Ansprechpartner

Profile_image

Prof. Dr. Jochem Marotzke

Telefon:+49 40 41173-440Fax:+49 40 41173-366

Originalpublikation

Jochem Marotzke & Piers M. Forster
Forcing, feedback and internal variability in global temperature trends

Verwandte Artikel

Video

Klimamodelle: Die Welt am Computer

Wie wird sich das Klima in der Zukunft entwickeln? Und welchen Anteil hat der Mensch daran? Die Antwort findet sich in keinem Experiment - hier kann nur ein Klimamodell helfen. Der Film erklärt, wie ein solches Modell entsteht.

Klimaforschung

Erwärmungspause: Die Klimamodelle machen keinen systematischen Fehler

Im 21. Jahrhundert hat sich die Erde deutlich schwächer erwärmt, als sämtliche Modelle vorhersagen – das war nur Zufall

28. Januar 2015

Skeptikern, die immer noch am menschengemachten Klimawandel zweifeln, bricht nun eines ihrer letzten Argumente weg: Zwar gibt es eine Erwärmungspause, die Erdoberfläche hat sich seit der Jahrtausendwende also deutlich schwächer aufgeheizt, als sämtliche relevanten Klimamodelle vorhergesagt hatten. Die Kluft zwischen berechneter und gemessener Erwärmung entsteht aber nicht, weil die Modelle systematische Fehler machen, wie die Skeptiker vermutet hatten, sondern weil es im Klima stets zu zufälligen Schwankungen kommt. Das haben Jochem Marotzke, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg, und Piers M. Forster, Professor an der Universität Leeds in Großbritannien, mit einer umfassenden statistischen Analyse nun eindrücklich belegt. Damit ist auch klar, dass die Modelle den menschengemachten Klimawandel nicht prinzipiell überschätzen. Die Erderwärmung wird am Ende dieses Jahrhunderts also höchstwahrscheinlich gravierende Ausmaße erreicht haben – wenn die Weltgemeinschaft nicht endlich beherzt dagegen vorgeht.
Prognosen ohne systematische Fehler: Klimamodelle, wie das Modell MPI-ESM LR des Max-Planck-Instituts für Meteorologie, sagen bis zum Ende dieses Jahrhunderts eine deutliche Erwärmung vor allem an den Polen voraus. Die Erwärmungspause, die Klimaforscher seit der Jahrtausendwende beobachten, sagt allerdings kein Modell voraus. Das liegt allerdings nicht an systematischen Fehlern der Modelle, sondern an zufälligen Schwankungen im Klimasystem. Die Vorhersagen der Modelle sind im Rahmen der statistischen Unsicherheit also zuverlässig. Bild vergrößern
Prognosen ohne systematische Fehler: Klimamodelle, wie das Modell MPI-ESM LR des Max-Planck-Instituts für Meteorologie, sagen bis zum Ende dieses Jahrhunderts eine deutliche Erwärmung vor allem an den Polen voraus. Die Erwärmungspause, die Klimaforscher seit der Jahrtausendwende beobachten, sagt allerdings kein Modell voraus. Das liegt allerdings nicht an systematischen Fehlern der Modelle, sondern an zufälligen Schwankungen im Klimasystem. Die Vorhersagen der Modelle sind im Rahmen der statistischen Unsicherheit also zuverlässig. [weniger]

Im Klima regieren Zufall und Chaos – und machen Klimaforschern das Leben schwer. Kein Wunder, dass diese beiden unberechenbaren Akteure im Klimageschehen auch hinter dem Rätsel stecken, das Wissenschaftler seit Beginn des 21. Jahrhunderts beschäftigt. Seither ist die Temperatur der Erdoberfläche nur um etwa 0,06 Grad Celsius und somit viel schwächer gestiegen, als alle 114 Modellsimulationen, die der Klimabericht des IPCC berücksichtigt, vorhergesagt hatten. Jochem Marotzke und Piers M. Forster erklären die Erwärmungspause nun mit zufälligen Schwankungen, die sich durch die chaotischen Prozesse im Klimasystem ergeben. Noch wichtiger für die beiden Forscher und ihre Kollegen weltweit: Konzeptionelle Fehler in den Modellen haben die Forscher nicht gefunden. Vor allem reagieren sie nicht prinzipiell zu empfindlich auf eine Erhöhung des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre.

„Die Behauptung, dass die Klimamodelle die Erwärmung auf Grund der zunehmenden Treibhausgaskonzentration systematisch überschätzen, ist unzutreffend“, sagt Jochem Marotzke. Genau diese Behauptung stellen Klimaskeptiker auf und führen die Erwärmungspause als Beleg an. Sie ficht dabei nicht an, dass Forscher im neuen Jahrtausend neun der zehn wärmsten Jahre seit Beginn der systematischen Klimabeobachtungen gemessen haben, die Erderwärmung als auf sehr hohem Niveau pausiert. Die Zweifler blenden auch aus, dass die Temperatur in den Ozeanen nach wie vor so stark ansteigt, wie viele Modellrechnungen prognostizieren.

„Im Großen und Ganzen stimmen simulierte Trends und Beobachtungen gut überein“

Um die rätselhafte Diskrepanz zwischen den Modellsimulationen und den Beobachtungen aufzuklären, gehen Jochem Marotzke und Piers M. Forster in zwei Schritten vor. Zunächst vergleichen sie simulierte und beobachtete Temperaturtrends für jeweils 15 Jahre seit Beginn des 20. Jahrhunderts. Sie betrachten also für jedes der Jahre von 1900 bis 1998, welche Temperaturentwicklung die 114 verfügbaren Modelle für die darauffolgenden 15 Jahre berechnen. Die Ergebnisse vergleichen sie mit Messungen, wie die Temperatur tatsächlich stieg oder sank. Indem sie die globale Durchschnittstemperatur und andere Klimagrößen der Vergangenheit simulieren und die Resultate mit Beobachtungen vergleichen, überprüfen Klimaforscher, ob ihre Modelle die Wirklichkeit zuverlässig erfassen. Liegen die Simulationen einigermaßen richtig, können sie auch brauchbare Vorhersagen für die Zukunft liefern.

Rückwirkend simulierte und beobachtete 15-Jahrestrends der globalen Durchschnittstemperatur am Boden seit 1900. Für jedes Jahr zwischen 1900 und 1998 gibt der 15-Jahrestrend an, wie sich die Temperatur in den darauf folgenden 15 Jahren verändern wird. Zwischen 1900 und 1914 sinkt sie beispielsweise um etwa 0,09 Grad Celsius, die Modelle sagen für dieses Startjahr einen schwächer negativen, oder gar positiven Temperaturtrend voraus. Die Farbschattierung zeigt basierend auf den verfügbaren 114 Simulationen, wie häufig ein simulierter Temperaturtrend für jedes Anfangsjahr vorkommt. Die Kreise markieren die beobachteten Temperaturtrends. Für das Jahr 1998 liegt der beobachtete Wert am unteren Rand des Ensembles der Simulationen. Das heißt die Erdoberfläche hat sich zwischen 1998 und 2012 im Schnitt schwächer erwärmt, als die Modelle es vorhersagten. Bild vergrößern
Rückwirkend simulierte und beobachtete 15-Jahrestrends der globalen Durchschnittstemperatur am Boden seit 1900. Für jedes Jahr zwischen 1900 und 1998 gibt der 15-Jahrestrend an, wie sich die Temperatur in den darauf folgenden 15 Jahren verändern wird. Zwischen 1900 und 1914 sinkt sie beispielsweise um etwa 0,09 Grad Celsius, die Modelle sagen für dieses Startjahr einen schwächer negativen, oder gar positiven Temperaturtrend voraus. Die Farbschattierung zeigt basierend auf den verfügbaren 114 Simulationen, wie häufig ein simulierter Temperaturtrend für jedes Anfangsjahr vorkommt. Die Kreise markieren die beobachteten Temperaturtrends. Für das Jahr 1998 liegt der beobachtete Wert am unteren Rand des Ensembles der Simulationen. Das heißt die Erdoberfläche hat sich zwischen 1998 und 2012 im Schnitt schwächer erwärmt, als die Modelle es vorhersagten. [weniger]

Dem Vergleich halten die 114 Modellrechnungen stand, vor allem als Ensemble erfassen sie die Wirklichkeit ziemlich gut: „Im Großen und Ganzen stimmen die simulierten Trends mit den Beobachtungen überein“, sagt Jochem Marotzke. Dabei liegen die pessimistischste und die optimistischste Prognose eines Jahres für die Erwärmung in den jeweils 15 folgenden Jahren meist etwa 0,3 Grad Celsius auseinander, das Gros sagt jedoch einen Temperaturanstieg etwa in der Mitte zwischen den beiden Extremen vorher. Die beobachteten Trends bewegen sich mal an der oberen und mal an der unteren Grenze und oft auch in der Mitte der Trends, die das Ensemble der Simulationen möglich erscheinen lässt. „Vor allem erscheinen die beobachteten Trends verglichen mit den Simulationen nicht in erkennbar bevorzugter Weise“, erklärt Marotzke. Täten sie das, läge ein systematischer Fehler in den Modellen nahe.

Kein physikalischer Grund erklärt die Streuung der Prognosen

In einem zweiten Schritt analysieren die beiden Wissenschaftler nun, warum die Simulationen zu recht unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Aus dieser Analyse lässt sich auch schließen, warum alle Prognosen für die vergangenen 15 Jahre von der tatsächlichen Entwicklung abweichen. Dafür kommen die zufälligen Schwankungen sowie drei physikalische Gründe in Frage: Die Modelle kalkulieren mit unterschiedlich viel Strahlungsenergie, die von der Sonne auf die Erdoberfläche trifft und durch den Treibhauseffekt etwa des Kohlendioxids auf der Erde gespeichert wird. Sie reagieren in ihren Prognosen aber auch unterschiedlich empfindlich, wenn sich dieser Strahlungsantrieb verändert, wenn sich also etwa der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre verdoppelt. Das heißt, die Modelle setzen den Anteil der Energie, die zu einer Erwärmung der Erdoberfläche führen, und den Anteil, der über kurz oder lang wieder ins Weltall abgestrahlt wird, unterschiedlich hoch an. Schließlich lassen alle Klimamodelle unterschiedlich viel der auf der Erde gespeicherten Energie in die Tiefen der Ozeane, einen gigantischen Wärmespeicher, abfließen.

Mit einem statistischen Verfahren klamüserten Marotzke und Forster die Beiträge der einzelnen Faktoren auseinander, und fanden: Keiner der physikalischen Gründe erklärt die Streuung der Prognosen und die Abweichung von den Messungen, der Zufall dagegen sehr wohl. Mit ihrer Analyse entkräften die Autoren vor allem den Vorwurf, die Modelle reagierten zu empfindlich auf eine Erhöhung der Kohlendioxid-Konzentration: „Sollte eine zu große Empfindlichkeit der Modelle der Grund sein, warum die Modelle für die vergangenen 15 Jahre einen zu großen Temperaturtrend berechneten, müssten die Modelle, die von einer hohen Empfindlichkeit ausgehen, einen größeren Temperaturtrend berechnen als die anderen“, sagt Piers Forster. Tun sie aber nicht. Und das, obwohl manche mit einer dreimal höheren Empfindlichkeit rechnen als andere.

Die Erde wird sich weiter aufheizen

„Die unterschiedliche Empfindlichkeit erklärt eigentlich gar nichts“, sagt Jochem Marotzke. „Das habe ich erst geglaubt, nachdem ich die Daten hinter unseren Grafiken intensiv studiert hatte.“ Bislang gingen die Klimaforscher selbst davon aus, dass ihre Modelle unterschiedliche Temperaturanstiege simulieren, weil sie unterschiedlich empfindlich auf das Mehr an Sonnenenergie in der Atmosphäre reagieren. Dass dem nicht so ist, wird die Gemeinde der Klimaforscher einerseits erleichtert aufnehmen, andererseits aber vielleicht auch mit einer leisen Enttäuschung. Nun können sie nämlich an keiner Schraube drehen, um die Vorhersagen ihrer Modelle noch präziser zu machen – der Zufall hat keine.

Und unabhängig von ihrem Anspruch als Wissenschaftler dürften sie noch einen Grund haben, auf die Studie mit gemischten Gefühlen zu reagieren. Sie gibt nämlich keine Entwarnung: Klimaforscher liegen mit ihren Vorhersagen ziemlich richtig. Das heißt: Wenn wir so weitermachen wie bisher, wird sich die Erde weiter aufheizen – mit Folgen vor allem für Entwicklungsländer, die wir heute erst erahnen können.

PH

 
loading content