Regionale Klimaszenarien für Deutschland Eine

 Klimawandel

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E-Paper der ARL Nr. 6 Oliver Walkenhorst, Manfred Stock Regionale Klimaszenarien für Deutschland Eine Leseanleitung ISBN www.ARL-net.de Hannover 2009 AKADEMIE…
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E-Paper der ARL Nr. 6 Oliver Walkenhorst, Manfred Stock Regionale Klimaszenarien für Deutschland Eine Leseanleitung ISBN www.ARL-net.de Hannover 2009 AKADEMIE FÜR RAUMFORSCHUNG UND LANDESPLANUNG Regionale Klimaszenarien für Deutschland Eine Leseanleitung E-Paper der ARL Nr. 6 ISBN 978-3-88838-724-1 Alle Rechte vorbehalten • Verlag der ARL • Hannover 2009 © Akademie für Raumforschung und Landesplanung Abrufmöglichkeiten über das Internet der ARL: www.ARL-net.de (Rubrik „Publikationen“) Akademie für Raumforschung und Landesplanung (ARL®) Leibniz-Forum für Raumwissenschaften Hohenzollernstraße 11, 30161 Hannover Tel. (05 11) 3 48 42-0, Fax (05 11) 3 48 42-41 E-Mail: ARL@ARL-net.de Abbildung auf der Titelseite: Die Mulde bei Bad Düben, 15. August 2002 (Bildautor: Marc Zebisch) Autoren Walkenhorst, Oliver, Dipl.-Phys., Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, Potsdam Stock, Manfred, Prof. Dr., Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung, Potsdam Die wissenschaftliche Verantwortung für den Beitrag liegt bei den Autoren. Sekretariat der ARL: WR III „Natürliche Ressourcen, Umwelt, Ökologie” Leitung: Dr. Gerhard Overbeck (Overbeck@ARL-net.de) II Inhalt Vorbemerkung........................................................................................................................... 1 1 Einleitung ...................................................................................................................... 1 2 Wozu braucht man regionale Klimaszenarien?............................................................. 2 3 Wie kommen regionale Klimaszenarien zustande?....................................................... 4 3.1 Schritt 1: Globale Emissionsszenarien .......................................................................... 4 3.2 Schritt 2: Globale Klimamodelle................................................................................... 5 3.3 Schritt 3: Regionale Klimamodelle (Regionalisierungsverfahren) ............................... 6 3.4 Welche Unsicherheiten bestehen bei regionalen Klimaszenarien? ............................... 7 4 Welche regionalen Klimaszenarien liegen für Deutschland vor? ............................... 10 4.1 Eingesetzte regionale Klimamodelle........................................................................... 10 4.1.1 REMO.......................................................................................................................... 10 4.1.2 CLM ............................................................................................................................ 11 4.1.3 STAR........................................................................................................................... 11 4.1.4 WettReg....................................................................................................................... 11 4.2 Zusammenfassende Darstellung der regionalen Klimaszenarien................................ 11 5 Wie kann mit den Unsicherheiten regionaler Klimaszenarien umgegangen werden? 13 Literatur................................................................................................................................... 15 III Vorbemerkung Diese Leseanleitung ist für Nicht-Klimatolog/innen geschrieben, die Klimaszenarien in ihrem regionalen oder sektoralen Kontext anwenden. Durch die Vermittlung der fachlichen Grund- lagen sollen sie in die Lage versetzt werden, die Aussagen von Klimaszenarien angemessen einschätzen zu können. 1 Einleitung Im Zuge des anthropogenen Klimawandels verändert sich das Klima nicht überall auf der Er- de gleich schnell und in die gleiche Richtung. Im Gegenteil kann der Klimawandel regional sehr unterschiedlich ausgeprägt sein, z. B. können Gebiete zunehmender Trockenheit relativ kleinräumig neben feuchter werdenden Regionen liegen. Da globale Klimaszenarien mit einer horizontalen Auflösung von bislang typischerweise 100 bis 200 km diese Kleinräumigkeit nicht abbilden können, ist in den letzten Jahren die Erstellung regionaler Klimaszenarien stark gefördert und – nicht zuletzt durch die zunehmende Leistungsfähigkeit von Computern und das wachsende Verständnis klimatischer Prozesse – auch ermöglicht worden. Mit einer hori- zontalen Auflösung von wenigen Kilometern wurden so detaillierte Aussagen über mögliche Klimaentwicklungen einzelner Länder und Regionen in den nächsten 100 Jahren möglich und die entsprechenden Kartendarstellungen fanden, auch in der Öffentlichkeit, weite Verbrei- tung. Bei weniger mit der Materie Vertrauten treten dabei allerdings oftmals Missverständnis- se hinsichtlich des Zustandekommens und der Interpretation der Ergebnisse auf. Diese Lese- anleitung erläutert zum einen knapp und verständlich, welche einzelnen Schritte für die Er- stellung regionaler Klimaszenarien nötig sind und erklärt grundlegende Begriffe. Zum ande- ren wird aufbauend auf diesem Verständnis diskutiert, welche regionalen Klimaszenarien der- zeit für Deutschland vorliegen und worin sie sich unterscheiden, wie aussagekräftig und be- lastbar sie sind und wie, insbesondere in der räumlichen Planung, mit den zugehörigen Unsi- cherheiten umgegangen werden kann. Zwei klärende Bemerkungen sollen vorausgeschickt werden, um häufige Missverständnisse zu vermeiden. Die erste betrifft den Unterschied zwischen Wetter und Klima. Immer wieder wird die Frage gestellt, wie es denn sein könne, dass Wettervorhersagen für kaum mehr als 10 Tage möglich sind, während man Klimaprojektionen für die nächsten 100 Jahre macht. Das liegt daran, dass die Vorhersagbarkeit des Wetters aufgrund der chaotischen Natur des Wet- tersystems stark begrenzt ist: geringe Unterschiede in den Anfangswerten der meteorologi- schen Parameter können innerhalb kurzer Zeit zu riesigen Differenzen in der weiteren Ent- wicklung führen – ein Phänomen, das unter dem Begriff „Schmetterlingseffekt“ populär ge- worden ist. Klima hingegen ist „gemitteltes“ Wetter oder, präziser gesprochen, Klima ist ge- kennzeichnet durch die langfristige Statistik (Mittelwerte, Varianzen, Wahrscheinlichkeiten von Extremwerten usw.) der meteorologischen Elemente an einem Ort oder in einer Region, wobei mit „langfristig“ ein Zeitraum von typischerweise 30 Jahren gemeint ist. Diese Mittel- werte hängen primär von den längerfristigen Randbedingungen des Energie- und Stofftrans- ports (Strahlung, Luftmassen, Wasserdampf usw.) in eine Region ab und kaum von den für einen konkreten Wetterverlauf relevanten Anfangsbedingungen der atmosphärischen Felder zu einem bestimmten Zeitpunkt. Daher ist das Klima prinzipiell besser vorhersagbar als das Wetter. Die zweite Bemerkung betrifft eine Tatsache, die die Vorhersagbarkeit des Klimas wieder- um erheblich erschwert: die unbekannte zukünftige Entwicklung der globalen Emissionen von Treibhausgasen und Aerosolen (Schmutzpartikel wie Staub und Ruß) sowie unbekannte zu- künftige Landnutzungsänderungen. Diese Entwicklungen werden durch vielfältige Faktoren bestimmt, wie etwa die demographische, ökonomische, politische und technologische Ent- wicklung, die sich kaum vorhersagen lassen. Im Unterschied zu Wetterprognosen, die das 1 Wetter unter der Annahme deterministischer meteorologischer Prozesse – trotz „Schmetter- lingseffekt“ – mittlerweile kurzfristig recht genau vorhersagen können, sind Klimaszenarien deshalb keine Prognosen, sondern Projektionen verschiedener möglicher zukünftiger Verän- derungen der Klimaparameter. Klimaszenarien sind also gewissermaßen plausible klimatische Zukunftswelten, die auf der Basis von Emissionsszenarien mit Hilfe von Klimamodellen be- rechnet werden. Eine Prognose der klimatischen Verhältnisse in einem bestimmten Jahr oder gar an einem bestimmten Tag in der Zukunft (z. B. feuchter oder trockener als der Mittelwert) ist also aufgrund der Unvorhersagbarkeit der Emissionen und aufgrund des oben beschriebe- nen statistischen Charakters des Klimas prinzipiell nicht möglich. Zudem ist es eine Illusion, präzise Klimaszenarien mit einer so hohen räumlichen Auflö- sung erhalten zu können, wie man es von einigen Geodaten (z. B. Geländehöhe, Landnutzung) gewohnt ist. Die in dynamischen Klimamodellen abgebildeten physikalischen Prozesse, wie der genannte Energie- und Stofftransport, entsprechen den realen Prozessen notwendigerwei- se nur annähernd. Insbesondere kleinskalige dynamische Vorgänge, wie z. B. Wolkenbildung, werden dabei pauschal parametrisiert und raum-zeitlich gemittelt. Das kann sogar bedeuten, dass eine Erhöhung der Auflösung die enthaltenen Fehler vergrößert. Eine sinnvolle Grenze der horizontalen Auflösung liegt derzeit bei 10 x 10 km. 2 Wozu braucht man regionale Klimaszenarien? Regionale Klimaszenarien liefern die Grundlage zur Abschätzung möglicher Auswirkungen des Klimawandels auf regionaler Ebene. Bei dieser Abschätzung spielt das Konzept der Vul- nerabilität eine herausragende Rolle. Unter Vulnerabilität gegenüber dem Klimawandel wird die Verwundbarkeit bzw. Anfälligkeit eines klimasensitiven Systems – z. B. wirtschaftliche Sektoren, natürliche Ressourcen oder die Bevölkerung einer Region – gegenüber klimatischen Veränderungen verstanden. Die Vulnerabilität eines solchen Systems hängt von drei Fakto- renbündeln ab: der Größenordnung und Rate des Klimawandels (Klimastimulus), der Sensiti- vität des betrachteten Systems (Empfindlichkeit gegenüber dem Klimastimulus) und dessen Anpassungsmöglichkeiten und Anpassungsfähigkeit.1 Als Klimastimulus bezeichnen wir eine regionale Klimaänderung (z. B. Zunahme von Starkniederschlägen), die bestimmte – oftmals nachteilige – Klimawirkungen zur Folge hat (z. B. Gebäudeschäden infolge von Über- schwemmung). Diese Ursache-Wirkungs-Beziehung mitsamt verschiedenen Rückkopplungs- schleifen, die bei Vulnerabilitätsanalysen mit einbezogen werden müssen, ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. 1 Dies ist das in der Klimafolgenforschung verbreitete Verständnis von Vulnerabilität. In anderen Forschungsfeldern, wie z. B. der Katastrophen- und Risikoforschung, werden teilweise davon abweichende Vulnerabilitätskonzepte verwendet, die oftmals keine Stimulus- und Anpassungsdimension enthalten, sondern nur die „Sensitivität“ umfassen. 2 Abb. 1: Analyseschema der Vulnerabilität klimasensitiver Systeme: (1) ein Klimastimulus wirkt auf ein klimasensitives System und hat eine Klimawirkung zur Folge; (1+) pa- rallel dazu wirken zivilisatorische Einflüsse auf das klimasensitive System, z. B. Landnutzungsänderungen; (2) Rückwirkungen von Klimawirkungen auf das klima- sensitive System ergeben sekundäre Klimawirkungen; (3) Anpassungsstrategien, z. B. in der räumlichen Planung, an zukünftig erwartete Klimawirkungen (modifiziert nach Stock et al. 2009). In Vulnerabilitätsanalysen sind Ursachen und Wirkungen nach Abbildung 1 wie folgt ver- knüpft: (1) Klimasensitive Systeme sind gegenüber Klimastimuli unterschiedlich empfindlich (sen- sitiv) und zudem hat ein Klimastimulus je nach gegenwärtigem Zustand eines Systems unterschiedliche Klimawirkungen zur Folge. Bisher beschränken sich Klimafolgenana- lysen weitgehend auf diesen linearen Teil des Wirkungsgefüges, wobei als Klimastimuli Veränderungen der regionalen Klimaparameter (z. B. Anstieg der Temperatur, jahres- zeitliche Verschiebung der Niederschläge usw.) aus Klimaszenarien verwendet werden. (1+) Zusätzlich zum Klimawandel verändern andere zivilisatorische Einflüsse (z. B. Verän- derungen der forst- und landwirtschaftlichen Nutzung, Versiegelung von Flächen, Be- bauung von hochwassergefährdeten Gebieten) die Umweltbedingungen und den Zu- stand des Systems und beeinflussen damit die Sensitivität gegenüber Klimastimuli. Die Berücksichtigung dieser Einflussfaktoren in Form von regionalen Indikatoren erlaubt wesentliche Aussagen über die Sensitivität gegenüber Klimastimuli auch dort, wo die Klimaszenarien noch unsichere Daten liefern. (2) Die Klimawirkung eines Klimastimulus hat wiederum ökologische und soziale Verän- derungen des klimasensitiven Systems zur Folge, z. B. eine verringerte Wasseraufnah- mekapazität von Böden nach einer Trockenperiode oder ein unterschiedliches Ausmaß von Hochwasserschäden für verschiedene Bevölkerungsgruppen. Dies kann die Sensiti- vität gegenüber darauf folgenden Klimastimuli, wie z. B. Starkniederschlägen, erhöhen und wiederum sekundäre Klimawirkungen mit kritischeren Folgen nach sich ziehen, als dies ohne Vorschädigung der Fall wäre. (3) Aus bereits eingetretenen Klimawirkungen kann gelernt werden, so dass durch Vorsor- ge und Reparaturmaßnahmen zukünftige Schäden vermieden bzw. vermindert werden können. Hier setzen auch proaktive Anpassungsstrategien an den Klimawandel an, die unter Berücksichtigung der zukünftig zu erwartenden Klimastimuli die Sensitivität ge- genüber diesen und damit mögliche zukünftige Schäden zu verringern suchen. Der 3 räumlichen Planung als „zivilisatorischem Einfluss“ kommt bei der Anpassung an den Klimawandel – wie auch beim Klimaschutz, d. h. der Vermeidung von Klimawandel – große Bedeutung zu, etwa durch die Ausweisung von Hochwasserschutzgebieten, im Küstenschutz oder beim Schutz vor Überhitzung durch klimaangepasste Gestaltung von Bebauung und Siedlungsentwicklung. Die Vulnerabilität und die Anpassungsmöglichkeiten verschiedener Sektoren, Bereiche und Regionen in Deutschland sind z. B. in Zebisch et al. (2005) und Bundesregierung (2008) über- sichtsartig dargestellt. Bei solchen Vulnerabilitätsanalysen muss stets die soziale Differen- ziertheit von Vulnerabilität im Blick behalten werden: nicht alle Akteure in einem klimasensi- tiven System sind dem Klimastimulus gleichermaßen ausgesetzt, nicht alle sind gleich emp- findlich (sensitiv) und schließlich ist auch die Anpassungsfähigkeit ungleich verteilt (wer z. B. Gefahren weniger wahrnimmt oder über geringere finanzielle Mittel verfügt, wird sich weni- ger anpassen können). Für Raum- und Fachplanungen sind regionale Klimaszenarien uner- lässlich, um generelle Gefahrenfelder abschätzen und planerische Eingriffsmöglichkeiten entwickeln zu können. Auch im Bereich der Planung ist zu berücksichtigen, dass Klimawan- del sozial differenziert wirkt, und den damit zusammenhängenden Verteilungsfragen kann durch partizipatorische Verfahren und Elemente demokratischer Planung – z. B. indem Be- troffene mehrheitsbasiert Planungsentscheidungen treffen – Rechnung getragen werden. Zur Ermittlung der Auswirkung bestimmter planerischer Maßnahmen auf die Sensitivität gegen- über Klimawandel ist das relative Verhältnis zwischen Klimawirkung mit und Klimawirkung ohne geplante Maßnahme – bei gleichbleibendem Klimastimulus – von primärem Interesse, d. h. die Genauigkeit bzw. Unsicherheit der Klimaszenarien ist hier unter Umständen zunächst gar nicht von entscheidender Bedeutung. 3 Wie kommen regionale Klimaszenarien zustande? Die Erstellung eines regionalen Klimaszenarios erfolgt in drei Schritten: (1) die Auswahl eines Szenarios der Entwicklung der globalen Treibhausgasemissionen (und weiterer anthropogener Einflussgrößen auf das Klima, wie Aerosolemissionen und Landnutzungsänderungen), (2) die Simulation der zugehörigen globalen und somit räumlich grob aufgelösten Klima- entwicklung unter Verwendung eines globalen Klimamodells (GCM) und (3) die Erhöhung der räumlichen Auflösung der simulierten Klimaentwicklung mit Hilfe eines regionalen Klimamodells. Im Folgenden werden diese drei Schritte beschrieben. 3.1 Schritt 1: Globale Emissionsszenarien Globale Emissionsszenarien erfordern Annahmen über die demographische, sozio- ökonomische, politische und technologische Entwicklung (wie z. B. Annahmen über Bevölke- rungswachstum, Wirtschaftswachstum, Energieverbrauch, Art der Energiegewinnung und Landnutzungsänderungen). Um ein breites Spektrum möglicher Entwicklungen bis zum Jahr 2100 zu repräsentieren, wurden vom IPCC2 die sogenannten SRES-Szenarien erarbeitet (Na- 2 Das IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) wird von der WMO (World Meteorological Organisation) und dem UNEP (United Nations Environment Programme) getragen. Im IPCC sind weltweit mehrere Tausend Wissenschaftle- rinnen und Wissenschaftler organisiert, die in drei Arbeitsgruppen (Klimatologie, Klimawirkungen und Anpassung, Klima- schutz) den jeweiligen Stand des Wissens zur Klimaproblematik zusammentragen und etwa alle sechs Jahre einen sogenann- ten Sachstandsbericht verfassen. Dazwischen erscheinen in loser Folge Sonderberichte zu speziellen Themen. 4 kicenovic et al. 2000). Sie liegen den vom IPCC erstellten globalen Klimaszenarien und auch allen darauf beruhenden regionalen Klimaszenarien zugrunde.3 Die SRES-Szenarien basieren auf vier verschiedenen sogenannten Storylines (A1, A2, B1, B2). Die Storylines sind grobe narrative Beschreibungen von nach Weltregionen aufgeschlüs- selten Entwicklungen und spannen einen Möglichkeitsraum divergierender Grundtendenzen auf. Ihre Bezeichnung leitet sich von ihrer Positionierung auf zwei Achsen ab: zum einen, ob die globale zukünftige Entwicklung vorwiegend ökonomisch orientiert ist (A) oder ob sie zunehmend auf einen ökologischen Umbau hin orientiert ist (B); zum anderen, ob Globalisie- rungsprozesse zu einer Homogenisierung der Welt mit einer Angleichung von Lebensweisen und Konsumniveaus führen (1) oder ob weiterhin große regionale Differenzen bestehen blei- ben und eher nach lokalen und regionalen Lösungen gesucht wird (2). Tabelle 1 illustriert die Positionierung der vier Storylines, wobei innerhalb von A1 noch drei verschiedene mögliche Entwicklungspfade der Energieversorgung unterschieden werden (A1T = vorwiegend nicht- fossil, A1B = ausgeglichene Mischung aus fossil und nicht-fossil, A1FI = vorwiegend fossil). Tab. 1: Schematische Positionierung der SRES-Storylines auf den zwei Achsen homogene/ heterogene Welt und wirtschaftsorientierte/umweltorientierte Entwicklung (nach Na- kicenovic et al. 2000). homogene Welt heterogene Welt wirtschaftsorientierte Entwicklung A1T, A1B, A1FI A2 umweltorientierte Entwicklung B1 B2 Die vier Storylines wurden – u. a. mit Hilfe demographischer und ökonomischer Modelle – in 40 quantitative Emissionsszenarien „übersetzt“ (jedes Emissionsszenario ist dabei eine spe- zifische Interpretation und Quantifizierung einer der vier Storylines). Alle Szenarien, die zu derselben Storyline gehören, werden zu einer Szenariofamilie zusammengefasst. Innerhalb jeder Szenariofamilie wurde jeweils ein – bzw. im Falle von A1 drei verschiedene – soge- nanntes illustratives Szenario bestimmt, das repräsentativ für die jeweilige Szenariofamilie ist. Diese insgesamt sechs illustrativen Emissionsszenarien dienen typischerweise als Input für globale Klimamodelle, die die Emissionsentwicklung in eine daraus resultierende Klimaent- wicklung übersetzen und somit ein Klimaszenario liefern. Für alle sechs illustrativen Emissi- onsszenarien ist die Entwicklung der globalen Treibhausgasemissionen bis 2100 in Abbildung 2 (links) dargestellt: die niedrigsten globalen Treibhausgasemissionen im Jahr 2100 ergeben sich bei B1, die höchsten bei A2, während etwa A1B ein „mittleres“ Emissionsszenario dar- stellt. 3.2 Schritt 2: Globale Klimamodelle Ein globales Klimamodell (General Circulation Model, kurz GCM) ist ein Computermodell, das eine dreidimensionale Repräsentation der Atmosphäre enthält und die in ihr ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse beschreibt. Es basiert in der Regel auf einem Meteo- rologiemodell, wie es auch bei der (numerischen) Wettervorhersage zum Einsatz kommt und das zum Zweck der Klimamodellierung erweitert und dessen räumliche Auflösung vergröbert 3 Neben den SRES-Emissionsszenarien (benannt nach dem Special Report on Emissions Scenarios), die von keiner explizi- ten globalen Klimapolitik ausgehen, hat der IPCC noch sogenannte „Klimaschutz“-Emissionsszenarien erstellt, die verschie- dene globale Emissionsreduktionspfade bis 2100 mit der zugehörigen Erhöhung der globalen Mitteltemperatur verknüpfen (2007b, 22). Diese „Klimaschutz“-Emissionsszenarien dienten bislang noch nicht als Grundlage regionaler
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