen führt die Vernachlässigung von Subsystemen wie Kryosphäre und Biosphäre zu einer Reduktion der regionalen Klimavariabilität. Außerdem bleiben mögliche Wechselwirkungen mit diesen Systemen unberücksichtigt. Klimamodelle Die Klimaforschung ist bei ihrer Berechnung des zukünftigen Klimas auf Computermodellsimulationen angewiesen. Diese stellen eine Art Ersatzrealität für das hochkomplexe Klimasystem dar. Externe Faktoren sowie die interne Dynamik und insbesondere den Einfluss des Menschen gilt es zur berücksichtigen und darzustellen. Oft wird ein Ensemble von Klimamodellen, also viele Modellsimulationen mit verschiedenen Klimamodellen, zur Quantifizierung und Verringerung der Unsicherheiten benutzt. Ein- und Ausgangsdaten der Module sind miteinander gekoppelt, damit Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen den Teilen des Klimasystems abgeschätzt werden können. Trotz der zunehmenden Komplexität der globalen Klimamodelle können zahlreiche Prozesse noch unzureichend modelliert werden. Gründe sind die fehlenden räumlich-zeitlichen Auflösungen und die noch unzureichend erforschten Prozesse und Wechselwirkungen (z.B. Wechselwirkung von Feuchtigkeit, Aerosolen und Wolken). Zum Teil werden diese Prozesse parametrisiert (d.h. physikalische Zusammenhänge unbekannter zu bekannten Größen festgeschrieben), manche Prozesse bleiben aber derzeit auch gänzlich unberücksichtigt. Skalierungsaspekte: Die Erstellung bzw. Berechnung Regionaler Modelle aus Globalen Modellen birgt verschiedene Herausforderungen und Kritikpunkte. Zu nennen sind hier u.a.: Starke Vereinfachung und grobe Diskretisierung Subjektivität, abhängig von Annahmen über Zukunft Nichtlinearität und zeitliche Veränderung der vielen komplexen Prozesse, Wechselwirkungen, Rückkopplungen Sensibilität bzgl. Rand und Anfangsbedingungen. Aus diesem Grund sinkt die Wahrscheinlichkeit der Aussagen mit zunehmenden Grad der Abstraktion. Dies sollte bei der Weiterverarbeitung berechneter regionaler Modelle, die beispielsweise zur Validierung bzw. als Eingangsparameter für Stadtmodelle oder weiterer lokaler Untersuchungen verwendet werden, stets Beachtung finden! Zusammenfassung: Die Kombination aller zuvor beschriebenen Unsicherheiten führt zu einer sehr großen Anzahl von möglichen Zukunftsszenarien, welche eine große Spanne an möglichen Klimazuständen zum Ende des 21. Jahrhunderts und darüber hinaus ergeben können. Die Unsicherheiten des menschlichen Verhaltens sind dabei ebenso wichtig wie die Unsicherheiten des Klimasystems selbst. Nach aktuellem Stand der wissenschaftlichen Forschungen tragen sie zur resultierenden Unsicherheitsspanne etwa gleich viel bei. Das bedeutet jedoch nicht, dass den gewonnenen Aussagen kein Vertrauen geschenkt werden sollte oder diese grundsätzlich in Frage zu stellen wären. Vielmehr geben sie eine auf dem aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnisstand basierende, mögliche zukünftige Entwicklung des komplexen Systems Klima wieder. Mögliche Abweichungen zwischen Modelloutput und Wirklichkeit stellen im Übrigen auch keine Besonderheit von Klimamodellen dar, sondern treffen auf alle Modelle, auch außerhalb der Klimatologie, zu. Um ein kommunales Anpassungskonzept oder sektorale Maßnahmen zu erarbeiten, sind durch die ausgewählten Akteure die nachfolgenden Arbeitsschritte durchzuführen. Jeder Arbeitsschritt sollte mit einem gemeinsamen Workshop abschließen, um Ergebnisse zu diskutieren und Entscheidungen zu treffen. Planen Sie für den Gesamtprozess mindestens ein Jahr ein. Arbeitsschritt Arbeiten Meilensteine Grundlagenermittlung Naturräumliche, wirtschaftliche und soziodemografische Daten erheben, Klimadaten /-projektionen auswerten, Vulnerabilitätskarten erstellen Workshop zur Darstellung regionaler Klimadaten und -projektionen, Auswahl vulnerabler Bereiche Ermittlung sektoraler Anpassungsmaßnahmen Literaturrecherchen, Interviews mit Akteuren der Sektoren führen, Mögliche Konflikte analysieren Workshop zur Vorstellung sektoraler Anpassungsmaßnahmen Kommunales Maßnahmekonzept Vernetzte Maßnahmen entwickeln, Verantwortliche festlegen, Controlling abstimmen Abschlussworkshop zur Verabschiedung des kommunalen Klimaanpassungskonzeptes Umsetzung einschließlich Öffentlichkeitsarbeit Maßnahmen umsetzen und dokumentieren, Zielgruppenspezifische Öffentlichkeitsarbeit durchführen, Jährliches Anpassungsaudit Workshop zu Ergebnissen des „Anpassungsaudits“ und zur Ableitung neuer/angepasster Maßnahmen

Verständnis von Wolken und Niederschlag auf der Meter-Skala mit HALO und ICON – Luftmassentransformation in der Arktik

Das Projekt "Verständnis von Wolken und Niederschlag auf der Meter-Skala mit HALO und ICON – Luftmassentransformation in der Arktik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Die Entwicklung arktischer Luftmassen ist wichtig für die Entstehung und Beständigkeit von Wolken und Niederschlag. Zwei Phänomene – warme und feuchte Einflüsse aus dem Süden sowie kalte und trockene Strömungen aus dem Norden – verursachen besonders starke und schnelle Änderungen in den Luftmassen. Während dieser Ereignisse ändern sich die Zustände z.B. der Wolken, der Stabilität und des Feuchtebudgets sowohl räumlich als auch zeitlich. Aufgrund dieser schnellen Änderungen sowie den generellen arktischen Bedingungen mit niedrigen und oft starken Inversionen, ist es schwierig die Prozesse mit globalen Modellen mit einer groben Auflösung sinnvoll wiederzugeben. Um die entscheidenden Prozesse sowohl besser zu erfassen als auch zu parameterisieren, wird in diesem Projekt eine Kombination aus detaillierten Beobachtungen mit dem HALO Flugzeug und hoch-aufgelösten Simulationen mit dem ICON-LEM verwendet. Durch die lange Reichweite des HALO Flugzeuges wird es möglich sein dasselbe Ereignis mehrmals zu messen und dadurch einen breiten Einblick in die Struktur der Luftmasse zu bekommen. Darüber hinaus wird es durch die Lagrangsche, d.h. mit der Strömung mitbewegte, Flugstrategie möglich sein, die zeitliche Entwicklung der Luftmassen während der Ereignisse zu erfassen. Durch lokale Verfeinerungen um den tatsächlichen Flug herum wird die Auflösung des ICON-LEM Setups zwischen 1 km und 100 m variieren. Mit dieser einzigartige Kombination von Flugzeugbeobachtungen und hochauflösender Modellierung wird es möglich sein, das Feuchtebudget während der beobachteten warmen und kalten Einströmungen abzuschätzen. Anhang dieser Abschätzung können anschließend offene Fragen wie die Effizienz des Niederschlages sowie deren Einfluss auf die Beständigkeit der arktischen Mischphasenwolken untersucht werden. Während die Lagrangsche Flugstrategie es ermöglicht neue und einzigartige Forschungsfragen zu untersuchen, stellt sie die Flugplanung vor eine große Herausforderung, da eine gute Abschätzung der Luftströmungen unerlässlich sein wird. Teil dieses Projekts ist es deshalb auch die Flugplanung durch hochaufgelöste Vorhersagen und die Verfolgung bestimmter Luftmassen zu unterstützen. Insbesondere die Berechnung mehrerer Trajektorien wird es ermöglichen die verbleibenden Unsicherheiten abzuschätzen und sinnvolle Flugmuster vorzuschlagen. Die vorgeschlagene Kombination von Flugzeugbeobachtungen und hochauflösender Modellierung wird zu einem besseren Verständnis der Änderungen im Feuchtebudget und der Erhaltung von Mischphasenwolken während der feuchten sowie kalten Luftströmungen in der Arktis führen.

TP3: 3DSensorik für das Wachstumsmonitoring von Jungbäumen

Das Projekt "TP3: 3DSensorik für das Wachstumsmonitoring von Jungbäumen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik durchgeführt. Das Ziel des Teilvorhabens besteht in der Entwicklung einer 3D/2D-Sensorik zur Überwachung des Wachstums sowie der Erkennung und Überwachung von Schäden durch Fraß und Pilzbefall bei Jungbäumen. Die gewonnenen 3D-Daten sollen automatisiert analysiert und verarbeitet werden und mit hoher Genauigkeit und Robustheit neben anderen biotischen und abiotischen Wachstumsfaktoren in ein globales Modell integriert werden. Hierfür müssen entsprechende Algorithmen und Software-Module entwickelt werden. Die zeitlich aufgelösten globalen 3D-Modelldaten werden einem übergeordneten Monitoring-System zugeführt, welches im Rahmen des Verbundvorhabens entwickelt wird. Ein weiters Ziel besteht in der umfassenden Analyse der gewonnenen 3D-Daten bezüglich einer Bewertung des Wachstumszustandes der observierten Bäume. Hierfür sind Algorithmen und Verfahren zu erarbeiten, die auch eine geeignete Datenreduktion und Fusion mit den Daten anderer Sensorkomponenten beinhaltet. Ein zu erarbeitendes Regelwerk soll auf bestimmte Wachstumszustände mit dem Vorschlagen geeigneter Maßnahme reagieren.

Teilprojekt 1: Evaluierung und Modellierung der C-Speicher

Das Projekt "Teilprojekt 1: Evaluierung und Modellierung der C-Speicher" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hamburg, Fachbereich Erdsystemforschung, Institut für Geologie, Arbeitsgruppe Aquatische Geochemie durchgeführt. Die vier Methoden des terrestrischen Kohlenstoffdioxid-Entzugs (terrestrial carbon dioxide removal - tCDR): (1) pyrogene Kohlenstoffabscheidung (Pflanzenkohle), (2) verstärkte Verwitterung (enhanced weathering - EW), (3) Verbesserung der organischen Kohlenstoffabscheidung im Boden (soil organic carbon enhancement - SOC) und (4) Kohlenstoffabscheidung durch Biomasse (biomass carbon capture - BCC) können in kurzen Zeiträumen global implementiert werden. Gleichzeitig ergänzen sie sich in hohem Maße. Um das Potential der Kohlenstoffsenke (C-Senke) pro Anbaufläche zu maximieren, muss die gemeinsame Anwendung dieser vier tCDR-Methoden untersucht und optimiert werden. Pflanzenkohle und Vulkan-Gesteinsmehl für EW binden nicht nur Kohlenstoff, sondern gleichen auch den pH-Wert und das Redoxpotential des Bodens aus, liefern Nährstoffe, verbessern die Bodenhydrologie und fördern die biologische Vielfalt des Bodens, das Wurzelwachstum, die Ernteerträge und damit den BCC. Es wird erwartet, dass der erhöhte organische Kohlenstoffeintrag und die höhere funktionale Komplexität aufgrund beider Maßnahmen den SOC erhöhen. Eine Kaskade iterativer Experimente und Analysen mit und ohne Böden und Pflanzen soll die Daten generieren, die zur Parametrisierung von entwickelten globalen Modellen für C- Senken-Potenzialanalysen und zur Bewertung der wirtschaftlichen Machbarkeit erforderlich sind. An der UHH wird dazu ein Boden-Vegetations-Ökosystemmodell (weiter-)entwickelt. Zusätzlich zu kleinskaliger Auflösung von Verwitterungsprozessen im Boden sowie der SOC-Dynamik werden Rückkopplungseffekte zwischen Vegetation und Boden berücksichtigt, um deren Auswirkung auf CDR-Potenziale zu quantifizieren. Zusammen mit den Verbundpartnern werden die bisher fehlenden Datenbanken erstellt, um einen Modellrahmen für die Bewertung des CDR-Potenzials zu entwickeln.

Untersuchungen zum Einfluß des Weltraumwetters auf die Chemie und Dynamik der Erdatmosphäre (SPEACH)

Das Projekt "Untersuchungen zum Einfluß des Weltraumwetters auf die Chemie und Dynamik der Erdatmosphäre (SPEACH)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Energetische Elektronen aus der Aurora und den Strahlungsgürteln sind bekannte Quellen von Stickoxiden in der Auroraregion der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT, 60-140 km). Im polaren Winter können diese Stickoxide bis in die mittlere Stratosphäre (30—45 km) herunter transportiert werden; sie variieren dabei mit der geomagnetischen Aktivität und dem dynamischen Zustand der Atmosphäre. Hier tragen Stickoxide maßgeblich zum katalytischen Ozonabbau bei; da Ozon eine wesentliche Rolle in der Strahlungsheizung der Stratosphäre spielt, ändern sich durch den Abwärtstransport von auroralen Stickoxiden auch Temperaturen und Windfelder. Diese Änderungen der Atmosphärendynamik können die ganze Atmosphäre bis hinunter zu troposphärischen Wettersystemen betreffen. Aus diesem Grund wurde kürzlich zum ersten Mal empfohlen, geomagnetische Aktivität als Teil des solaren Forcings des Klimasystems in Klima-Chemiemodellstudien wie CMIP-6 zu berücksichtigen. Die atmosphärischen Ionisationsraten, welche verwendet werden, um solche Modellexperimente anzutreiben, basieren empirisch auf Flüssen von präzipitierenden Elektronen, welche jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet sind; neue Studien legen nahe, daß es ernsthafte Probleme mit der Genauigkeit dieser Daten gibt. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre präzipitierende Elektronen verschiedener Energien beeinflussen, und welchen Einfluß diese präzipitierenden Elektronen auf die Zusammensetzung, Temperatur, und Windfelder in der mittleren Atmosphäre haben.Insbesondere werden wir untersuchen:• Wie beeinflussen vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre das Präzipitieren von Strahlungsgürtelelektronen in die Atmosphäre?• Zu welchen Energien werden präzipitierende Elektronen in den unterschiedlichen geomagnetischen Stürmen in der Magnetosphäre beschleunigt? • Welcher Energiebereich der Präzipitierenden Elektronen hat den größten Einfluss auf die Zusammensetzung und Dynamik der mittleren Atmosphäre?Dazu werden Modellsimulationen mit dem neuentwickelten VERB-4D Modell durchgeführt, welches Elektronenbeschleunigung in die Atmosphäre durch Welle-Teilchen-Wechselwirkungen mit Chorus, Plasmaspheric hiss, hiss in plumes, und EMIC-Wellen berücksichtigt. Ergebnisse werden mit NOAA POES Daten validiert. Modellierte Elektronenflüsse am Oberrand des Modells werden als Input verwendet für das neuentwickelte Klima-Chemiemodells EMAC/EDITh (Boden bis 220km). Modellierte Temperaturen und der Stickoxid-Gehalt werden anhand von Beobachtungen validiert. Fallstudien werden durchgeführt werden für geomagnetische Stürme, die durch Korotating Interaction Regions (CIR) und solare koronale Massenauswürfe (CMEs) ausgelöst wurden, um zu untersuchen, wie die verschiedenen Prozesse unterschiedliche Bereiche der Atmosphäre beeinflussen.

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