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Neues Klimamodell für den Weltklimarat

Wie stark könnte sich die Erde in den kommenden Jahrzehnten durch den Klimawandel aufheizen? Wie würde sich dadurch unsere Welt verändern? Diese Fragen gehören zu den wohl drängendsten unserer Zeit. Weltweit versuchen Forscherinnen und Forscher mit Klimarechenmodellen Antworten darauf zu finden. Doch das Klima der Erde ist ausgesprochen komplex, und dessen Modellierung auf Supercomputern schwierig. Jedes Klimamodell hat seine Stärken und Schwächen. Um mögliche Entwicklungen des künftigen Klimas besser abschätzen zu können, werden deshalb weltweit die Ergebnisse vieler verschiedener Klimamodelle miteinander verglichen und gemeinsam ausgewertet. So wird deutlich, welcher Klimatrend am wahrscheinlichsten ist und mit welchen Unsicherheiten die Projektionen behaftet sind.

An diesem aufwändigen internationalen Vergleich, dem sogenannten Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), sind weltweit insgesamt rund 50 Forschungseinrichtungen beteiligt. Das Projekt ist von enormer Bedeutung, weil die Ergebnisse in eine internationale Datenbank einfließen und die Grundlage für den nächsten Sachstandsbericht AR6 (Sixth Assessment Report) des Weltklimarates (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) bilden, der im Jahr 2021 erscheinen wird.

Das Alfred-Wegener-Institut (AWI) in Bremerhaven hat in der letzten Dekade ein neues Meereis- und Ozeanmodell FESOM entwickelt. Es zeichnet sich durch ein flexibles Gitter aus, das in dynamisch aktiven Regionen des Ozeans wie dem Golf- und Nordatlantikstrom, dem Kuroshio-Strom, im südlichen Ozean oder in Küstenregionen besonders hochaufgelöst sein kann. In dynamisch weniger aktiven Regionen wie den Subtropen kann in gröberer Auflösung gerechnet werden, um Computerzeit zu sparen. Dieses Modell ist an das in verschiedenen internationalen Modellvergleichen bewährte Atmosphärenmodell ECHAM des Max-Planck-Instituts für Meteorologie gekoppelt worden. Das neue gekoppelte Klimamodell wird als AWI-CM (Alfred Wegener Institute Climate Model) bezeichnet. Im Zeitraum von 2017 bis 2019 sind die Modellrechnungen für das Coupled Model Intercomparison Project 6 (CMIP6) am DKRZ mit dem AWI-CM durchgeführt worden. Die Gitterpunktweite für Ozean und Meereis beträgt zwischen etwa 8 km in den dynamisch aktiven Gebieten und etwa 80 km in den Subtropen (Abbildung 1), die für die Atmosphäre etwa 100 km.

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

Für die gesamten CMIP6-Modellsimulationen, die aus dem 500-Jahres-Einschwinglauf zur Stabilisierung des Modellklimas, aus dem 500-Jahres-Kontrolllauf zur Untersuchung des vorindustriellen Klimas (konstante Bedingungen aus dem Jahr 1850), aus den historischen Läufen für 1850 bis 2014, sowie idealisierten Simulationen mit 1% pro Jahr CO2-Anstieg oder abrupt einsetzenden vierfachen CO2-Konzentrationen sowie insgesamt acht Szenarienläufen von 2015-2100 bestehen, hat das DKRZ knapp 2 Millionen Knotenstunden und 2,7 Petabyte (2,7 Millionen Gigabyte) Speicherplatz auf dem Hochleistungsrechner Mistral und im Datenarchiv zur Verfügung gestellt.

Die wichtigsten Modellergebnisdaten für das historische Klima ab 1850, sowie für das Klima der Zukunft bis 2100 aufgrund verschiedener Szenarien (nachhaltig bis business-as-usual, also keine Bemühungen, Treibhausgasemissionen zu reduzieren) sind bereits auf dem DKRZ-Knoten der internationalen verteilten Klimadatenbank ESGF (Earth System Grid Federation) veröffentlicht und stehen somit Wissenschaftlern weltweit zur Verfügung. Das DKRZ hat Werkzeuge zur Verfügung gestellt sowie Hilfestellung geleistet, um die Daten in das weltweit standardisierte Format für die Veröffentlichung zu bringen.

Die mit AWI-CM simulierte global gemittelte Temperaturänderung bis 2100 (Abbildung 2) ist ähnlich im Vergleich zum Durchschnitt aus den Klimamodellsimulationen des vorhergehenden internationalen Modellvergleichs, wobei die arktische Meereisausdehnung stärker zurückgeht als dieser Durchschnitt. Gebiete, die in heutigem Klima nass sind, werden meist noch nasser und Gebiete, die heute trocken sind, werden meist noch trockener. Die Ozeanströmungen bleiben vergleichsweise stabil in den AWI-Klimamodellsimulationen, so dass der Golf- und der Nordatlantikstrom weiterhin warm bleiben. Daher erwärmen sich der Nordatlantik und Teile von Europa vergleichsweise stark.

Abbildung 2: Entwicklung der historischen globalen Mitteltemperatur und möglicher zukünftiger Abweichungen der globalen Mitteltemperatur vom klimatologischen 30-Jahres-Mittel (1951-1980) in °C auf Basis der Berechnungen mit AWI-CM und aus Beobachtungen des Goddard Institute for Space Studies (GISS, lila Kurve).

Die in Abbildung 2 dargestellten Kurven zeigen exemplarisch anhand der global gemittelten 2m-Lufttemperatur die verschiedenen Experimente, die das AWI im Rahmen von CMIP6 mit AWI-CM berechnet hat. Die wesentlichen natürlichen Treiber der Erdtemperatur wie etwa die solare Einstrahlung, natürliche Treibhausgas- und Aerosolkonzentrationen und vulkanische Aerosole sind enthalten. Die graue Linie zeigt den Kontrolllauf (piControl) auf Basis dieser natürlichen Treiber und mit Treibhausgaskonzentrationen auf vorindustriellem Niveau (284 ppm CO2). Die schwarzen Linien zeigen die simulierte Entwicklung der globalen Mitteltemperatur entsprechend des historischen Anstiegs der Treibhausgaskonzentrationen von 1850 bis heute auf 400 ppm CO2 (historical), die zu einer globalen Nettoerwärmung von etwa 1°C geführt haben. Die farbigen Linien zeigen die berechneten möglichen zukünftigen Entwicklungen der globalen Mitteltemperatur für die verschiedenen Emissionsszenarien (niedrige Emissionen: SSP126, mittlere Emissionen: SSP245, mittelhohe Emissionen: SSP370, hohe Emissionen: SSP585). Im Falle der historischen Entwicklung (schwarze Linien) und des mittelhohen Szenarios SSP370 (etwa 4°C Erwärmung bei 871 ppm CO2 in 2100 im Vergleich zu 1850) für die Zukunft (gelbe Linien) sind jeweils mehrere Rechnungen durchgeführt worden, um die Unsicherheit in den Ergebnissen abzuschätzen. Es wird klar, dass die verschiedenen Simulationen bis auf natürliche Jahr-zu-Jahr-Fluktuationen von bis zu 0,5°C sehr ähnliche Ergebnisse liefern und damit die Ergebnisse statistisch robust sind.

Für das niedrige Emissionsszenario (445 ppm CO2 in 2100, SSP126) müssen starke Anstrengungen unternommen werden, den Ausstoß der Treibhausgase zu reduzieren, so dass der Anstieg der globalen Mitteltemperatur auf 2°C im Vergleich zu 1850 begrenzt werden kann. Beim hohen Emissionsszenario (1142 ppm CO2 in 2100, SSP585) wird davon ausgegangen, dass es keine Bemühungen gibt, den Ausstoß der Treibhausgase zu reduzieren ‑ mit der Konsequenz, dass der Anstieg der globalen Mitteltemperatur nach den vorliegenden Berechnungen bis 2100 etwa 5°C im Vergleich zu 1850 erreichen könnte.

Autor/Kontakt:

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

 

Publikationen:
Semmler, T., Danilov, S., Gierz, P., Goessling, H., Hegewald, J., Hinrichs, C., Koldunov, N.V., Khosravi, N., Mu, L., Rackow, T., Sein, D., Sidorenko, D., Wang, Q., Jung, T. (submitted 2019): Simulations for CMIP6 with the AWI climate model AWI-CM-1-1, submitted to Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES), Preprint on Earth and Space Science Open Archive (ESSOAr) under https://www.essoar.org/doi/10.1002/essoar.10501538.1

Semmler, T.; Danilov, S.; Rackow, T.; Sidorenko, D.; Barbi, D.; Hegewald, J.; Sein, D.; Wang, Q.; Jung, T. (2018). AWI AWI-CM1.1MR model output prepared for CMIP6 CMIP. Version 20191219. Earth System Grid Federation. https://doi.org/10.22033/ESGF/CMIP6.359

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