Klimamodelle erfassen Temperaturverlauf unzureichend

Die Entwicklung der Lufttemperatur in der Klimazukunft ist eine der zentralen Größen in den Vorhersagen der globalen Klimamodelle. Vergleicht man jedoch den Temperaturverlauf der letzten 15 Jahre mit den Simulationen der neuen Klimamodellgeneration, so fällt eine erhebliche Abweichung zwischen Modell und Realität auf: der sogenannte Temperatur-Hiatus.

Im Herbst 2013 wurde der finale Entwurf des 5. Sachstandberichtes des International Panel of Climate Change (IPCC) der Öffentlichkeit präsentiert. Dem Bericht liegen neueste Forschungserkenntnisse zugrunde, welche unter anderem aus Ergebnissen von globalen Klimamodellsimulationen abgeleitet sind. Diese neuste Generation von Klimamodellen enthält neben den aktuellen Treibhausgas-Emissionsszenarien (RCPs) auch eine Reihe von grundlegenden physikalischen Neuerungen wie eine weiterentwickelte Aerosolchemie, ein Kohlenstoffkreislauf- und ein dynamisches Vegetationsmodul.

Hintergrund

Die neuen Klimamodelle (CMIP5) sind derzeit die verlässlichste Quelle, um zukünftige, durch den Menschen verursachte Klimaveränderungen bestimmen zu können. Dabei galt bis dato die Lufttemperatur als jener Parameter, dem die stärkste Glaubwürdigkeit zugesprochen wurde. In den letzten 15 Jahren zeigt sich jedoch eine deutliche Abschwächung des globalen Temperaturanstieges, der nur von drei der 114 Klimamodellsimulationen ausreichend erfasst wird (Abb. 1).

Abb. 1: Änderung der globalen bodennahen Lufttemperatur relativ zur Periode 1986–2005 aus Beobachtungsdaten (schwarz) und Modellsimulationen (farbig) (IPCC 2013).

Im Vergleich der globalen Lufttemperatur zwischen 1998 und 2012 liegt die Beobachtung (schwarze Linie in Abb. 1) am unteren Rand aller Simulation, jedoch gerade noch innerhalb des Vertrauensbereiches. Dieser Bereich berücksichtigt Unsicherheiten aus den unterschiedlichen Emissionsszenarien, den verschiedenen Beobachtungsdatensätzen und die natürliche Klimavariabilität.

Ursachen

Die Abschwächung des globalen Temperaturanstieges der letzten 15 Jahren wird laut IPCC (2013) auf das Zusammenwirken von

• einem deutlichen Minimum im solaren 11-jährigen Zyklus,
• vulkanischer Aktivität und
• interner Klimavariabilität

zurückgeführt. Darüber hinaus wird jedoch vermutet, dass

• durch den Menschen emittierte Aerosole

zur Stagnation beigetragen haben könnten.

Zum dritten Punkt – der natürlichen Klimavariabilität – gibt es zwei wichtige Theorien: Die erste besagt, dass vor allem der tiefe Ozean deutlich mehr Energie aufnimmt als ursprünglich angenommen und damit weniger Energie für die Erwärmung der bodennahen Luftschichte zur Verfügung steht. Dies impliziert eine systematische Unterschätzung der Speicherung von Energie durch die Ozeane im globalen Klima und damit eine mögliche langfristige Überschätzung der Lufttemperatur in den Szenarien. Es sei denn, es handelt sich um eine vorrübergehende La-Niña-Phase, die dämpfend auf die globale Temperatur wirkt. Dieser Effekt wäre zeitlich begrenzt. In beiden Fällen existieren jedoch offensichtliche Mängel in der Fähigkeit, die ozeanische Zirkulation hinreichend im Modell zu erfassen.

Die zweite Theorie begründet die Stagnation mit einer starken Regeneration des winterlichen, eurasischen Hochdruckgürtels. Denn neue Analysen zeigen, dass ein großer Anteil des sich abschwächenden Temperatursignals aus dem Hochwinter über dem asiatischen Kontinent sowie Skandinavien stammt (Abb. 2).

Abb. 2: Lineare Trends der bodennahen Lufttemperatur der Periode 1987–2010 aus CRUTEM3-Daten in Grad Celsius pro Jahrzehnt im Winter (oben) und Sommer (unten) (Cohen u.a. 2012b).

Die Ursache des winterlichen Temperaturrückgangs von 1987 bis 2010 über Nordeuropa und dem asiatischen Kontinent könnte, gemäß den Ergebnissen neuer Studien, im starken Rückgang des arktischen Meereises begründet liegen. Dieser Rückgang führt einerseits zu Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation („Arctic oscillation index“) und andererseits zu einer Modifikation der Luftfeuchtigkeit und der Wolkenbildung. Die Zunahme der herbstlichen Schneebedeckung über dem eurasischen Kontinent dürfte nach neusten Erkenntnissen ein wichtiges Teil in diesem Klimapuzzle sein.

Modellrealität

Warum die globalen Klimamodelle die aktuelle Temperaturentwicklung viel zu hoch einschätzen – und offensichtlich die dahinter liegenden Prozesse nicht richtig erfassen – wird derzeit diskutiert und ist Gegenstand laufender Forschungsarbeiten. Gemäß dem neuen Sachstandberichtes könnte der Fehler in einem fehlenden bzw. inkorrekten Strahlungsantrieb oder einer falschen Reaktion der Klimamodelle auf externe Antriebe begründet liegen. Darüber hinaus dürften einige Klimamodelle zu stark auf die Konzentration von Treibhausgasen reagieren.

Bedeutung

Steigt die globale Lufttemperatur in den nächsten fünf Jahren nicht deutlich, so sind alle Simulationen außerhalb des Vertrauensbereiches. Unabhängig davon zeigt sich bereits jetzt, dass die globalen Modelle die natürliche Variabilität unterschätzen und bestimmte Phänomene oder Wechselwirkungen im Klimasystem nur unzureichend erfassen. Im neuen IPCC-Bericht wird davon ausgegangen, dass die von den globalen Klimamodellen simulierte bodennahe Lufttemperatur im Zeitraum 2081–2100 mit einer Wahrscheinlichkeit von 66 bis 100 % innerhalb des Vertrauensbereichs (>5-%- und <95-%-Konfidenzintervall) der Modellsimulationen liegen wird. Damit soll trotz der aktuellen Diskrepanzen die Temperatur gegenüber dem vorindustriellen Niveau je nach Emissionsszenario um 1,5 bis 4° C ansteigen.

Im Bericht wird auch davon ausgegangen, dass die aktuelle Temperaturstagnation nur eine vorrübergehende Phase ist und sich der Temperaturanstieg schon bald wieder beschleunigen wird. Angesichts des anhaltenden Rückgangs des arktischen Meereis und der Speicherkapazität der Ozeane ist diese Einschätzung jedoch als nicht gesichert einzustufen.

Schlussfolgerung

Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre geben immer öfter zu erkennen, dass natürliche Schwankungen im Klima erheblich sind. Der aktuelle Temperatur-Hiatus zeigt, dass das Klimasystem derzeit noch nicht in seiner vollen Komplexität verstanden ist und die globalen Klimamodelle noch nicht ausreichen.

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