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Stärken der Klimamodelle

Der menschliche Einfluss auf das Klima lässt sich grundsätzlich nicht anhand von beobachteten Datensätzen bemessen, da im realen Klimasystem immer viele Einflussfaktoren – natürliche und wahrscheinlich auch anthropogene – gleichzeitig wirken. Somit lässt sich eine beobachtete Anomalie wie beispielsweise die Saheldürre nicht zweifelsfrei einem konkreten Einflussfaktor zuschreiben. Hier kommt nun eine der Stärken der Klimamodelle zum Tragen: Es können bestimmte Einflussfaktoren selektiv betrachtet werden, indem die Reaktion des Klimasystems auf diesen Faktor am Computer simuliert wird. Dabei wird keine Klimavorhersage im eigentlichen Sinne erstellt. Denn eine Vorhersage, z.B. eine Wettervorhersage, zielt darauf ab, einen möglichst realistischen zukünftigen Klimazustand zu prognostizieren. Stattdessen werden bei der Klimamodellierung ganz bewusst Einflussfaktoren vernachlässigt, die auch in unserer klimatischen Zukunft aktiv sein werden, wie Schwankungen der solaren Einstrahlung oder Vulkanausbrüche. Man spricht von Sensitivitätsstudien, die die Reaktionsweise des simulierten Klimasystems auf einen oder mehrere ausgewählte Einflussfaktoren beschreiben.

Klimamodelle

Viele der Prozesse im Klimasystem lassen sich durch physikalische Gleichungen beschreiben, welche die zeitlichen Änderungen von Temperatur, Wind, Luftdruck und Feuchte an einem Ort berechnen (VON STORCH et al. 1999). Die Klimavariablen interagieren ferner miteinander im dreidimensionalen Raum durch den windgesteuerten Transport von atmosphärischen Eigenschaften. Somit entsteht ein sehr komplexes dreidimensionales Gleichungssystem für die diversen Klimavariablen. Selbst gegenwärtige Hochleistungsrechner können die Klimavariablen nur für relativ große Gebietseinheiten berechnen. Man spricht von einer raumzeitlichen Diskretisierung der physikalischen Gleichungen. Heutige globale Klimamodelle zergliedern die Atmosphäre und die Ozeane in Gitterboxen mit einer horizontalen Maschenweite von ca. 200 km sowie einer vertikalen Auflösung von 100 m bis 10 km je nach Atmosphärenniveau. Der Zeitschritt beträgt meist drei bis fünf Minuten. Für regionale Fragestellungen wie den Klimawandel im subsaharischen Afrika kommen zunehmend auch regionale Klimamodelle zum Einsatz, die mit einem Gitterboxenabstand zwischen 7 und 100 km arbeiten und nur einen Ausschnitt der Erdoberfläche repräsentieren. Sie werden an den seitlichen Rändern mit den Daten aus globalen Klimamodellen oder Beobachtungsdatensätzen angetrieben.

Die Gitterboxendarstellung impliziert, dass manche Prozesse im Klimasystem, die wie die Wolken- und Niederschlagsbildung auf der molekularen Skala ablaufen, nicht explizit berechnet werden können. Solche subskaligen Prozesse können durchaus einen markanten Einfluss auf die großräumigen Gebietseinheiten der Gitterboxen haben. Man denke nur an die Häufung von Gewitterzellen, die zu klein sind, um vom Klimamodell erfasst zu werden, aber durch den starken Niederschlag und die Verringerung der solaren Einstrahlung einen Effekt auf die großräumige Temperatur und Luftfeuchtigkeit besitzen. In den Klimamodellen werden die Effekte der subskaligen Prozesse durch so genannte Parametrisierungen beschrieben (PAETH 2006). Die Parametrisierungen basieren auf empirischen Werten, z.B. aus Messkampagnen, und stellen eine ganz wesentliche Quelle für die Unsicherheit von Klimamodellen dar. Man versucht, diesen Unsicherheiten dadurch Rechnung zu tragen, dass verschiedene Klimamodelle mit unterschiedlichen empirischen Parametern betrachtet werden.

Experimente mit einem regionalen Klimamodell

Im Hinblick auf den Klimawandel in Afrika sind mehrere Sensitivitätsstudien mit einem hochauflösenden regionalen Klimamodell durchgeführt worden (PAETH 2005). Das regionale Klimamodell REMO umfasst den größten Teil Afrikas nördlich von 15˚ S sowie den Mittelmeerraum (vgl. Abb. 2.4) und rechnet mit einer Maschenweite von 0,5˚. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass dieses Klimamodell die beobachteten Charakteristika des afrikanischen Klimas in zuverlässiger Weise simuliert (PAETH et al. 2005). Die Sensitivitätsstudien mit REMO betreffen die folgenden selektiven Einflussfaktoren:

 den Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen bis zum Jahr 2025 gemäß dem Emissionsszenario B2,

 die Reduzierung der Vegetationsdecke durch Brandrodung und Ausweitung der Agrar- und Weideflächen,

 den Prozess der Bodendegradation mit Verdichtung, verringerter Bodenfeuchte und erhöhtem Oberflächenabfluss,

 alle drei Einflussfaktoren zusammen.

Simulierte Niederschlagsänderungen

Die simulierten Veränderungen des Sommermonsunniederschlags sind für die verschiedenen Einflussfaktoren in Abbildung 2.4 dargestellt. Der Einfluss steigender Treibhausgaskonzentrationen geht einher mit einer merklichen Erhöhung der Monsunniederschläge in den meisten Regionen im tropischrandtropischen Afrika. Eine Ausnahme bilden das westliche Kongobecken und einige isolierte Gebiete an der westlichen Guineaküste. Der zugrunde liegende Mechanismus sieht wie folgt aus: Die Meeresoberflächentemperaturen im tropischen Atlantik erwärmen sich durch den anthropogen verstärkten Treibhauseffekt und begünstigen die Feuchteanreicherung des Sommermonsuns, der in südwestlicher Anströmung auf Afrika den Kontinent mit feuchteren Luftmassen versorgt. Dieses Zukunftsszenario wäre vor dem Hintergrund der rezenten Saheldürren wohl als positiv zu bewerten.

Demgegenüber führen sowohl die Reduzierung der Vegetationsdecke als auch die Bodendegradation zu einem deutlich trockeneren Klima fast überall in den niederen Breiten Afrikas. Vor allem die Vegetationsdegradation zeichnet sich durch ein räumlich homogenes Muster mit negativen Niederschlagsanomalien aus, deren Amplitude die positiven Effekte des verstärkten Treibhauseffektes in den meisten Regionen übertrifft. Die Wirkungsweise der Landdegradation betrifft in erster Linie das oben beschriebene lokale Wasserrecycling, welches durch die verringerte Evapotranspiration über den Landflächen teilweise unterbunden wird. Es ist unbestritten, dass beide Prozesse – Vegetations- und Bodendegradation – in Zukunft fortschreiten werden. Denn das Bevölkerungswachstum in Afrika erreicht weltweite Spitzenwerte von teilweise bis zu 4 % pro Jahr. Im Übrigen lässt sich die zunehmende Landdegradation bereits seit Jahrzehnten in Afrika beobachten.

Abb. 2.4: Simulierte Niederschlagsänderungen im Sommerhalbjahr (Mai–Oktober; in mm) durch den Einfluss steigender Treibhausgaskonzentrationen, einer reduzierten Vegetationsdecke, des Prozesses der Bodendegradation bzw. aller drei Einflussfaktoren gemeinsam; die Werte kennzeichnen Differenzen zwischen einem Klimazustand, der um das Jahr 2025–2030 zu erwarten ist, und dem heutigen Klima (Entwurf: H. PAETH)

Kombiniertes Szenario

Nun stellt sich die Frage, ob im Zusammenspiel der diversen anthropogenen Einflussfaktoren die eher positiven Effekte des Treibhausgasanstiegs oder die negativen Effekte der Landdegradation überwiegen. Die Modellierung des gemeinsamen Einflusses aller Faktoren offenbart eine gewisse Überlagerung der Einzeleinflüsse (s. Abb. 2.4): Im subsaharischen Afrika, wo der Bevölkerungsdruck auf die natürlichen Ressourcen besonders groß ist, dominiert großflächig die Niederschlagsabnahme durch Landdegradation. Am Horn von Afrika, rund um das Mittelmeer und im Nahen Osten könnten in den nächsten Jahrzehnten hingegen höhere Niederschlagsmengen zu verzeichnen sein, die wohl im Wechselspiel mit den wärmeren Meeresoberflächen zu sehen sind.

Simulierte Temperaturänderungen

Das Klimamodell simuliert ferner eine deutliche Temperaturerhöhung von 1,5–2,5˚C bis zum Jahr 2025 (PAETH/THAMM 2007). Dies ist dadurch zu erklären, dass eine reduzierte Vegetationsdecke und Bodenfeuchte neben einer Abnahme der Verdunstung auch eine Zunahme des fühlbaren Wärmestroms in die bodennahe Atmosphäre impliziert.