Klimasimulationen für das Modellvergleichsprojekt CMIP6 und den sechsten Weltklimabericht

Der Weltklimarats IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) fasst in regelmäßigen Berichten den Wissenstand der weltweiten Klimaforschung zusammen. Jeder dieser Berichte besteht aus mehreren Teilen und umfasst tausende Seiten. Der erste Teil des sechsten Sachstandsberichts AR6 (IPCC Sixth Assessment Report), der die naturwissenschaftlichen Grundlagen des Klimawandels behandelt, soll im Sommer 2021 verabschiedet werden. Die Publikation der weiteren Teile folgt voraussichtlich Laufe der zweiten Jahreshälfte oder Anfang 2022.

CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 6)Für den AR6 initiierte das Weltklimaforschungsprogramm das umfangreiche Modellvergleichsprojekt CMIP6, in dessen Rahmen umfangreiche koordinierte Simulationen mit gekoppelten Erdsystem- bzw. Klimamodellen durchgeführt wurden.

Am Teilprojekt ScenarioMIP, das Zukunftsprojektionen für eine ganze Bandbreite möglicher sozioökonomischer Entwicklungen umfasst, beteiligten sich weltweit insgesamt etwa 31 Einrichtungen, zum Teil mit mehreren Modellen bzw. Modellkonfigurationen, so dass je nach Szenario bis zu 49 unterschiedliche Modelle eingesetzt wurden. Durch die Vielfalt der Modelle werden Unsicherheiten im Verständnis des Klimasystems und verschiedene Möglichkeiten der Repräsentation von Klimaprozessen in Modellen abgebildet. In den wesentlichen Aussagen stimmen die Modelle überein, und zeigen die gravierenden Veränderungen, die durch den menschgemachten Klimawandel entstehen könnten.

Das BMBF förderte den deutschen CMIP6-Beitrag. Das DKRZ ist in vielerlei Hinsicht an der Durchführung der CMIP6-Simulationen sowie der Speicherung, Bearbeitung und Bereitstellung der Ergebnisdaten für die Wissenschaft beteiligt. Die Simulationen für den deutschen CMIP6-Beitrag wurden größtenteils auf dem Hochleistungsrechner Mistral am DKRZ durchgeführt.

Einstiegspunkt der Webseite zu den CMIP6-Simulationen am DKRZ: www.dkrz.de/kommunikation/klimasimulationen/cmip6-de/

(A) Überblick über die CMIP6-Aktivitäten am DKRZ: www.dkrz.de/kommunikation/klimasimulationen/cmip6-de/cmip6-aktivitaeten-am-dkrz-ueberblick

Rechenzeit und Ergebnisdaten

Im Laufe der letzten Jahre wurden von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M), des Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Deutschen Wetterdienstes (DWD) sowie des DKRZ viele CMIP6-Experimente gerechnet, die Ergebnisse standardisiert und über den ESGF-Datenknoten (Earth System Grid Federation) am DKRZ publiziert. Alleine im Jahr 2019 erforderten diese Simulationen am DKRZ 1,2 Millionen Knotenstunden Rechenzeit. Insgesamt wurden etwa 13.000 Modelljahre simuliert. Der CMIP6-Datenpool am DKRZ umfasste Ende April 2020 ungefähr 1,1 Petabyte an qualitätsgeprüften, primär publizierten und 2,1 Petabyte an replizierten Klimamodelldaten, d.h. Kopien der Simulationsergebnisse von Instituten aus anderen Ländern. Der Teil der CMIP6-Daten, die im IPCC AR6 verwendet werden, wird für die langfristige Nachnutzung, etwa für die Klimafolgenforschung, in das IPCC-AR6-Referenzdatenarchiv des IPCC Data Distribution Centre (DDC) am DKRZ überführt.

Modelle und Szenarien

de-Abb1_NeuesKlimamodell.pngFür die am DKRZ durchgeführten CMIP6-Szenarienrechnungen, die auch in den AR6 einfließen, wurden zwei unterschiedlich aufgelöste Konfigurationen des am MPI-M entwickelten Erdsystemmodells MPI-ESM-1.2 sowie das am AWI entwickelte Klimamodell AWI-CM-1-1 (Abbildung 1) verwendet.

 

 

 

Abbildung 1: Horizontale Auflösung des Ozean-Meereis-Modellgitters für die CMIP6-Simulationen mit dem Modell AWI-CM.

Im Hinblick auf den AR6 wurden neue sogenannte SSP-Klimaszenarien (Shared Socioeconomic Pathways) entwickelt, denen unterschiedliche sozioökonomische Entwicklungen sowie unterschiedliche Verläufe des atmosphärischen Treibhausgasgehaltes zugrunde liegen. Dabei steht das Szenario SSP1 für eine zunehmend nachhaltige Welt, SSP2 schreibt die bisherige Entwicklung fort, wobei die Einkommensschere zwischen einzelnen Ländern größer wird, SSP3 beschreibt regionale Rivalitäten, SSP4 eine Ungleichheit, die zwischen entwickelten, miteinander kooperierenden Gesellschaften und Entwicklungsländern weiter zunimmt und SSP5 eine Entwicklung, die weiterhin auf fossilen Brennstoffen und energiereichem Lebensstil basiert. Eine ausführlichere Beschreibung der verwendeten Szenarien sowie Grafiken, welche die dazugehörigen zukünftigen Verläufe von CO2-Konzentrationen und -Emissionen zeigen, finden sich ebenfalls auf der DKRZ-Webseite.

(B) Weiterführende Informationen zu den Modellen: www.dkrz.de/kommunikation/klimasimulationen/cmip6-de/das-modell

(C) Weiterführende Informationen zu den SSP-Klimaszenarien: www.dkrz.de/kommunikation/klimasimulationen/cmip6-de/die-ssp-szenarien

Ergebnisse

Zahlreiche Visualisierungen zeigen für die unterschiedlichen Szenarien mögliche zukünftige Entwicklungen der wichtigsten Klimaparameter auf Basis der Ergebnisse der Klimasimulationen mit den drei deutschen Modellen.

Als Einstieg und Übersicht über die Modellrechnungen verdeutlichen Kurven der global gemittelten bodennahen Lufttemperatur mögliche zeitliche Verläufe des Klimawandels bei unterschiedlichen sozioökonomischen Entwicklungen (Abbildung 2). Der Vergleich zwischen der beobachteten (gelbe Kurve) und der simulierten Vergangenheit (graue Kurven) zeigt eine gute Übereinstimmung in Umfang und Verlauf der bisherigen Erwärmung. Alle Modelle zeigen, dass im günstigsten Fall (Szenario SSP126, grüne Kurven) die zum Ende des Jahrhunderts erreichte Erwärmung gegenüber dem vorindustriellen Mittel unterhalb von zwei Grad bleiben könnte. Für das pessimistische Szenario SSP585 (lila Kurven) wird dagegen eine kräftige Erwärmung von 3,5 bis 4 Grad im Vergleich zu „heute“ (1995-2014) projiziert. Die jeweilige Bandbreite der Temperaturentwicklungen für ein Szenario ist dabei ein Maß für die Unsicherheit. Die Modellunsicherheit, die aus dem Vergleich unterschiedlicher Modelle ersichtlich wird, ist dabei größer als die simulierte interne Klimavariabilität einzelner Modelle. Man geht davon aus, dass die Modellunsicherheit durch weitere Forschung weiter reduziert werden kann. Die Unsicherheit durch die interne Variabilität kann durch eine höhere Anzahl von Realisierungen, wie sie bei der Simulation der historischen Vergangenheit und dem Szenario SSP370 berechnet wurden, genauer bestimmt, aber nicht reduziert werden.

Abbildung 2: Simulierte Änderung der 2m-Temperatur für die Vergangenheit (graue Kurven, zum Vergleich zeigt die gelbe Kurve die beobachtete Vergangenheit) sowie für unterschiedliche SSP-Zukunftsszenarien (lila,  rot, blau, grün). Die braunen Kurven zeigen die Kontrollexperimente, mit denen das ungestörte Klima untersucht werden kann. Die Modelle MPI-ESM und AWI-CM zeigen eine leicht unterschiedliche Sensititvität; so zeigt das Modell AWI-CM insbesondere für SSP585 die stärkste Erwärmung von allen Experimenten.

Abbildung 2: Übersicht der simulierten Entwicklungen der global gemittelten bodennahen Temperatur. In der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts unterscheiden sich die Temperaturkurven für die Szenarien deutlich voneinander; so wird für das Jahr 2100 ein Anstieg zwischen etwa einem und vier Grad (im Vergleich zur Referenzperiode 1995-2014) projiziert.

Animierte Visualisierungen der Änderung der Mitteltemperatur illustrieren, wie die für die Szenarien projizierten Änderungen der 2m-Temperatur regional unterschiedlich ausfallen. In allen Szenarien ist ein deutlicher Kontrast zwischen der Erwärmung über dem Ozean und der über Landflächen erkennbar. Da der tiefe Ozean viel Wärme aufnehmen kann und dadurch dämpfend wirkt, erwärmt sich das Wasser deutlich langsamer bzw. weniger stark als die Landoberfläche. Die größten Temperaturänderungen treten dort auf, wo sich die Bedeckung des Ozeans mit Meereis oder die Schneebedeckung von Landoberflächen ändert.

Abbildung 1: Mit dem Modell MPI-ESM HR simulierte Änderung der 2m-Temperatur für das eher pessimistische Szenario SSP585. Die drei Erden zeigen das Erwärmungsmuster (Jahresmittel) für die Jahre 2030, 2060 und 2090 jeweils verglichen mit der "heutigen" Situation (1995-2014).

Abbildung 3: Mit dem Modell MPI-ESM HR simulierte Änderung der 2m-Temperatur für das eher pessimistische Szenario SSP585. Die drei Erden zeigen das Erwärmungsmuster (Jahresmittel) für die Jahre 2030, 2060 und 2090 jeweils verglichen mit der "heutigen" Situation (1995-2014).

Durch eine Erwärmung der Lufttemperatur intensiviert sich der Wasserkreislauf, und die Niederschläge nehmen zu - je nach Szenario im globalen Durchschnitt um einige Prozent. Visualisierungen der Niederschlagsänderungen zeigen allerdings, dass gleichzeitig eine Umverteilung erfolgt: In manchen Gebieten regnet es zukünftig mehr, in anderen deutlich weniger; zudem sind die Änderungen jahreszeitlich unterschiedlich stark.

(D) Weiterführende Informationen zu den Ergebnissen: www.dkrz.de/kommunikation/klimasimulationen/cmip6-de/ergebnisse

Datenzugriff und der CMIP6-Datenpool

Der CMIP-Datenpool enthält alle häufig benötigten Klimamodelldatensätze, wird als Teil der DKRZ-Dateninfrastruktur betrieben und unterstützt Forschende bei der Sammlung, dem Zugriff und der Verarbeitung großer Mengen von Klimadaten. Der ebenfalls am DKRZ betriebene Zitierdienst für CMIP6 sorgt zudem dafür, dass alle CMIP6-Daten zitierbar sind und Datennutzer so den Institutionen Anerkennung für die Erzeugung der Daten geben können. Darüber hinaus unterstützt das DKRZ den IPCC, indem es den CMIP-Datenpool und die DKRZ-Infrastruktur im Rahmen der DDC-Support-Aktivität zur Verfügung stellt.

(E) Weiterführende Informationen zum Zugriff auf die CMIP6-Daten: www.dkrz.de/up/services/data-management/cmip-data-pool (nur in Englisch verfügbar)

Publikationen und Literatur:

Autoren:

Michael Böttinger, DKRZ (Email:  , Telefon: +49 40 460094 344)

Jana Meyer, DKRZ (Email: , Telefon: +49 40 460094 332)

Wissenschaftlicher Kontakt/Ansprechpartner:

Dr. Tido Semmler, Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven (Email:  , Telefon: +49 471 4831 2287)

Dr. Johann Jungclaus, Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg (Email: Telefon: +49 40 41173 109)
 

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Klima