Ensemble-Simulationen

Ensemble-Simulationen sind eine Methode der Klimamodellierung, um die Bandbreite möglicher zukünftiger Klimaänderungen abzubilden. Die Methode der Ensemble-Simulationen geht auf die numerische Wettervorhersage zurück, bei der mehrere Simulationen zur Vorhersage möglicher Wetterzustände gemacht werden. Die Simulationen werden von geringfügig unterschiedlichen Ausgangszuständen der Atmosphäre gestartet, welche auf Basis gemessener atmosphärischer Bedingungen alle gleichermaßen plausibel sind. Die Ergebnisse führen aufgrund der chaotischen Natur des Wetters (nichtlineare Prozesse im System Atmosphäre) zu unterschiedlichen Vorhersagen. Sind die Vorhersagen eines Ensembles sehr ähnlich, ist ihr Eintreten sehr wahrscheinlich. Weichen die Vorhersagen dagegen sehr voneinander ab, ist ihr Eintreten weniger wahrscheinlich.

In der Klimaforschung ist die Verwendung von Ensembles zur gängigen Praxis im Umgang mit den Unsicherheiten von Klimaprojektionen geworden, die eine Bandbreite möglicher zukünftiger Klimaentwicklungen abbilden (JACOB et al. 2012). Dabei können drei verschiedene Arten von Unsicherheiten unterschieden werden:

1.) Unsicherheiten in Bezug auf die Startbedingungen des Klimasystems,
2.) Unsicherheiten externer Faktoren, wie z. B. des menschlichen Handelns und
3.) Unsicherheiten der Klimamodelle, die nur ein reduziertes Abbild des Klimasystems darstellen.

Jede dieser Unsicherheitsquellen kann durch eine bestimmte Art von Ensemble-Simulation berücksichtigt werden (HENNEMUTH et al. 2013). Je repräsentativer das entsprechende Set an Simulationen die jeweilige Unsicherheit abbilden kann, umso eher kann die zukünftige Klimaentwicklung und damit die Robustheit der Modellergebnisse eingeschätzt werden.

1.) Die Unsicherheiten in Bezug auf die Startbedingungen der Komponenten des Klimasystems (Atmosphäre, Hydrosphäre, Geosphäre, Biosphäre) werden durch Simulationen mit leicht unterschiedlichen Startbedingungen (Initialisierungsbedingungen) einbezogen, sog. Multi-Initial-Condition-Ensemble, oft auch als Multi-Member-Ensemble bezeichnet. Die unterschiedliche zeitliche Entwicklung des Klimas spiegelt die natürliche Variabilität aufgrund interner Wechselwirkungen und nicht-linearer Prozesse innerhalb und zwischen den Komponenten des Klimasystems wider.

2.) Die Ungewissheit über menschliches Handeln in der Zukunft wird durch bestimmte Annahmen auf der Basis verschiedener, plausibler, sozioökonomischer Entwicklungspfade angesprochen, in. sog. Multi-Szenario-Ensembles.

3.) Zur Berücksichtigung von Unsicherheiten der Modellierung werden zum einen Klimamodelle mit unterschiedlichen Parametrisierungen herangezogen, sog. Perturbed Physics Ensemble, zum anderen werden verschiedene Modelle verwendet, die auf unterschiedliche Weise die Komponenten des Klimasystems abbilden bzw. berechnen. Die Modellergebnisse unterscheiden sich dadurch in ihrer Klimasensitivität.

Zur Erstellung regionaler Klimaprojektionen werden zudem verschiedene Globalmodell-Regionalkombinationen verwendet (VAN DER LINDEN & MITCHELL 2009). Je vielfältiger das vorhandene Ensemble von Modellprojektionen ist, umso besser können Unsicherheiten und Unterschiede der Modellergebnisse bewertet werden (www.anpassung.net).