Klimamodelle: Warum sie unverzichtbar sind – und keine Wettervorhersagen

„Klimamodelle sind im Wesentlichen ein umfängliches Computerprogramm“, erklärt Andreas Walter vom Deutschen Wetterdienst (DWD). Diese Modelle sind keine statistischen Gedankenspiele, sondern basieren auf physikalischen Grundgesetzen. In ihnen seien die fundamentalen Gleichungen der Atmosphäre hinterlegt – etwa für Bewegung, Energie- und Wärmeaustausch.

Berechnet werden diese Gleichungen laut Walter auf einem weltumspannenden, dreidimensionalen Gitter mit Rechenpunkten im Abstand von meist 100 Kilometern. Das Gitter erfasst dabei aber nicht nur die bodennahe Luftschicht, sondern reicht bis in etwa 40 Schichten der Atmosphäre hinauf. Wichtig dabei: Die Ergebnisse müssen dem Meteorologen zufolge ein in sich stimmiges, homogenes Feld ergeben. „Benachbarte Gitterpunkte können nicht völlig unterschiedliche Ergebnisse liefern“. Genau das mache die Berechnungen extrem aufwendig und zeitintensiv.

Vom einfachen Modell zum digitalen Erdsystem

Ein Blick in die Geschichte zeigt, wie stark sich Klimamodelle weiterentwickelt haben. In den 1970er-Jahren bestanden sie laut Walter oft nur aus einfachen Energiebilanzmodellen: Wie viel Sonnenenergie gelangt in die Atmosphäre – und wie viel Energie verlässt sie wieder?

Heute seien daraus hochkomplexe allgemeine Zirkulationsmodelle geworden, an die häufig zusätzlich Ozean- oder Kohlenstoffmodelle gekoppelt würden. Das erhöhe die Aussagekraft, aber auch den Rechenaufwand erheblich, so Walter. „Ein globales Klimamodell mit etwa 100 Kilometern Gitterabstand benötigt selbst in modernsten Rechenzentren viele Monate Rechenzeit.“

Global rechnen, regional verstehen

Um regionale Folgen des Klimawandels besser abzubilden, werden globale Modelle mit regionalen Klimamodellen kombiniert. Diese arbeiten mit deutlich feineren Gitterabständen von etwa zehn Kilometern. „Man setzt das regionale Modell in das Gebiet ein, für das man sich interessiert, und koppelt es an den Rändern an das globale Modell“, erläutert Walter.

Auf diese Weise lassen sich globale und regionale Modelle miteinander kombinieren. „Durch die Verwendung möglichst vieler Kombinationen aus Globalen und Regionalen Modellen erhält man ein sogenanntes Ensemble, das nicht einzelne Zahlen liefert, sondern Spannbreiten“, sagt Walter. So lassen sich Aussagen darüber treffen, dass beispielsweise die Zahl der Hitzetage zwischen 2030 und 2060 je nach zu Grunde liegendem Emissionsszenario um einige wenige oder um mehrere Dutzend Tage zunehmen könnte.

Wichtige globale Klimamodelle im Überblick

Grundsätzlich simulieren globale Klimamodelle (General Circulation Models oder auch Erdsystemmodelle) das Klimasystem der Erde und bilden auch die Grundlage für die Berichte des Weltklimarats (IPCC).

• CMIP – Coupled Model Intercomparison Project: Internationale Vergleichsplattform für Klimamodelle, koordiniert von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO), eine Sonderorganisation der Vereinten Nationen (UN). Hier werden Simulationen aus vielen Ländern zusammengeführt und ausgewertet.

• CESM – Community Earth System Model (USA): Ein umfassendes Erdsystemmodell des US-Forschungszentrums NCAR, das Atmosphäre, Ozeane, Eis und Land koppelt.

• GFDL-Modelle (USA): Klimamodelle des US-Wetter- und Ozeanografieinstituts NOAA, häufig in IPCC-Auswertungen vertreten.

• ICON (Deutschland): Globales Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M), eingesetzt in internationalen Modellvergleichen wie CMIP. ICON hat eine besonders feine Auflösung und wird kontinuierlich weiterentwickelt.

Für Klimamodellierungen gilt laut Andreas Walter vom DWD: Je breiter das Ensemble, umso genauer die Ergebnisse. Was paradox klingt, habe einen ganz praktischen Hintergrund. „Selbst globale Modelle bilden immer einen regionalen Fokus ab, je nachdem welche Nation das Modell entwickelt hat.“ Sobald man mehrere Modelle vergleiche, falle der regionale Fokus weniger ins Gewicht.

Warum Klimamodelle keine Wettervorhersagen sind

Der entscheidende Unterschied zur Wettervorhersage liegt im Ansatz. Wettermodelle interessieren sich für die nächsten Tage. „Das, was ich heute messe, ist der Ausgangspunkt für die Vorhersage“, erklärt Walter. Fachlich spricht man von einem Anfangswertproblem.

Wie verlässlich sind Klimamodelle?

Um ihre Qualität und Verlässlichkeit für zukünftige Entwicklungen zu überprüfen, werden Klimamodelle auch in der Vergangenheit gerechnet. Läuft ein Modell beispielsweise ab den 1970er-Jahren und bildet die damalige Klimaentwicklung bis heute realistisch ab, stärkt das das Vertrauen in seine Zukunftsprojektionen.

Aus heutiger Sicht seien die Modelle daher „relativ zuverlässig“, sagt Walter – nicht zuletzt, weil sie auf physikalischen Gesetzen beruhen und nicht nur auf Statistik.

Stärken, Grenzen und der Blick nach vorn

Klimamodelle projizieren keine einzelnen Ereignisse. „Ich interessiere mich bei einer Klimamodellierung nicht für die Temperatur an einem bestimmten Ort an einem bestimmten Tag“, betont Walter. Stattdessen gehe es um mittlere Zustände der Atmosphäre über lange Zeiträume hinweg.

Gerade bei Extremereignissen, die kurzlebig und unerwartet auftreten, stoßen Modelle daher noch an Grenzen. Für langfristige Trends hingegen liefern Klimamodellierungen bis zum Jahr 2100 robuste Aussagen.

Für Deutschland zeigen sie laut Walter dabei klar: Die Erwärmung setzt sich fort, die jährliche Niederschlagsmenge bleibt in etwa gleich, verteilt sich aber neu – mehr Regen im Winter und weniger im Sommer der dann häufiger als Starkregen fällt.

Warum Klimamodelle unseren Alltag betreffen

Klimamodelle sind die Grundlage für Anpassungsstrategien in nahezu allen Lebensbereichen. „Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Gesundheit, Verkehr oder Tourismus – kaum ein Sektor ist nicht vom Klimawandel betroffen“, sagt Walter. Das Problem: Damit eine Maßnahme greife, brauche sie mitunter Jahrzehnte Vorlauf, erklärt er. Ein Beispiel: „Wenn wir auch im Jahr 2100 noch einen stabilen Waldbestand haben wollen, müssen Entscheidungen 40 bis 50 Jahre vorher getroffen werden.“

Daran zeigt sich: Klimamodelle erscheinen zunächst abstrakt und theoretisch. Doch sie beeinflussen bereits heute konkret politische Entscheidungen – und haben Einfluss darüber, wie gut Gesellschaften und nachfolgende Generationen mit den Folgen des Klimawandels in der Zukunft umgehen können.