Klimamodelle

CMIP6

ISIMIP3b

Für das Webportal Climate Impacts Online wurden bias-korrigierte ISIMIP3b-Klimaeingangsdaten des Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP) verwendet. Dieser Datensatz basiert auf den ursprünglichen Ausgaben globaler Klimamodelle (GCM) aus dem CMIP6-Archiv. Weitere Informationen zu diesem Datensatz finden Sie auf der ISIMIP-Website
Zur Korrektur von Verzerrungen und zur statistischen Herunterskalierung wurden die ISIMIP3BASD-Methode und der Beobachtungsdatensatz W5E5 v2.0 angewendet (Lange, 2019a; Lange, 2020).

Die Daten umfassen drei Zeiträume:

• - Vorindustriell (1601–1849)
• - Historisch (1850–2014)
• - Zukunft (2015–2100)

• - piControl (Vorindustrielles Steuerungsexperiment)
• - historisch
• - ssp126 (SSP1–RCP2.6)
• - ssp370 (SSP3–RCP7.0)
• - ssp585 (SSP5–RCP8.5)

Modelle im Detail

Das Klimamodell GFDL-ESM4, das Teil des CMIP6-Projekts ist, wurde 2018 veröffentlicht. Es besteht aus:
Aerosol: interaktiv (einschließlich indirekter Aerosolwirkung), Atmosphäre: GFDL-AM4.1 (Würfelkugel (c96) – nominelle horizontale Auflösung 1 Grad; 360 x 180 Längen-/Breitengrad; 49 Ebenen; oberste Ebene 1 Pa), Atmosphärenchemie: GFDL-ATMCHEM4.1 (vollständige Atmosphärenchemie), Land: GFDL-LM4.1 (Landmodell mit einem neuen Vegetationsdynamikmodell, das Pflanzenalter, Höhenstruktur und Bodenmikroben explizit berücksichtigt und tägliche Brand-, Anbau-, Weide- und Beweidungs-Kacheln enthält), Landeis: GFDL-LM4.1, Ozean: GFDL-OM4p5 (GFDL-MOM6, tripolar – nominell 0,5 Grad; 720 x 576 Längen-/Breitengrad; 75 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–2 m), Ozean-Biochemie: GFDL-COBALTv2, Meereis: GFDL-SIM4p5 (GFDL-SIS2.0, tripolar – nominal 0,5°; 720 x 576 Längen-/Breitengrade; 5 Schichten; 5 Dickenkategorien), mit Strahlungstransport und C-Gitter-Dynamik zur Kompatibilität mit MOM6. Das Modell wurde von der National Oceanic and Atmospheric Administration, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, NJ 08540, USA (NOAA-GFDL) in den nativen nominalen Auflösungen betrieben: Aerosol: 100 km, Atmosphäre: 100 km, Atmosphärenchemie: 100 km, Land: 100 km, Landeis: 100 km, Ozean: 50 km, Ozean-Biochemie: 50 km, Meereis: 50 km.
Quelle: WDC-Klima - GFDL-ESM4

Das Klimamodell IPSL-CM6A-LR wurde 2017 veröffentlicht und ist ebenfalls Teil des CMIP-Projekts. Das Modell umfasst die Komponenten: „Atmosphäre: LMDZ (NPv6, N96; 144 x 143 Längen-/Breitengrad; 79 Ebenen; oberste Ebene 80000 m), Land: ORCHIDEE (v2.0, Wasser/Kohlenstoff/Energie-Modus), Ozean: NEMO-OPA (eORCA1.3, tripolar, primär 1°; 362 x 332 Längen-/Breitengrad; 75 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–2 m), ocnBgchem: NEMO-PISCES, Meereis: NEMO-LIM3. Das Modell wurde vom Institut Pierre Simon Laplace, Paris 75252, Frankreich (IPSL) in den nativen nominalen Auflösungen betrieben: Atmosphäre: 250 km, Land: 250 km, Ozean: 100 km, ocnBgchem: 100 km, Meereis: 100 km.“
Quelle: WDC-Klima - GFDL-ESM4

Das MPI-ESM besteht aus den gekoppelten allgemeinen Zirkulationsmodellen für Atmosphäre und Ozean, ECHAM6 (spektral T127; 384 x 192 Längen-/Breitengrad; 95 Ebenen; oberste Ebene 0,01 hPa) und MPIOM (tripolar TP04, ca. 0,4°; 802 x 404 Längen-/Breitengrad; 40 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–12 m), sowie den Subsystemmodellen für Land und Vegetation JSBACH3.20 und für die marine Biogeochemie HAMOCC6. Es wird vom Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg 20146, Deutschland (MPI-M), in folgenden nominalen Auflösungen betrieben: „Aerosol: 100 km, Atmosphäre: 100 km, Land: 100 km, Landeis: keine, Ozean: 50 km, marine Biogeochemie: 50 km, Meereis: 50 km.“
Quelle: WDC-Klima - GFDL-ESM4

Das Modell MRI-ESM2.0 wurde 2017 veröffentlicht und wird vom Meteorologischen Forschungsinstitut Tsukuba, Ibaraki 305-0052, Japan (MRI) betrieben. Es umfasst die folgenden Komponenten: „Aerosol: MASINGAR mk2r4 (TL95; 192 x 96 Längen-/Breitengrad; 80 Ebenen; oberste Ebene 0,01 hPa), Atmosphäre: MRI-AGCM3.5 (TL159; 320 x 160 Längen-/Breitengrad; 80 Ebenen; oberste Ebene 0,01 hPa), atmosChem: MRI-CCM2.1 (T42; 128 x 64 Längen-/Breitengrad; 80 Ebenen; oberste Ebene 0,01 hPa), Land: HAL 1.0, Ozean: MRI.COM4.4 (tripolar, primär 0,5° Breite/1° Länge mit meridionaler Verfeinerung bis zu 0,3° innerhalb von 10° nördlich und südlich des Äquators; 360 x 364 Längen-/Breitengrad; 61 Ebenen; oberste Gitterzelle 0-2 m), ocnBgchem: MRI.COM4.4, seaIce: MRI.COM4.4. Das Modell wurde in den nativen nominalen Auflösungen ausgeführt: Aerosol: 250 km, Atmosphäre: 100 km, atmosChem: 250 km, Land: 100 km, Ozean: 100 km, ocnBgchem: 100 km, seaIce: 100 km.
Quelle: WDC-Klima - GFDL-ESM4

UKESM1 besteht aus dem Ozeanmodell NEMO und dem Meereismodell CICE sowie dem Landoberflächenmodell JULES mit der dynamischen Vegetationssimulation TRIFFID. Darüber hinaus simuliert das Modell die Atmosphärenchemie und Aerosole mit UKCA, die marine Biogeochemie mit MEDUSA und die dynamischen Eisschilde mit dem Modell BISICLES. Quelle: UKESM - UKESM1

Das Klimamodell CanESM5, das Teil des CMIP6-Projekts ist, wurde 2019 veröffentlicht. Es besteht aus: Aerosol: interaktiv, Atmosphäre: CanAM5 (native Atmosphäre T63L49, lineares Gauß-Gitter T63; 128 x 64 Längen-/Breitengrad; 49 Ebenen; oberste Ebene 1 hPa), Atmosphärenchemie: vorgegebene Oxidantien für Aerosole, Land: CLASS3.6/CTEM1.2, Landeis: vorgegebene Eisschilde, Ozean: NEMO3.4.1 (tripolares ORCA1-Gitter, 1 Grad mit Verfeinerung auf 1/3 Grad innerhalb von 20 Grad um den Äquator; 361 x 290 Längen-/Breitengrad; 45 vertikale Ebenen; oberste Gitterzelle 0–6,19 m), Ozean-Biogeochemie: Canadian Model of Ocean Carbon (CMOC); NPZD-Ökosystem mit nach OMIP vorgegebener Karbonatchemie, Meereis: LIM2. Das Modell wurde vom Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis, Environment and Climate Change Canada, Victoria, BC V8P 5C2, Kanada (CCCma) in den nativen nominalen Auflösungen betrieben: Aerosol, Atmosphäre, Atmosphärenchemie, Land, Landeis: 500 km; Ozean, Ozean-Biogeochemie, Meereis: 100 km. Quelle: WDC Climate – CanESM5

Das Klimamodell CNRM-CM6-1 wurde 2017 veröffentlicht und ist ebenfalls Teil des CMIP6-Projekts. Es besteht aus: Aerosol: vorgegebene Monatsfelder, berechnet mit dem Schema TACTIC_v2, Atmosphäre: Arpege 6.3 (T127; reduziertes Gauß-Gitter mit insgesamt 24572 Gitterpunkten auf 128 Breitenkreisen, 256 Gitterpunkte je Breitenkreis zwischen 30° N und 30° S, abnehmend auf 20 bei 88,9° N und 88,9° S; 91 Ebenen; oberste Ebene 78,4 km), Atmosphärenchemie: OZL_v2, Land: Surfex 8.0c, Ozean: Nemo 3.6 (eORCA1, tripolar, primär 1 Grad; 362 x 294 Längen-/Breitengrad; 75 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–1 m), Meereis: Gelato 6.1. Das Modell wurde vom CNRM (Centre National de Recherches Météorologiques, Toulouse 31057, Frankreich) und vom CERFACS (Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique, Toulouse 31057, Frankreich) in den nativen nominalen Auflösungen betrieben: Aerosol, Atmosphäre, Atmosphärenchemie, Land: 250 km; Ozean, Meereis: 100 km. Quelle: WDC Climate – CNRM-CM6-1

Das Erdsystemmodell CNRM-ESM2-1 wurde 2017 veröffentlicht und ist ebenfalls Teil des CMIP6-Projekts. Es besteht aus: Aerosol: TACTIC_v2, Atmosphäre: Arpege 6.3 (wie CNRM-CM6-1: T127; 91 Ebenen; oberste Ebene 78,4 km), Atmosphärenchemie: REPROBUS-C_v2, Land: Surfex 8.0c, Ozean: Nemo 3.6 (eORCA1, tripolar, primär 1 Grad; 362 x 294 Längen-/Breitengrad; 75 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–1 m), Ozean-Biogeochemie: Pisces 2.s, Meereis: Gelato 6.1. Das Modell wurde von CNRM und CERFACS (Toulouse, Frankreich) in den nativen nominalen Auflösungen betrieben: Aerosol, Atmosphäre, Atmosphärenchemie, Land: 250 km; Ozean, Ozean-Biogeochemie, Meereis: 100 km. Quelle: WDC Climate – CNRM-ESM2-1

Das Klimamodell EC-Earth3 (EC-Earth 3.3) wurde 2019 veröffentlicht und ist ebenfalls Teil des CMIP6-Projekts. Es besteht aus: Atmosphäre: IFS cy36r4 (TL255, linear reduziertes Gauß-Gitter, entsprechend 512 x 256 Längen-/Breitengrad; 91 Ebenen; oberste Ebene 0,01 hPa), Land: HTESSEL (in das IFS integriertes Landoberflächenschema), Ozean: NEMO3.6 (ORCA1, tripolar, primär 1 Grad mit meridionaler Verfeinerung auf 1/3 Grad in den Tropen; 362 x 292 Längen-/Breitengrad; 75 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–1 m), Meereis: LIM3. Das Modell wurde vom EC-Earth-Konsortium aus 32 europäischen Einrichtungen (Koordination: Rossby Centre, Swedish Meteorological and Hydrological Institute, SMHI, Norrköping, Schweden) in der nativen nominalen Auflösung von 100 km für alle Komponenten betrieben. Quelle: WDC Climate – EC-Earth3

Das Klimamodell MIROC6 wurde 2017 veröffentlicht und ist ebenfalls Teil des CMIP6-Projekts. Es besteht aus: Aerosol: SPRINTARS6.0, Atmosphäre: CCSR AGCM (T85; 256 x 128 Längen-/Breitengrad; 81 Ebenen; oberste Ebene 0,004 hPa), Land: MATSIRO6.0, Ozean: COCO4.9 (tripolar, primär 1 Grad; 360 x 256 Längen-/Breitengrad; 63 Ebenen; oberste Gitterzelle 0–2 m), Meereis: COCO4.9. Das Modell wurde von JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Kanagawa, Japan), AORI (Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo, Chiba, Japan), NIES (National Institute for Environmental Studies, Ibaraki, Japan) und R-CCS (RIKEN Center for Computational Science, Hyogo, Japan) in den nativen nominalen Auflösungen betrieben: Aerosol, Atmosphäre, Land: 250 km; Ozean, Meereis: 100 km. Quelle: WDC Climate – MIROC6

Quellen:

SWIM-Modell

Zur Generierung der Daten zu den Variablen des Wassersektors in dieser Region wurde ein separates Modell verwendet: das integrierte Boden- und Wassermodell (SWIM).

Was macht das Modell?

SWIM wurde speziell entwickelt, um die Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf regionaler Ebene zu untersuchen, wo sich die Auswirkungen manifestieren und Anpassungsmaßnahmen stattfinden. Das Modell simuliert miteinander verbundene Prozesse auf der Mesoskala wie Abflussbildung, Pflanzen- und Erntewachstum, Nährstoff- und Kohlenstoffkreislauf und Erosion. Es liefert zahlreiche Modellergebnisse wie Flussabfluss, Ernteertrag sowie Nährstoffkonzentrationen und -belastungen. Der Ansatz ermöglicht die Simulation aller miteinander verbundenen Prozesse innerhalb eines einzigen Modellrahmens in einem täglichen Zeitschritt unter Verwendung regional verfügbarer Daten (Klima, Landnutzung und Boden) und unter Berücksichtigung von Rückkopplungen. Die Modelleinrichtung und Nachbearbeitung werden durch eine GIS-Schnittstelle (basierend auf GRASS) unterstützt. Das Modell verwendet ein dreistufiges Disaggregationsschema: Becken – Unterbecken – Hydrotope. Die Ergebnisse werden als Zeitreihen und Karten für eine Reihe von Variablen dargestellt. SWIM ist ein Modell mittlerer Komplexität für Flusseinzugsgebiete und Regionen, da es a) aufgrund einer zuverlässigeren Darstellung der miteinander verbundenen hydrologischen, Vegetations- und Nährstoffprozesse umfassender ist als rein hydrologische und Niederschlags-Abfluss-Modelle; b) auf allgemein verfügbaren regionalen Daten basiert und leichter parametrisiert werden kann als komplexere hydrologische Modelle.

Wer pflegt es?

SWIM wird von der regionalen hydrologischen Modellierungsgruppe der Forschungsabteilung 2 im PIK-eigenen GitLab-Quellcode-Repository gepflegt und weiterentwickelt. Die Entwicklung wird von Michel Wortmann, Stefan Liersch und Fred Hattermann koordiniert.

Inwiefern unterscheidet sich das Modell von anderen Modellen in der Gemeinschaft?

Quellen:

Modellkette des Wassersektors

Die Variablen des Wassersektors (Wasserbilanz, Verdunstung, Abfluss, Grundwasserneubildung, Abfluss im Fluss) sind Ergebnisse des hydrologischen Modells SWIM. SWIM wurde direkt mit den Klimadaten globaler Klimamodelle angetrieben; ein regionales Klimamodell liegt nicht dazwischen. Die Kette hat vier Schritte:

1. Globale Klimamodelle (CMIP6). Zehn globale Klimamodelle (CanESM5, CNRM-CM6-1, CNRM-ESM2-1, EC-Earth3, GFDL-ESM4, IPSL-CM6A-LR, MIROC6, MPI-ESM1-2-HR, MRI-ESM2-0, UKESM1-0-LL) liefern Tageswerte für den historischen Zeitraum und die Szenarien SSP1-2.6, SSP3-7.0 und SSP5-8.5.
2. Bias-Korrektur und statistisches Downscaling (ISIMIP3b). Temperatur (Mittel, Minimum, Maximum), Niederschlag, Globalstrahlung und relative Luftfeuchte dieser Modelle wurden mit dem Verfahren ISIMIP3BASD v2.5.0 an den beobachtungsbasierten Datensatz W5E5 v2.0 angepasst und statistisch auf ein Gitter von 0,5° (etwa 55 km) übertragen.
3. Hydrologisches Modell (SWIM). Mit diesen Tageswerten berechnete SWIM den Wasserhaushalt für 28 große europäische Flussgebiete, unterteilt in Teileinzugsgebiete und Hydrotope. Jedes Teileinzugsgebiet erhält die Klimadaten des 0,5°-Gitters. So entsteht ein Lauf je Klimamodell und Szenario.
4. Aufbereitung für das Portal. Die Ergebnisse der Teileinzugsgebiete wurden auf ein regelmäßiges Gitter übertragen und wie in den anderen Sektoren je Zeitraum über die Klimamodelle zusammengefasst (Median und Bandbreite).

Hinweise zur Interpretation

• Die Karte zeigt die Teileinzugsgebiete von SWIM; innerhalb eines Teileinzugsgebiets sind die Werte einheitlich. Die räumliche Auflösung des Klimaantriebs beträgt 0,5°.
• Der Niederschlag des Wassersektors ist der von SWIM verwendete ISIMIP3b-Niederschlag. Sein Niveau folgt der Referenz W5E5 und kann deshalb vom Niederschlag des Klimasektors abweichen, der in manchen Regionen auf anderen Daten beruht (in Deutschland auf regionalen Klimamodellen und DWD-Beobachtungen).
• Der historische Zeitraum des Wassersektors ist eine Modellsimulation mit denselben Klimamodellen; beobachtungsbasierte Wasserdaten gibt es im Portal nicht.

Quellen

Lange, S., 2019. Trend-preserving bias adjustment and statistical downscaling with ISIMIP3BASD (v1.0). Geoscientific Model Development, 12, 3055-3070. https://doi.org/10.5194/gmd-12-3055-2019
Lange, S., 2021. ISIMIP3BASD (v2.5.0). Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.4686991
Lange, S. et al., 2021. WFDE5 over land merged with ERA5 over the ocean (W5E5 v2.0). ISIMIP Repository. https://doi.org/10.48364/ISIMIP.342217
ISIMIP3b-Protokoll: https://www.isimip.org/protocol/3/

Klimaszenarien

Die sogenannten repräsentativen Konzentrationspfade (RCPs) wurden für den fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) entwickelt. Sie beschreiben verschiedene Stufen des durch Treibhausgase verursachten Strahlungsantriebs, die im Zeitraum von 2011 bis 2100 auftreten könnten. Allerdings enthielten sie keine begleitenden sozioökonomischen Szenarien. In den letzten Jahren hat ein internationales Team aus Klimawissenschaftlern, Ökonomen und Experten für Energiesystemmodellierung eine Reihe neuer Szenarien entwickelt, die untersuchen, wie sich die globale Gesellschaft, Demografie und Wirtschaft im Laufe des nächsten Jahrhunderts verändern könnten. Diese Szenarien sind als „Gemeinsame sozioökonomische Pfade“ (SSPs) bekannt. Die SSPs wurden 2017 veröffentlicht (Riahi et al., 2017) und werden im sechsten Sachstandsbericht des IPCC in den Jahren 2021/2022 eine wichtige Rolle spielen.

SSPs (Shared Socioeconomic Pathways, gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade) sind Basisszenarien, die zukünftige Entwicklungen ohne neue Klimapolitiken – über die bereits bestehenden hinaus – beschreiben. Sie bieten fünf mögliche Entwicklungspfade. Die fünf SSPs unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich Bevölkerungswachstum, Urbanisierung, Wirtschaftswachstum, Investitionen in Bildung und Gesundheit, Energiesystem und Landnutzung, Geschwindigkeit der technologischen Entwicklung sowie Nachfragetreibern wie beispielsweise Lebensstiländerungen (Riahi et al., 2017).

Wie die RCPs (Representative Concentration Pathways, repräsentative Konzentrationspfade) sind auch die SSPs für sich genommen unvollständig: Sie beschreiben nur gesellschaftliche Zukünfte und berücksichtigen die Auswirkungen des Klimawandels nicht. Darüber hinaus sind in diesen Szenarien keine Minderungs- oder Anpassungsmaßnahmen vorgesehen (O'Neill et al., 2020). Aus diesem Grund verwendet KlimafolgenOnline drei SSP-RCP-Kombinationen, um Klimadaten für verschiedene sozioökonomische und Strahlungsszenarien zu visualisieren.

„Nachhaltigkeit“ SSP1 - 2.6

„Regionale Rivalität“ SSP3 – 7,0

„Fossile Entwicklung“ SSP5 – 8,5

SSP-Datenbank

Gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade (SSPs): Ein Überblick (Poster)
Quellen:

O’Neill, BC, Carter, TR, Ebi, K. et al. Errungenschaften und Bedarf des Klimawandel-Szenariorahmens. Nat. Clim. Chang. 10, 1074–1084 (2020). https://doi.org/10.1038/s41558-020-00952-0

Riahi, K. et al., Gemeinsame sozioökonomische Entwicklungspfade und ihre Auswirkungen auf Energie, Landnutzung und Treibhausgasemissionen: Ein Überblick, Global Environmental Change, Band 42, 153–168 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2016.05.009.

Historische Simulationsdaten

Zur Validierung von Klimamodellen werden vergangene Klimabedingungen simuliert und mit Beobachtungsdaten verglichen. Ein wichtiger Indikator für die Zuverlässigkeit zukünftiger Klimaprojektionen aus Modellen ist die simulierte zeitliche und räumliche Veränderung der globalen mittleren Oberflächentemperatur von der vorindustriellen Zeit bis heute.

Die historische Simulation ist Bestandteil der Teilnahmevoraussetzungen für das Coupled Model Intercomparison Project (Phase 6). Sie wurde in das Diagnose-, Bewertungs- und Charakterisierungsprogramm für Klima (DECK) integriert, um eine bessere Trennung zwischen CMIP und der jeweiligen Phase (CMIP6) zu ermöglichen. Die Simulationen dienen außerdem als Benchmark für die von CMIP6 unterstützten Model Intercomparison Projects (MIPs).

Die Simulationen beginnen mit beliebigen Gleichgewichtsbedingungen aus dem vorindustriellen Kontrollexperiment (piControl). Anschließend werden verschiedene zeitabhängige Antriebsfaktoren, die mit CMIP6 übereinstimmen, wie Treibhausgasemissionen, Landnutzungsänderungen, Aerosole, solare Strahlung und andere, in die Modelle eingespeist. Daraus wird eine Rekonstruktion der historischen Bedingungen erstellt. Die CMIP6-Simulationen decken den Zeitraum von 1850 bis 2014 ab.

Quellen: