Regionale Klimaprojektionen für Europa
Der globale Klimawandel hat ganz unterschiedliche regionale Auswirkungen, die heute bereits spürbar sind. Die Menschheit muss sich an den (nicht mehr vermeidbaren) Klimawandel anpassen müssen. Hierfür werden hochaufgelöste Informationen zum regionalen Klimawandel benötigt. GERICS ist an der Entwicklung unterschiedlicher Modelle und Methoden beteiligt, diese Daten auf Basis regionaler Klimasimulationen bereitstellen zu können. Die Ergebnisse werden am Deutschen Klimarechenzentrum DKRZ über das ESGF (esgf-data.dkrz.de) zum Download bereitgestellt. Animierte Visualisierungen der wichtigsten Klimaparameter, die in Zusammenarbeit von DKRZ und GERICS produziert wurden, zeigen die Bandbreite möglicher Klimaänderungen in Europa.
Die EURO-CORDEX-Initiative erstellt regionale Klimaprojektionen auf 50 km (0,44°) und 12,5 km (0,11°) horizontaler Auflösung und gehört zu der internationalen Initiative CORDEX, die vom Weltklimaforschungsprogramm (World Climate Research Programme, WCRP) unterstützt wird.
Innerhalb des deutschen Projekts ReKliEs-De wurde das EURO-CORDEX-Ensemble mit einer Vielzahl an regionalen Klimasimulationen systematisch erweitert. Zusammen bildet das neue Ensemble regionaler Klimamodelle mit einer horizontalen Auflösung von 0,11° über Europa die Datengrundlage für die hier vorgestellten Videos. CORDEX (Giorgi et al., 2009) stellt einen koordinierten Rahmen zur Verbesserung der regionalen Klimaprojektionen zur Verfügung. Dazu gehört eine harmonisierte Modellevaluierung und die Erstellung von Multimodell-Ensembles regionaler Klimamodelle für Landregionen weltweit.
Jede regionale Klimasimulation wird von einer Globalmodellsimulation angetrieben. Die Globalmodellsimulationen wurden im Rahmen des „Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5)" erstellt und bilden die Datengrundlage für die Klimaprojektionen des 5. Sachstandberichts des Weltklimarats (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), der im Jahr 2013 erschienen ist.
Die Simulationen des CMIP5 basieren auf globalen Szenarien, den sogenannten "Repräsentativen Konzentrationspfaden (RCPs)" (van Vuuren et al., 2011). Die RCPs repräsentieren verschiedene Entwicklungspfade der Konzentrationen von Treibhausgasen, Aerosolen und zugehörige Emissionen. Unterschieden werden die RCPs durch ihren Strahlungsantrieb zum Ende des 21. Jahrhunderts. Mit RCP8.5 wird ein kontinuierlicher Anstieg der Treibhausgasemissionen beschrieben, der zum Ende des 21. Jahrhunderts einen Strahlungsantrieb von 8,5 W pro m2 erreicht. RCP2.6 beinhaltet sehr ambitionierte Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen. Er führt zum Strahlungsantrieb von etwa 3 W pro m2 um 2040 und geht dann zum Ende des 21. Jahrhunderts auf einen Wert von 2,6 W pro m2 zurück.
Das Ziel von CORDEX ist ein besseres Verständnis regionaler bzw. lokaler Prozesse, deren Variabilität und Änderung auf Basis eines „Downscalings“ der CMIP5-Ergebnisse. Das EURO-CORDEX-Ensemble wurde evaluiert (Kotlarski et al., 2014; Vautard et al., 2013) und bildet die Datengrundlage von zahlreichen Publikationen über den zukünftigen Klimawandel in Europa (z.B. Jacob et al., 2014; Kjellström et al., 2018; Teichmann et al., 2018; Vautard et al., 2014)
| Szenario | GCM/RCM | CLM | REMO | WRF | RCA4 | RACMO | HIRHAM5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| EC-EARTH | x | x | x | x | x | ||
| HADGEM2-ES | x | x | x | ||||
| MPI-ESM-LR | xx | x | x | ||||
| RCP2.6 | MIROC5 | x | x | ||||
| IPSL-CM5-LR | x | ||||||
| GFDL-ESM | x |
| Szenario | GCM/RCM | CLM | REMO | WRF | RCA4 | RACMO | HIRHAM5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MPI-ESM-LR | x | xx | x | x | |||
| HADGEM2-ES | x | x | x | x | x | ||
| EC-EARTH | x | x | x | x | xx | x* | |
| RCP8.5 | CAN-ESM | x | x | ||||
| MIROC5 | x | x | |||||
| IPSL-CM5-MR | x | ||||||
| NORESM1 | x |
Tabelle 1: Liste der für die Animationen verwendeten EURO-CORDEX-Simulationen (Stand: August 2018). Es wurden verschiedene Realisationen des General Circulation Models EC-EARTH verwendet: am häufigsten Realisation 12, RACMO verwendete Realisation 12 und zusätzlich Realisation 1 (RCP8.5), HIRHAM verwendete Realisation 3*. REMO verwendete Realisation 1 und 2 des GCMs MPI-ESM-LR.
Die Klimaänderungssignale in den Visualisierungen
In den Animationen ist das Mittel der Änderungen im 21. Jahrhundert im Vergleich zum Zeitraum 1971-2000 des regionalen Klimamodellensembles für Europa dargestellt (EURO-CORDEX). Das verwendete Modellensemble besteht aus 16 Klimasimulation für das „Klimaschutz“-Szenario (RCP2.6) und aus 23 Simulationen für das „Weiter wie bisher“-Szenario (RCP8.5); diese Simulationen standen im August 2018 im ESGF (Tabelle 1) zur Verfügung. Sie setzen sich aus unterschiedlichen Kombinationen von 8 globalen Klimamodellen und 6 regionalen Klimamodellen zusammen.
Der Schwerpunkt in den Visualisierungen liegt auf der langfristigen Änderung der Klimavariablen, daher werden in den Animationen 30-jährige gleitende Mittel gezeigt. Mit Rücksicht auf eine klare und einfach verständliche Darstellung für ein breites Publikum wurde darauf verzichtet, die jeweilige Signifikanz in die Darstellung mit aufzunehmen. Alle Visualisierungen wurden mit der frei verfügbaren 3D-Visualisierungssoftware „ParaView“ erstellt. Um den Zusammenhang der Änderung der Klimavariablen mit der Orographie hervorzuheben, wurden die gefüllten Konturlinien der Änderungen auf ein 3D-Relief der Erde projiziert.
Saisonale Temperaturänderungen für RCP2.6 und RCP8.5
Die Temperatur steigt bis ca. 2030 um 1-2°C an. Die arktische Verstärkung der Erwärmung, ein durch Klimarückkopplungen aufgrund von abschmelzendem Schnee und Eis sowie durch geänderte Wärmetransporte verursachter Effekt, ist im Norden deutlich sichtbar, sie ist in RCP8.5 stärker ausgeprägt als in RCP2.6. Im Winter beginnt ab ca. 2030 die Temperatur in RCP8.5 schneller zu steigen als in RCP2.6. Um das Jahr 2085 (2070-2099) hat sich in RCP8.5 ein starker Süd-Nord-Gradient von 2-8°C entwickelt. In RCP2.6 endet der Temperaturanstieg um das Jahr 2050; der Süd-Nord-Gradient ist am Ende des 21. Jahrhunderts mit 1-4°C deutlich geringer (Video1).
Am Ende des 21. Jahrhunderts ist der Temperaturanstieg im Sommer mit 5°C in RCP8.5 am stärksten im Norden und Süden ausgeprägt, während sich die Mitte Europas mit 3°C weniger stark aufheizt. Für RCP2.6 bleibt der Temperaturanstieg für ganz Europa unter 2°C.
Video 1: 30-jähriges gleitendes Mittel der prognostizierten Temperaturänderung [°C] (Ensemblemittelwert) gegenüber dem Zeitraum 1971-2000. In der oberen Zeile sind die Änderungen im Winter, in der unteren Zeile die Änderungen im Sommer dargestellt; links sind dabei jeweils die Änderungen für RCP2.6 und rechts die Änderungen für RCP8.5 zu sehen.
Jährliche Änderung der Hitzetage
Die Anzahl der Hitzetage pro Jahr (Tagesmaximumtemperatur ≥ 30°C) nimmt bis ca. 2030 zu. Ab Mitte des 21. Jahrhunderts steigt die Anzahl der Hitzetage nur noch für RCP8.5. Die Animation zeigt deutlich das Fortschreiten der Linien gleicher Anzahl von Hitzetage nach Norden (Video 2a). Für RCP2.6 wird zum Ende des 21. Jahrhunderts eine Zunahme der Hitzetage um 15 Tage/Jahr in Südeuropa erwartet, während die Zunahme in der Mitte Europas nur zwischen 0 und 5 Hitzetagen beträgt. Für RCP8.5 werden die Hitzetage dagegen um mindestens 10 Tage/Jahr überall in Europa (außer England und Skandinavien) zugenommen haben (Video 2b). Es besteht ein starker Nord-Süd-Gradient in der Änderung der Anzahl der Hitzetage; in Südeuropa könnte für RCP8.5 die Zunahme mehr als 60 zusätzliche Hitzetage im Jahr bedeuten!
Video 2a: Prognostizierte Anzahl von Hitzetagen als 30-jähriges gleitendes Mittel. Links ist das Ensemblemittel der regionalen Klimasimulationen für das Klimaschutz-Szenario RCP2.6, rechts für das „weiter wie bisher“-Szenario RCP8.5 dargestellt. An einem Hitzetag ist die Tagesmaximumtemperatur ≥ 30°C.
Video 2b: Änderung der Anzahl von Hitzetagen als 30-jähriges gleitendes Mittel (Ensemblemittelwert) gegenüber dem Zeitraum 1971-2000. Links ist das Ensemblemittel der regionalen Klimasimulationen für das Klimaschutz-Szenario RCP2.6, rechts für das „weiter wie bisher“-Szenario RCP8.5 dargestellt. An einem Hitzetag ist die Tagesmaximumtemperatur ≥ 30°C.
Saisonale Niederschlagsänderungen für Szenario RCP2.6 und RCP8.5
Um 2020 (2006-2035) hat der Winterniederschlag in Zentraleuropa um 10% zugenommen, während er im Südosten Spaniens abgenommen hat. Im Laufe der Zeit verstärkt sich dieses Muster der Niederschlagsänderung. Diese Verteilung der Niederschlagsänderungen ist für RCP8.5 wesentlich ausgeprägter. Am Ende des 21. Jahrhunderts liegt die Niederschlagzunahme im Winter in Zentraleuropa bei 25% für RCP8.5.
Im Sommer nimmt der Niederschlag im Süden Europas ab und im äußersten Norden zu. Dieses Muster prägt sich in RCP8.5 im Vergleich zu RCP2.6 deutlicher aus. Am Ende des 21. Jahrhunderts liegt die Niederschlagsabnahme in RCP8.5 in Südeuropa bei -40%, während der Niederschlag in Skandinavien zwischen 5 und 25% zunimmt. Für RCP2.6 bleibt die Niederschlagsänderung unter +/- 15%.
Die Animationen zeigen deutlich den Unterschied zwischen RCP2.6 und RCP8.5. In RCP2.6 bleiben die Änderungen der Klimaparameter ab ca. 2040 relativ unverändert.
Video 3: Projizierte Niederschlagsänderung [%] als 30-jähriges gleitendes Mittel des Ensemblemittelwertes der Änderungen zum Zeitraum 1971-2000. In der oberen Zeile wird die Änderung im Winter, in der unteren Zeile die Änderung im Sommer dargestellt; links sind jeweils die Änderungen für RCP2.6 und rechts die Änderungen für RCP8.5 gezeigt.
Technische Informationen zu den REMO-Simulationen
Bis August 2018 wurden für RCP2.6 sieben, für RCP4.5 zwei und für RCP8.5 sieben REMO-Simulationen auf 0,11° horizontaler Auflösung über 150 Jahre (1950-2100) am DKRZ durchgeführt. Jede dieser Simulationen benötigt eine Simulation mit 0,44° horizontaler Auflösung als Antrieb, welche auch am DKRZ durchgeführt wurden. Zusätzlich wurden zwei Simulationen mit 0,11° mit einer Länge von ca. 30 Jahren mit ERA-Interim angetrieben.
Fünf der RCP8.5 Simulationen wurden innerhalb des ReKliEs-De-Projekts durchgeführt und durch das BMBF unter der Nummer 01LK1401 gefördert.
Das EURO-CORDEX-Modellgebiet mit 0,11° horizontaler Auflösung umfasst 433x433 Gitterboxen und 27 vertikale Schichten. REMO rechnet mit einem Zeitschritt von 60s und verbraucht 527 Prozessorstunden pro Monat (12 nodes/ 24 tasks). Die Ergebnisse haben einen Speicherbedarf von 95 Gigabytes pro Monat. Die Simulation eines Modellmonats dauert auf Mistral ca. 100 Minuten.
Die EURO-CORDEX-Gemeinschaft
EURO-CORDEX wird aktiv von 30 Arbeitsgruppen aus der regionalen Klimamodellierung unterstützt. Es ist eine freiwillige Initiative der führenden regionalen Klimamodellierer in Europa. EURO-CORDEX wird durch D. Jacob, E. Katragkou und S. Sobolowski koordiniert. Ähnlich wie CORDEX gibt es keine finanziellen Mittel für EURO-CORDEX. EURO-CORDEX besteht allein durch den Enthusiasmus der beteiligten Wissenschaftler und Institutionen. Der Enthusiasmus basiert auf dem Ziel, die Ergebnisse der regionalen Klimaprojektionen für die Planung geeigneter Adaptionsmaßnahmen (Anpassung) an den unvermeidbaren Klimawandel zu verbessern und Mitigationsmaßnahmen (Vermeidung) zu entwickeln. (Details zu EURO-CORDEX: www.euro-cordex.net).
Kontakt (Autoren):
Literatur:
Giorgi, F., Jones, C. and Asrar, G. R.: Addressing climate information needs at the regional level: the CORDEX framework, Bull. - World Meteorol. Organ., 58(3), 175–183, 2009. Jacob, D., Petersen, J., Eggert, B., Alias, A., Christensen, O. B., Bouwer, L. M., Braun, A., Colette, A., Déqué, M., Georgievski, G., Georgopoulou, E., Gobiet, A., Menut, L., Nikulin, G., Haensler, A., Hempelmann, N., Jones, C., Keuler, K., Kovats, S., Kröner, N., Kotlarski, S., Kriegsmann, A., Martin, E., van Meijgaard, E., Moseley, C., Pfeifer, S., Preuschmann, S., Radermacher, C., Radtke, K., Rechid, D., Rounsevell, M., Samuelsson, P., Somot, S., Soussana, J. F., Teichmann, C., Valentini, R., Vautard, R., Weber, B. and Yiou, P.: EURO-CORDEX: New high-resolution climate change projections for European impact research, Reg. Environ. Chang., 14(2), 563–578, doi:10.1007/s10113-013-0499-2, 2014. Kjellström, E., Nikulin, G., Strandberg, G., Bøssing Christensen, O., Jacob, D., Keuler, K., Lenderink, G., Van Meijgaard, E., Schär, C., Somot, S., Lund Sørland, S., Teichmann, C. and Vautard, R.: European climate change at global mean temperature increases of 1.5 and 2 °C above pre-industrial conditions as simulated by the EURO-CORDEX regional climate models, Earth Syst. Dyn., 9(2), 459–478, doi:10.5194/esd-9-459-2018, 2018. Kotlarski, S., Keuler, K., Christensen, O. B., Colette, A., Déqué, M., Gobiet, A., Goergen, K., Jacob, D., Lüthi, D., Van Meijgaard, E., Nikulin, G., Schär, C., Teichmann, C., Vautard, R., Warrach-Sagi, K. and Wulfmeyer, V.: Regional climate modeling on European scales: A joint standard evaluation of the EURO-CORDEX RCM ensemble, Geosci. Model Dev., 7(4), 1297–1333, doi:10.5194/gmd-7-1297-2014, 2014. Teichmann, C., Bülow, K., Otto, J., Pfeifer, S., Rechid, D., Sieck, K., Jacob, D., Bülow, K., Otto, J., Pfeifer, S., Rechid, D. and Sieck, K.: Avoiding extremes: Benefits of staying below +1.5 °C compared to +2.0 °C and +3.0 °C global warming, Atmosphere (Basel)., 9(4), 1–19, doi:10.3390/atmos9040115, 2018. Vautard, R., Gobiet, A., Jacob, D., Belda, M., Colette, A., Déqué, M., Fernández, J., García-Díez, M., Goergen, K., Güttler, I., Halenka, T., Karacostas, T., Katragkou, E., Keuler, K., Kotlarski, S., Mayer, S., van Meijgaard, E., Nikulin, G., Patarčić, M., Scinocca, J., Sobolowski, S., Suklitsch, M., Teichmann, C., Warrach-Sagi, K., Wulfmeyer, V. and Yiou, P.: The simulation of European heat waves from an ensemble of regional climate models within the EURO-CORDEX project, Clim. Dyn., 41(9–10), 2555–2575, doi:10.1007/s00382-013-1714-z, 2013. Vautard, R., Gobiet, A., Sobolowski, S., Kjellström, E., Stegehuis, A., Watkiss, P., Mendlik, T., Landgren, O., Nikulin, G., Teichmann, C. and Jacob, D.: The European climate under a 2 °C global warming, Environ. Res. Lett., 9(3), 034006, doi:10.1088/1748-9326/9/3/034006, 2014.
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