Wie entstehen Klimaszenarien?

Hinter den Klimaszenarien Klima CH2025, die im Herbst 2025 von MeteoSchweiz und der ETH Zürich veröffentlicht wurden, stecken ein aufwändiger Prozess und methodische Neuerungen. Diese verknüpfen zwei Klimamodellgenerationen und bieten eine Grundlage für praxisorientierte, robuste Klimainformationen.

Die Erstellung von Klimaszenarien beginnt mit globalen Klimamodellen (GCM). Dies sind rechenaufwändige, mathematisch-physikalische Abbildungen des Klimasystems der Erde. Sie stellen die Atmosphäre, die Ozeane und die Landoberfläche anhand einer dreidimensionalen Gitterstruktur [UN1] mit einer Auflösung von 100–200 km dar. Als Input dienen unter anderem Emissionsszenarien, die mögliche Entwicklungspfade der zukünftigen Konzentration der globalen Treibhausgasemissionen beschreiben.[1] Als Resultat beschreiben die Modelle dann die Klimaentwicklung, die von diesen Emissionen ausgelöst wird.

Die Auflösung globaler Klimamodelle ist für ein gebirgiges Land wie die Schweiz zu grob. Damit können lokale klimatische Gegebenheiten etwa in inneralpinen Tälern nicht abgebildet werden. Deshalb werden in einem zweiten Schritt regionale Klimamodelle (RCM) eingesetzt, die das Alpenrelief mit einer Auflösung von 12 km besser erfassen. Bei der Erarbeitung der Schweizer Klimaszenarien Klima CH2025 wurden insgesamt 54 Modellrechnungen der EURO-CORDEX-Initiative[2] verwendet. Diese regionalen Modelldaten werden mit einem statistischen Verfahren an die lokalen Beobachtungen angepasst und auf ein 1-km-Gitterraster verfeinert. Die Unterschiede zwischen den Resultaten mehrerer Modelle zeigen die Unsicherheit der Berechnungen auf. Eine animierte Erklärung dieses Prozesses ist hier abrufbar.

Unterschiede zwischen regionalen und globalen Modellen

Eine Herausforderung bei der Erstellung von Klima CH2025 war, dass die von den Regionalmodellen für Europa berechnete Erwärmung vor allem im Sommer geringer ist als dies die Messungen zeigen[4] In den globalen Modellen wird die beobachtete Erwärmung deutlich besser abgebildet. Warum ist das so?

Eine mögliche Ursache liegt in der Veränderung der Konzentration von Aerosolen. Das sind feine Schwebeteilchen in der Atmosphäre, die die Sonnenstrahlung streuen und so kühlend wirken. Die meisten Regionalmodelle verwenden zeitlich konstante Aerosolkonzentrationen und berücksichtigen die erhebliche Abnahme der Luftverschmutzung über Europa seit den 1980er-Jahren zu wenig. Weniger Aerosole bedeutet, dass mehr Sonnenlicht die Erdoberfläche erreicht. Diese sogenannte «Aufhellung» Europas hat eine messbare regionale Erwärmung bewirkt. Globale Modelle mit zeitlich variierenden Aerosolen bilden diesen Effekt besser ab, während regionale Modelle ihn systematisch unterschätzen.[5] Weitere mögliche Ursachen sind Unterschiede in den Trends der Wolkenbedeckung oder in der Reaktion der Vegetation auf erhöhtes Kohlendioxid.

Die Forschenden mussten deshalb eine Methode finden, um die Differenz zwischen den regionalen und den globalen Modellen auszugleichen und gleichzeitig die räumliche Detailliertheit der regionalen Simulationen zu erhalten.

Brückenbauerin zwischen Modellgenerationen

Dazu entwickelten sie mit dem sogenannten «Block-Time-Shift» (BTS) einen neuen Ansatz.[3] In den regionalen Simulationen wird dazu jener Zeitabschnitt identifiziert, über welchen die Regionalmodelle die gleiche grossräumige europäische Erwärmung zeigen wie die globalen Modelle. Da die Erwärmung der Regionalmodelle geringer ist, ist dieser Zeitabschnitt später als in den globalen Modellen. Die Zeitachse in den Regionalmodellen wird sozusagen nach vorne geschoben, damit die Regionalmodelle dieselbe grossräumige Erwärmung aufweisen und gleichzeitig die höhere Auflösung der Prozesse beibehalten

Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass für die neueste Generation der globalen Klimamodelle («CMIP6»-Modelle) noch keine Regionalsimulationen für Europa verfügbar waren. Nun ermöglicht es der BTS-Ansatz auch, die räumlich hochaufgelösten Resultate der Regionalsimulationen, die auf der älteren Generation der globalen Klimamodelle («CMIP5»-Modelle) basieren, mit den neuen globalen Modellrechnungen zu verknüpfen. Dies geschieht, indem derjenige Zeitabschnitt in den Regionalmodellen gesucht wird, der die gleiche Erwärmung in Europa zeigt wie die neueGeneration der globalen Modelle.

Die Anwendung der BTS-Methodik hat dazu geführt, dass in den Szenarien Klima CH2025 die Erwärmung der letzten Jahrzehnte besser abgebildet wird. Die projizierten Schweizer Temperaturen in Klima CH2025 sind aufgrund dieser Anpassungen je nach Jahreszeit und Erwärmungsniveau um 0,1 bis 0,4 °C höher als in der Vorgängergeneration CH2018.

Die beschriebenen methodischen Neuerungen korrigieren eine Ungenauigkeit der regionalen Simulationen und schaffen zugleich eine verallgemeinerbare Methode zur Kombination unterschiedlicher Modellgenerationen und Datenquellen. Klima CH2025 bietet damit nicht nur die aktuell bestmögliche wissenschaftliche Grundlage für Klimaanpassung und Klimaschutz in der Schweiz, sondern eröffnet auch neue methodische Wege für die internationale Klima- und Klimafolgenforschung.

Globale Erwärmungsniveaus als neues Konzept

Eine weitere wichtige konzeptionelle Neuerung in Klima CH2025 ist die Darstellung des zukünftigen Klimawandels anhand von globalen Erwärmungsniveaus (Global Warming Levels, GWL). Statt die Klimazukunft für fixe Zeitpunkte (z.B. 2050) zu beschreiben, werden die Szenarien für das Schweizer Klima für bestimmte Zustände der globalen Durchschnittstemperatur dargestellt: zum Beispiel in einer «1,5-Grad-Welt», das heisst in einer Welt, die global eine Erwärmung von 1,5°C gegenüber der Periode 1871–1900 aufweist. Weitere Erwärmungsniveaus entsprechen einer 2-Grad-Welt und einer 3-Grad-Welt. Der Ansatz folgt der Methodik des sechsten Sachstandsberichts des Weltklimarats.[1] Wann genau ein bestimmtes Erwärmungsniveau erreicht wird, hängt von der Menge und der Geschwindigkeit zukünftiger Emissionen ab. Eine 1,5-Grad-Welt gilt aufgrund der bisherigen Emissionen als praktisch unvermeidbar und wird wahrscheinlich bereits in wenigen Jahren erreicht. Unter den derzeit geplanten Massnahmen zur globalen Emissionsreduktion steuert die Welt eher auf eine Erwärmung um rund 3 °C bis Ende Jahrhundert zu.[1]

Wissenschaft, Behörden, Wirtschaft und Gesellschaft können so einordnen, welche Klimaveränderungen in der Schweiz konkret zu erwarten sind, wenn die Welt die 1,5-, 2- oder 3-Grad-Grenze überschreitet und was durch konsequenten Klimaschutz vermieden werden kann.

Weitere Informationen

Die Szenarien, der Webatlas, Hintergrundinformationen und alle Datenprodukte sind öffentlich verfügbar unter: klimaszenarien.ch

(Die Beiträge geben die Meinung der Schreibenden wieder und müssen nicht mit der Haltung der SCNAT übereinstimmen.)