Methoden der Klimaanalyse
Zur Analyse des Klimas der Vergangenheit und der Zukunft ist ein umfangreicher "Werkzeugkoffer" notwendig. Dieser Werkzeugkoffer enthält zum einen die Methoden zur Messung der wichtigen Klimagrößen, wie der Lufttemperatur und des Niederschlages. Andererseits aber auch die statistischen Methoden zu deren Auswertung. Will man auch Aussagen treffen, wie und wie stark sich das Klima in der Zukunft ändern könnte, sind Klimamodelle zur Simulation des zukünftigen Klimas unentbehrlich.
1. Wie erhält man ein Bild vom Klima der Vergangenheit?
Ein weltweites Netzwerk von meteorologischen Messstationen liefert qualitätsgeprüfte Wetterdaten. In Deutschland obliegt maßgeblich dem Deutschen Wetterdienst (DWD) diese Aufgabe. Die meteorologischen Stationen Bayerns tragen ebenfalls zur Datengewinnung bei. Diese Daten können zur Beschreibung des Klimas der Vergangenheit herangezogen werden, wenn sie über einen langen Zeitraum von beispielsweise 30 Jahren betrachtet werden.
Viel Aufwand ist notwendig, das Klimasignal aus den Messungen ohne unerwünschte Einflüsse abzuleiten, denn systematische und zufällige Messfehler müssen erkannt und berücksichtigt werden. Bei Lufttemperaturmessungen kann beispielsweise ein schlecht ausgewählter Messort zu Über- oder Unterschätzung führen, weil Änderungen der Vegetation oder dessen Nähe zu Gebäuden einen Einfluss haben können.
Im Vergleich zu Temperaturdaten erfordern Niederschlagsdaten noch aufwändigere Auswertungen. Die Messungen schätzen die Niederschlagsmenge aus unvermeidlichen methodischen Gründen (z. B. Änderung des Windfeldes über dem Messgerät, Verdunstung des gesammelten Wassers) oft zu gering ein, was eine nachträgliche Korrektur nötig macht. Weiterhin kann das Auftreten von Niederschlag räumlich eng begrenzt sein. Eine weitere Herausforderung stellt daher die Übertragung der punktuell gemessenen Niederschlagsmengen in die Fläche dar, wofür unterschiedliche Methoden existieren. Ausführliche Informationen findet man auf den Seiten zur Niederschlagsmessung (Link s. unten).
2. Wie beobachtet man Veränderungen?
Ermittlung der Klimaveränderung als linearer TrendMittels statistischer Methoden können Rückschlüsse darauf gezogen werden, ob sich die Klimagrößen im Laufe der vergangenen Jahre signifikant verändert haben. Hierzu berechnet man beispielsweise langjährige Mittelwerte, die man miteinander vergleicht oder führt Trendanalysen durch.
Klimaveränderungen der Vergangenheit werden meist als lineare Trends ermittelt. Diese ergeben sich als Differenz der Werte von Anfang und Ende der Trendgeraden innerhalb der untersuchten Zeitperiode. Die Angabe erfolgt für den untersuchten Zeitraum oder oft als absolute Wertänderung pro Jahr (z. B. bei der Temperatur in °C/Jahr). Beim Niederschlag wird der Trend häufig als prozentuale Veränderung vom langjährigen Mittelwert, d.h. als relative Änderung angegeben (z. B. ein Anstieg von 100 mm Niederschlag ergibt bei einem langjährigen Mittel von 1.000 mm einen relativen Trend von 10 %). Um belastbare Aussagen treffen zu können, werden die Ergebnisse mittels statistischer Verfahren bewertet. Dabei beschreibt die statistische Signifikanz, wie sicher wir uns sein können, dass es sich um eine tatsächliche Veränderung handelt und dass diese nicht zufällig hervorgerufen wird.
Weitere Erläuterungen findet man im "LfU-Infoblatt zu den Klima-Faktenblättern - Grundlagen und Verwendung der Klima-Faktenblätter für Bayern".
3. Wie erhält man Aussagen zur Klimazukunft in Bayern?
Die Klimagrößen der Zukunft kann man nicht messen, man kann sich aber ein Bild mithilfe von Klimamodellen und deren Klimaprojektionen machen. Das folgende Gedankenspiel veranschaulicht die Herangehensweise.
Ermittlung der Klimaveränderung als linearer TrendWir stellen uns vor, wir befinden uns bei einer Wanderung auf einem "Klimapfad", der uns durch unbekanntes Gelände führt. Momentan stehen wir in der Gegenwart und blicken auf den vor uns liegenden Weg. Dieser Weg verzweigt sich mehrfach und wir haben leider keine Karte zur Hand. Dennoch können wir Aussagen zum weiteren Verlauf des Weges wagen. Durch den in den letzten Jahrzehnten, d.h. den in der Vergangenheit bereits zurückgelegten Weg auf dem "Klimapfad", ist uns das Langzeitverhalten der Klimagrößen und deren Trends bekannt. Wir können daraus abschätzen, in welche Richtung uns der Weg auf der unmittelbar folgenden Strecke führt.
Diese Trends der Vergangenheit lassen sich allerdings nicht direkt auf weiter in der Zukunft liegende Zeiträume anwenden. In der letzten Zeit kam es beispielsweise zu einer Beschleunigung von bestimmten klimarelevanten Prozessen. Aber auch neue Erkenntnisse zu meteorologischen Zusammenhängen haben Auswirkungen auf die Verlässlichkeit der Trends. Übertragen auf unsere Wanderung heißt das, dass sich das Landschaftsbild mit der Zeit wahrscheinlich ändern wird und somit der Weg steiler oder flacher verlaufen kann, aber dass auch unerwartete Abzweigungen auftreten können.
Für eine weitergehende Orientierung müssen wir also versuchen, eine eigene Karte zu zeichnen. Dafür brauchen wir Modelle, die uns das zukünftige Klima simulieren. Zugute kommen uns dabei das Wissen und das Verständnis von klimarelevanten Prozessen, Zusammenhängen und Wechselwirkungen, welche wir auf unserer bisherigen Wanderung erlangt haben. Das bedeutet übertragen auf die Klimaforschung, dass mögliche zukünftige Klimaentwicklungen in Form von sogenannten Klimaprojektionen durch verschiedene Klimamodelle simuliert werden. Da man nicht wissen kann, welche Klimaprojektion der tatsächlichen Entwicklung am nächsten kommt, sollten viele verschiedene Simulationen zu einem Ensemble zusammengefasst werden. Das erlaubt die Spannbreite möglicher Entwicklungen abzuschätzen. Allerdings sind nicht alle Modelle in der Lage, das Klima in Bayern realistisch zu simulieren. Um beurteilen zu können, welche Modelle plausible Daten liefern, wurde am Bayerischen Landesamt für Umwelt ein mehrstufiges Prüfverfahren entwickelt und durchgeführt. Alle Klimaprojektionen, die dieser Prüfung standhielten, wurden in das Bayerische Klimaprojektionsensemble ("Bayern-Ensemble") aufgenommen. Für klimatologische Fragestellungen oder für die Entwicklung von Anpassungsmaßnahmen sind jedoch häufig spezielle Klimakennwerte aussagekräftiger. Sie werden von den meteorologischen Variablen der Klimamodelle abgeleitet und geben einen schnellen Überblick über die Auswirkungen der Klimaveränderungen in verschiedenen Bereichen. Damit steht für ganz Bayern eine repräsentative Datengrundlage zur Verfügung, um Aussagen zur zukünftigen Klimaentwicklung treffen zu können. Weitergehend treibt das Bayern-Ensemble Wirkmodelle an, die beispielsweise die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt berechnen ("Wasserhaushaltsmodelle", Link s. unten).
Die Dokumente "Das Bayerische Klimaprojektionsensemble – Audit und Ensemblebildung", "LfU-Infoblatt zu den Klima-Faktenblättern - Grundlagen und Verwendung der Klima-Faktenblätter für Bayern" und "Bayerische Klimadaten - Beobachtungsdaten, Klimaprojektionsensemble und Klimakennwerte für Bayern" beschreiben, wie das Bayern-Ensemble erstellt wurde, was bei der Verwendung der Klimadaten für Bayern zu beachten ist und welche Klimadaten man vom Bayerischen Landesamt für Umwelt beziehen kann. Voraussichtlich im Herbst 2021 werden die Klimakennwerte für Bayern auf einer Internetplattform, dem Bayerischen Klimainformationssystem, verfügbar sein. Bereits für Mitte 2021 ist die Publikation sogenannter "Klima-Faktenblätter" mit entsprechenden Kennwerten für Bayern und die sieben Klimaregionen geplant.
Die Grundsätze und Empfehlungen zur Interpretation regionaler Klimamodelldaten sind in der Publikation "Leitlinien zur Interpretation regionaler Klimamodelldaten", die von Fachbehörden des Bundes und der Länder erarbeitet wurden, zusammengefasst.