Klimawandel
Was steckt eigentlich hinter dem Begriff "Klimawandel" und weshalb ist dieses Thema gerade in der heutigen Zeit so relevant?
Der Klimawandel beschreibt im Wesentlichen die atmosphärische Veränderung unseres Planeten, genauer gesagt, die Veränderung des Strahlungsantriebs, welcher das Erdenklima im Gleichgewicht hält. Diese Änderung wird unter anderem durch einen messbaren Temperaturanstieg bedingt, dessen Geschwindigkeit und Ausmaß maßgeblich vom Menschen beeinflusst wird. Im Folgenden werden wesentliche Hintergründe des globalen Klimawandels sowie zum Treibhauseffekt erläutert. Zusätzlich finden Sie hier Informationen zum Klimawandel in Nordrhein-Westfalen im Hinblick auf bereits zurückliegende (Beobachtungen) und auch auf mögliche zukünftige Klimaveränderungen (Klimaprojektionen).
Das Klima hat sich im Verlauf der Erdgeschichte immer wieder verändert. Natürliche Einflussfaktoren auf das Klima sind
- periodische Variationen der Erdbahnparameter (Milankovic-Zyklen),
- Änderungen der Sonnenaktivität,
- tektonische Vorgänge und dadurch ausgelöste Änderungen der ozeanischen Zirkulation,
- Vulkanausbrüche sowie
- Veränderungen der natürlichen Treibhausgaskonzentrationen und dem Aerosolanteil in der Atmosphäre.
Zudem tragen Wechselwirkungen und Rückkoppelungen innerhalb des Klimasystems (Abb. 1) zur Veränderung des Klimas bei.
Klimatische Veränderungen haben sich schon immer auf die Gesundheit und Überlebensfähigkeit des Menschen ausgewirkt. Neben den Einflüssen von Unwetterkatastrophen werden strukturelle Veränderungen in den menschlichen Gemeinschaften des Holozäns zunehmend mit dem Klimawandel in Verbindung gebracht. Diese kleinen, aber beständigen Veränderungen, z.B. regional alternierende Niederschlagsverteilungen, betrafen einerseits Viehbestände und Ernteerträge, aber auch epidemische Ausbrüche, soziale Unruhen und Konflikte. Die Temperaturänderungen des aktuellen Jahrhunderts jedoch überstiegen alle bisherigen Veränderungen dieser Epoche (Abb. 2).
Seit Beginn der Industrialisierung wird das Klima zusätzlich durch den anthropogenen Treibhauseffekt beeinflusst, der durch die Emission und Anreicherung von Treibhausgasen (durch Industrieprozesse, Verkehr etc.) in der Atmosphäre entsteht. Dies geschieht hauptsächlich durch den Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid, welches bei der Verbrennung fossiler Energieträger (v. a. Kohle, Erdöl und Erdgas) freigesetzt wird. Entsprechend wird im letzten IPCC-Bericht (2021) dargelegt, dass mit äußerster Wahrscheinlichkeit der Mensch der Hauptverursacher der derzeitigen Klimaveränderung ist. Die durch den Menschen ausgelöste Erwärmung erfolgt in beispielloser Geschwindigkeit. Sie ist bereits heute um ein Vielfaches höher als der Temperaturanstieg nach der letzten Eiszeit und liegt zudem über dem Niveau der wärmsten Periode seit über 100.000 Jahren (Abb. 3).
Der gegenwärtige Klimawandel manifestiert sich insbesondere im Anstieg der globalen Mitteltemperatur und ist daher auch unter dem Begriff „globale Erwärmung“ bekannt. Bis zum Jahr 2100 wird mit einem Anstieg der globalen Mitteltemperatur zwischen 1 K und 7,8 K gegenüber dem vorindustriellen Niveau (1881-1900) gerechnet (IPCC 2014), je nachdem, wie sich die globalen Treibhausgasemissionen weiterentwickeln. Solche Temperaturen sind in der Vergangenheit zwar bereits vorgekommen, doch ist die Geschwindigkeit der aktuellen Erwärmung wahrscheinlich höher als je zuvor.
Die aktuellen Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre wurden zuletzt vor über drei Millionen Jahren erreicht (IPCC 2013). Zu dieser Zeit lagen die Temperaturen wahrscheinlich zwischen 1,9 °C bis 3,6 °C höher als in der vorindustriellen Zeit und die Eismassen des Grönland-Eisschildes und des Westantarktischen Eisschildes waren fast nicht existent, während der Ostantarktische Eisschild etwas kleiner war. Damals lag der Meeresspiegel bis zu 14 Meter höher als heute.
Die bisherigen Klimaveränderungen in der geologischen Vergangenheit erstreckten sich über Jahrtausende. Anpassungen der Ökosysteme an den vom Menschen verursachten Klimawandel müssen daher zurzeit vergleichsweise rasant erfolgen, was jedoch kaum möglich scheint. Gerade in Deutschland ist die durchschnittliche Temperatur noch deutlicher gestiegen als im globalen Durchschnitt und liegt im Zeitraum 2011–2020 bereits 2 °C über dem ersten Jahrzehnt der Aufzeichnungen (1881-1910; DWD 2021).
Aufgrund der immer schneller voranschreitenden Klimaveränderungen muss zudem mit einer Zunahme von Extremereignissen wie Dürren oder Starkregen gerechnet werden. Das Auftreten langandauernder Witterungsverhältnisse, welche zu solchen Extremereignissen führen können, wird nicht zuletzt durch die Abschwächung des Polarfront-Jetstreams begünstigt, einem Starkwindband, welches die Nordhalbkugel der Erde umspannt und vor allem das Wetter in Mitteleuropa maßgeblich beeinflusst. Durch den Klimawandel bedingte Erwärmungen der Atmosphäre verringern den Temperaturgradienten zwischen dem Äquator (warm) und den Polen (kalt) und verändern somit die Luftzirkulation, was eine Abschwächung des Jetstreams zur Folge hat. Dadurch wird der für unsere Breiten typische Wechsel zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten beeinträchtigt und fördert stationäre Wetterlagen, die mehrere Wochen andauern können und das Risiko von Extremereignissen erhöhen.
Abbildung 1: Die Komponenten des Klimasystems und ihre Wechselwirkungen (Quelle: LANUV NRW).
Abbildung 2: Änderung der globalen Oberflächentemperatur über die letzten 24.000 Jahre. LGMR: „Last Glacial Maximum Reanalysis“-Modellensemble; LMR: „Last Millenium Reanalysis“; GMST: „Global Mean Surface Temperature (Quelle: Osman et al. 2021).
Abbildung 3: Historische Änderung der globalen Temperatur (der letzten 2000 Jahre) relativ zum Zeitraum 1850-1900 (Quelle: IPCC 2021: AR6-WGI SPM_1).
Literatur
IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change (Hrsg.) (2021): Summary for Policymakers. In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press. In Press.
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (2014): Summary for Policymakers, In: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Edenhofer, O., R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, E. Farahani, S. Kadner, K. Seyboth, A. Adler, I. Baum, S. Brunner, P. Eickemeier, B. Kriemann, J. Savolainen, S. Schlömer, C. von Stechow, T. Zwickel and J.C. Minx (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (2013): Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (2007): Häufig gestellte Fragen und Antworten. In: Klimaänderung 2007: Wissenschaftliche Grundlagen, Beitrag der Arbeitsgruppe I zum Vierten Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC), Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M.Tignor and H.L. Miller, (eds.), Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom und New York, NY, USA.
McMichael, A. J. (2012): Insights from past millennia into climatic impacts on human health and survival. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(13), 4730-4737.
Der Treibhauseffekt beschreibt die Fähigkeit der Atmosphäre, einen Teil der einfallenden Sonnenenergie in der Atmosphäre zurück zu halten und diese zu erwärmen (Abb. 4).
Die tagsüber einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung kann die Atmosphäre weitgehend ungehindert bis zur Erdoberfläche passieren. Die Strahlungsenergie wird größtenteils an der Erdoberfläche absorbiert. Der Rest wird von Boden und Atmosphäre reflektiert. Die Erde gibt die gewonnene Energie sowohl während des Tages als auch nachts als langwellige Wärmestrahlung wieder in die Atmosphäre ab.
Die Treibhausgase halten allerdings einen Teil dieser langwelligen Ausstrahlung in der Atmosphäre zurück, indem sie sie aufnehmen und wiederum als Wärmestrahlung (Infrarot) in alle Richtungen abgeben. Auf diese Weise wird ein Teil der Wärme wieder zur Erde zurückgestrahlt („thermische Gegenstrahlung“), sodass nicht die gesamte in die Atmosphäre eingebrachte Strahlungsenergie wieder ins Weltall entweicht. Der natürliche Treibhauseffekt sorgt somit dafür, dass die globale Mitteltemperatur bei ca. 15 °C anstelle von -18 °C liegt.
Die Hauptantriebskraft für die momentane globale Erwärmung ist jedoch der anthropogene Treibhauseffekt. Dieser entsteht dadurch, dass durch den Menschen zusätzliche Mengen an klimawirksamen Gasen (Treibhausgasemissionen) in die Atmosphäre freigesetzt werden, die den natürlichen Treibhauseffekt verstärken. Die Kohlenstoffdioxid-, Methan und Lachgaskonzentration sowie Ozon und Halogenkohlenwasserstoffe sind seit dem Beginn der Industrialisierung deutlich angestiegen.
Abbildung 4: Idealisiertes Modell des natürlichen Treibhauseffektes (Quelle: LANUV NRW).
Die bisherige Klimaentwicklung in NRW ist im Klimafolgen- und Anpassungsmonitoring im Bereich Klimaentwicklung dargestellt und im Klimabericht NRW (LANUV-Fachbericht 120) ausführlich beschrieben. Sie wird anhand von Daten des Deutschen Wetterdienstes ausgewertet. Für die Parameter Lufttemperatur sowie Niederschlag reichen die Datenreihen für NRW bis ins Jahr 1881 zurück.
Das Klima hat sich in NRW seit Beginn der Messungen im ausgehenden 19. Jahrhundert deutlich verändert. Die mittlere Jahrestemperatur ist im Vergleich der Klimanormalperioden (= 30-jährige Zeiträume) 1881-1910 und 1991-2020 um 1,6 Grad Celsius angestiegen. Die mittlere jährliche Niederschlagssumme hat im gleichen Zeitraum um 62 Millimeter zugenommen, dies entspricht etwa 7,7 Prozent. Den Verlauf der mittleren Lufttemperatur- und Niederschlagsentwicklung im Zeitraum 1881-2021 zeigen Abbildung 5 und 6 bezogen auf die Referenzperiode 1961-1990.
Welche Auswirkungen diese Veränderungen haben können, wird nachfolgend einmal an verschiedenen klimatologischen Kenntagen verdeutlicht:
- Sommertage, d. h. Tage an denen das Lufttemperaturmaximum 25 °C erreicht oder übersteigt, haben im Vergleich der Klimanormalperioden 1961-1990 und 1991-2020 um 11 Tage zugenommen. Der Sommer ist also insgesamt wärmer und länger geworden bzw. es können auch in den Übergangsjahreszeiten vermehrt Sommertage auftreten.
- Frosttage, dies sind Tage an welchen das Lufttemperaturminimum unter 0 °C sinkt, haben hingegen im selben Zeitraum um 8 Tage abgenommen. Die Winter sind somit milder geworden bzw. in den Übergangsjahreszeiten treten weniger Frosttage auf.
Eine ausführliche Darstellung der Folgen durch die klimatischen Veränderungen auf verschiedene Umweltbereiche und Handlungsfelder wird ebenfalls im Klimafolgen- und Anpassungsmonitoring NRW gegeben.
Abbildung 5: Jahresmitteltemperatur in NRW im Zeitraum 1881-2023 als relative Änderungen zum Zeitraum 1961-1990 (Quelle: LANUV NRW; Datenquelle: DWD).
Abbildung 6: Jährliche Niederschlagssumme in NRW im Zeitraum 1881-2023 als relative Änderungen zum Zeitraum 1961-1990 (Quelle: LANUV NRW; Datenquelle: DWD).
Abbildung 7: Ergebnisse der regionalen Klimaprojektionen
der Jahresmitteltemperatur für NRW bis 2100 auf Basis
des DWD-Referenzensembles (Quelle: LANUV NRW,
unveröffentlicht; Datengrundlage: Brienen et al. 2020).
Während das Klima der Vergangenheit und Gegenwart durch meteorologische Daten und Beobachtungen gut beschrieben werden kann, müssen für Aussagen zu möglichen zukünftigen Klimaentwicklungen physikalische Rechenmodelle herangezogen werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden als Klimaprojektionen bezeichnet. Globale Klimamodelle beschreiben die Prozesse im Klimasystem, wie z. B. Strömungsvorgänge und Veränderungen der Temperatur und Feuchte, über physikalische Grundgleichungen (z. B. Massen-, Impuls, und Energieerhaltungsgesetze) sowie Thermodynamische Hauptsätze. Darüber hinaus gehen in die Modelle sogenannte Klimaszenarien ein. Die Klimaszenarien spiegeln Grundannahmen zu möglichen zukünftigen Entwicklungen (z.B. Technischer Fortschritt, Globalisierung, Bevölkerungswachstum etc.) wieder, die sich auf das Klimasystem auswirken. Um aus den weltweit hergeleiteten Ergebnissen der globalen Klimamodelle höher aufgelöste Ergebnisse für kleinere Regionen, wie z. B. NRW, zu bekommen, werden mit Hilfe von regionalen Klimamodellen weitere Simulationen vorgenommen.
Eine kurze Übersicht der möglichen klimatischen Entwicklung in NRW gibt Abbildung 7. Für die Darstellung der zukünftig möglichen Entwicklung der Lufttemperatur in NRW wurden die Ergebnisse der globalen Klimamodelle in Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst aufbereitet. Die Modellergebnisse bzw. Klimaprojektionen liegen für verschiedene Klimaszenarien vor. Die Datenbasis stellt ein Ensemble aus verschiedenen Klimamodellen dar, das sogenannte DWD-Referenzensemble v2018, zum Stand Juni 2018. Die in den beiden Kartenwerken Klima NRW und Klima NRW.Plus enthaltenen Projektionskarten basieren, sofern nicht anders ausgewiesen, auf dem DWD-Referenzensemble. Für die Auswertung des RCP2.6-Szenarios (Klima NRW: Szenario "mit Klimaschutz", Klima NRW.Plus: RCP2.6; starke Klimaschutzmaßnahmen unter Einhaltung des 2015 im Pariser Übereinkommen formulierten "2-Grad-Ziels") stand ein Modellensemble aus 11 Modellen zur Verfügung, für die Auswertung des RCP4.5-Szenarios (moderates Szenario, dennoch Verfehlung des "2-Grad-Ziels"; nur in Klima NRW.Plus enthalten) 12 Modelle und für das RCP8.5-Szenario (Klima NRW: Szenario "ohne Klimaschutz", Klima NRW.Plus: RCP8.5; Verfehlung des "2-Grad-Ziels" größer als im RCP-Szenario 4.5) 21 Modelle. Im Rahmen des BMVI-Expertennetzwerks fand ein Downscaling der Daten in ein Raster von 5 km x 5 km statt (Brienen et al. 2020).
Ergebnisdarstellung:
Für die Auswertung der Ergebnisse der Klimaprojektionen wurde die sogenannte delta-change-Methode verwendet. Dabei werden die Ergebnisse als Differenz zwischen den Simulationen des gegenwärtigen/vergangenen Klimas und den Simulationen für die Zukunft dargestellt. Die Ergebnisse werden jeweils als Mittelwerte 30-jähriger Bezugszeiträume berechnet. Als Referenzzeitraum, auf den sich die projizierten Klimaveränderungen der Zukunft beziehen, wurde der Zeitraum 1971 bis 2000 zu Grunde gelegt. Die Ergebnisse der Klimamodellierung wurden für zwei 30-jährige Zeiträume in der Zukunft berechnet: Die „nahe Zukunft“ (2031-2060) und die „ferne Zukunft“ (2071-2100).
Die verschiedenen Klimamodelle liefern unterschiedliche Ergebnisse, die alle grundsätzlich als gleich wahrscheinlich anzusehen sind. Um einen Korridor aufzuzeigen, in dem die zu erwartenden Klimaveränderungen in NRW unter Annahme der verschiedenen Szenarien wahrscheinlich eintreten werden, wird jeweils das 15., das 50. und das 85. Perzentil der Klimaprojektionen dargestellt (vgl. DWD 2015).
Perzentile:
Perzentile geben die Lage bestimmter Werte in einer statistischen Verteilung wieder. Sie sind somit den Quantilen gleichzusetzen, werden der Anschaulichkeit halber aber auf eine Grundgesamtheit von 100 Prozent bezogen. Um Perzentile oder Quantile bestimmen zu können, werden die Werte der Verteilung der Größe nach geordnet (Abb. 8, oben und Mitte). Das 25%-Perzentil beschreibt dann den Wert der Verteilung, bei welchem 25 Prozent der Werte kleiner sowie 75 Prozent der Werte größer sind. Das bekannteste Perzentil stellt das 50%-Perzentil dar, das auch Median genannt wird. Das 50%-Perzentil teilt die Werte so, dass 50 Prozent der Werte in der Verteilung größer sind sowie 50 Prozent der Werte kleiner sind als das 50%-Perzentil (Abb. 8, unten).
Auf die Auswertung und Darstellung der Klimaprojektionen übertragen bedeutet dies, dass zunächst die Ergebnisse aller Modelle für den jeweiligen Parameter der Größe nach geordnet werden. Für die Darstellung werden das 15%-Perzentil (15. Perzentil), das 50%-Perzentil (50. Perzentil) sowie das 85%-Perzentil (85. Perzentil) betrachtet (in den Kartenwerken von Klima NRW und Klima NRW.Plus werden diese Perzentile "Minimal", "Mittel" und "Maximal" genannt). Beim 15. Perzentil zeigen somit 15 Prozent der Modelle geringere Ergebnisse bzw. Veränderungen als sie in der entsprechenden Karte dargestellt werden. Beim 85. Perzentil zeigen hingegen 15 Prozent der Modelle größere Ergebnisse bzw. Veränderungen. Das 50. Perzentil hingegen teilt die Modellergebnisse, so dass 50 % der Modelle geringere und 50 % größere Ergebnisse bzw. Veränderungen zeigen. Durch die Auswertung der Ergebnisse für die ausgewählten Perzentile kann somit eine gewisse Spanne der möglichen klimatischen Entwicklung angegeben werden. Bei den dargestellten Perzentilen werden somit 70 % der Modellergebnisse abgedeckt, wohingegen mögliche Extremwerte nicht dargestellt werden. Eine anschauliche Erläuterung findet sich auch auf den Internetseiten des Deutschen Wetterdienstes (DWD 2015) oder in diesem Video.
Abbildung 8: Die statistische Verteilung der Perzentile (Quelle: LANUV NRW).
Wie sich das Klima in den einzelnen Großlandschaften NRWs verändert, ist in den Datenblättern zum Klimawandel (Fact Sheets) dargestellt. Eine Übersicht über mögliche räumliche Unterschiede liefern außerdem die landesweiten Kartendarstellungen im Klima NRW und Klima NRW.Plus.
Datenquelle und weitere Informationen:
Brienen, S.; Walter, A.; Brendel, C.; Fleischer, C.; Ganske, A.; Haller, M.; Helms, M.; Höpp, S.; Jensen, C.; Jochumsen, K.; Möller, J.; Krähenmann, S.; Nilson, E.; Rauthe, M.; Razafimaharo, C.; Rudolph, E.; Rybka, H.; Schade, N. & Stanley, K. (2020): Klimawandelbedingte Änderungen in Atmosphäre und Hydrosphäre: Schlussbericht des Schwerpunktthemas Szenarienbildung (SP-101) im Themenfeld 1 des BMVI-Expertennetzwerks. 157 Seiten. DOI: 10.5675/ExpNBS2020.2020.02
DWD (2015): Erläuterungen zu den Klimaszenarien.