Klimabasisdaten

Neue Daten für Deutschland und Bayern

2025 gab es ein UPDATE mit folgenden Ergänzungen:

• - Die Klimadatenbasis wurden für den Beobachtungszeitraum bis 2020 aktualisiert.
• - Das Klimamodellensemble wurde um weitere Modellläufe (Euro-Cordex) ergänzt und um historische Simulationen erweitert.
• - Die Bias-Korrektur der Simulationsdaten wurde mit einer eigenen Software vorgenommen.
• - Die Ergebnisdaten wurden auf ein feineres Gitter unter Berücksichtigung topografischer Besonderheiten interpoliert.

Unterschiede

Der Unterschied zu dem ab 2019 genutzten Impact2C-Datensatz ist im Kern ein umfassenderes Modellensemble von 17 Läufen für das RCP8.5 Szenarium. Die daraus resultierende Statistik ausgewählter Klimaindikatoren für einen 30-jährigen Zeitraum basiert somit auf 30x17=510 Jahreswerten (anstatt 120). Bei der Entwicklung einzelner Indikatoren kann es im Vergleich dazu zu deutlichen Abweichungen kommen.

Die Spannbreite der Jahresmitteltemperatur in Deutschland bleibt mit 11°C bis 14°C (RCP8.5 bis 2100) in etwa erhalten. Größere Unterschiede zeichnen sich bei der mittleren Anzahl der Hitzetage ab. In den aktuellen Daten liegt der Wert bei knapp 30 Tagen. Vorher waren es etwas mehr als 20 Tage in Deutschland.

Das umfassendere Ensemble macht sich auch bei den Gesamtniederschlägen bemerkbar. Je mehr Modelle, desto größer die Spannbreite der Variabilität im Jahresniederschlag. Im Mittel bleiben die Entwicklungen auf historischem Niveau. Mehr Starkregen und höhere Mitteltemperaturen begünstigen jedoch längere Trockenphasen.

Beobachtungsdaten: 1961-2020

Für die Aktualisierung des Beobachtungsdatensatzes wurden nur Messstationen berücksichtigt, die seit 1961 bis heute zum DWD Stationsnetz gehören. Dazu zählen ca. 220 synoptische Stationen und ca. 1200 Niederschlagsstationen. Alle liefern tägliche Werte meteorologischer Messgrößen. Aufgrund der begrenzten Stationsdichte können vorallem kleinräumige Phänomene bzw. regionale Besonderheiten nicht in ganzer Schärfe abgebildet werden. Dieses Stationsnetz markiert gleichzeitig die Basis für die Aufbereitung der Szenariendaten (siehe Interpolation).

Klimamodellensemble: historisch und zukünftig

Das aktuell 17 Simulationen umfassende RCP8.5 Klimamodellensemble wurde um die historische Simulationsperioden ab 1971 ergänzt. Der gesamte Simulationszeitraum umfasst somit insgesamt 130 Jahre. Für das RCP2.6 Szenario ist das Ensemble deutlich kleiner, weil dafür weniger Läufe verfügbar sind. Für den historischen Zeitraum lassen sich in der aktuellen Version die Entwicklungen im Modellensemble und in den Beobachtungen miteinander vergleichen. In vielen der Indikatoren zeigt sich, dass die Simulationen im Einklang mit den Beobachtungen verlaufen. Phänomene wie Frühjahrstrockenheit weisen Diskrepanzen auf, die auf Modellschwächen hindeuten.

Klimamodellensemble

Regionales Klimamodellensemble

Für die Ableitung von regionalen Klimawirkungen aus zukünftigen klimatischen Entwicklungspfaden (entsprechend den RCP-Szenarien) ist es erforderlich, die globalen Klimamodellsimulationen (GCMs) für Großregionen wie Europa zu verfeinern. Das wird in der Regel dadurch realisiert, dass man diese als Antrieb für höher aufgelöste Regionalmodelle (RCMs) verwendet. Solche sind in der Lage, die regionalen Besonderheiten der Temperatur- und Niederschlagsverteilung realistischer wiedergeben, da unter anderem Effekte hervorgerufen durch Topografie und Landnutzung besser abgebildet werden.

Umfangreiche Simulationsdaten aus [Euro-Cordex] https://cds.climate.copernicus.eu/datasets/projections-cordex-domains-single-levels?tab=download liefert dafür die Basis und Datengrundlage (siehe Tabelle), um Klimaservices für Europa, Deutschland und Bundesländer möglich zu machen. Der Simulationszeitraum umfasst die historischen Perioden ab 1971 und geht über in die Szenarienzeitraum bis 2100. Jede einzelne Modellkombination stellt eine mögliche Realisierung der klimatischen und meteorologischen Entwicklung dar. Betrachtet werden typischerweise Zeitscheiben von 30 Jahren, deren Variabilität und Mittel durch 30x17=510 Jahreswerte erklärt wird. Aus der Gesamtheit der Werte ergeben sich Bandbreiten, die sich sowohl aus der internen Variabilität als auch Modellunsicherheit zusammensetzen.

Zwischen Modell und Messung gibt es bekanntlich systematische Fehler. Für den historischen Vergleichszeitraum können diese quantifiziert werden, um eine Adjustierung (Angleichung) der Simulationswerte vorzunehmen. Dabei bleiben bestehende Trends in den Daten erhalten. In der Klimafolgenforschung gibt es dafür etablierte Verfahren (Lange, 2019). Denn die Größe des sogenannten Modell-Bias ist kein alleiniges Kriterium für die Bewertung von Klimamodellsimulationen.

Für die Angleichung der Modellwerte an Beobachtungswerte bedarf es Tagesdaten auf einem einheitlichen Gitter. Dieses ist durch den generierten Beobachtungsdatensatz vorgegeben. Um die Modellwerte auf das Beobachtungsgitter zu überführen, werden die Modelldaten zuerst auf das Stationsnetz übertragen. Dazu werden die Werte des nächstgelegenen Gitterpunktes dem Stationskoordinaten zugewiesen. Anschließend wird die Interpolation analog zum Basisdatensatz durchgeführt. Dieser Schritt stellt sicher, dass Simulationsdaten und Beobachtungsdaten die gleiche räumliche Zuordnung aufweisen. Auf diese Weise können klimatische Entwicklungen nahtlos in Karten- und Diagrammform dargestellt werden.

Die beiden Klimamodellensembles RCP2.6 und RCP8.5 spannen den möglicher Ereigniskorridor auf, innerhalb dessen sich das zukünftige Klima in Deutschland entwickeln kann. Bestehende Diskrepanzen zwischen beobachteten und simulierten Entwicklungen können zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht aufgelöst werden, da es sich um einen kontinuierlichen Prozess der Weiterentwicklung von Erkenntnissen im wissenschaftlichen Betrieb handelt. So sind Phänomene die anhaltende Trockenheit auslösen Gegenstand aktueller Forschung mit Relevanz über Sektoren der Klimafolgenforschung hinweg.

Tabelle: Simulationsmatrix der zugrundeliegenden Kombinationen regionalisierter Globalmodellsimulationen (GCMs) durch Regionalmodelle (RCMs): RCP8.5 – 17 Modelle, RCP2.6 – 7 Modelle. Für die freien Felder liegen keine Euro-Cordex Simulationen für die RCP Szenarien vor.

Weiterführende Literatur:
Lange, S.: Trend-preserving bias adjustment and statistical downscaling with ISIMIP3BASD (v1.0), Geosci. Model Dev., 12, 3055–3070, https://doi.org/10.5194/gmd-12-3055-2019, 2019.

Bandbreiten

Das zugrundeliegende regionale Klimamodellensemble umfasst sieben Simulationen für das RCP 2.6er Szenarium und 17 Simulationen für das RCP 8.5er Szenarium.
Zur Abschätzung der Bandbreiten wurden Modellunsicherheit und interne (Jahr-zu-Jahr) Variabilität zusammengeführt, sortiert und der Wert bei dem 10% und 90% der Werte unterhalb liegen für die Zeitreihendarstellung verwendet.
Auf der Karte werden nur die Mittelwerte dargestellt. Für einen 30-jährigen Zeitraum und einem Modellensemble von 17 Simulationen bedeutet das einen zur Verfügung stehenden Pool von 17 x 30 = 510 Jahreswerten für die jeweiligen  Klimaindikatoren.

Besonderheit: Im Beobachtungszeitraum resultiert die Bandbreite ausschließlich aus der internen Variabilität von 30 Jahreswerten. Vor diesem Hintergrund wurden zur Bandbreitenabschätzungen in den Szenariendaten die Modellunsicherheit und die interne Variabilität kombiniert.

Interpolation

Zur Darstellung der aus den täglichen Klimadaten abgeleiteten Klimaindikatoren wurde eine Methode angewendet, bei der die verfügbaren Informationen an den Standorten der Messstationen auf Gitterpunkte interpoliert wurden. Deren räumliche Auflösung beträgt ca. 4 x 4 km für das es auch Höhenwerte aus einem Digitalen Geländemodell gibt. Die Methode berücksichtigt u.a. bestehende Gradienten der Werte in verschiedenen Höhenstufen im Stationsnetz. Vor der eigentlichen Interpolation werden die Höheneffekte im Stationsnetz eliminiert. Der gesuchte Wert am entsprechenden Gitterpunkt wird dann durch eine gewichtete Summierung der Stationsdaten innerhalb eines vorgegebene Einflussradius (benachbarte Stationen) bestimmt, indem anschließend die Summe durch die Stationsanzahl geteilt wird. Der Höheneffekt wird dann im Anschluss auf das Zielgitter entsprechend der Höhenwerte aufgeprägt.

Weiterführende Literatur:
Cressie N., 1993, Statistics for spatial data, Wiley Series in Probability and Statistics
https://app.readthedocs.org/projects/pykrige/downloads/pdf/latest/](https://app.readthedocs.org/projects/pykrige/downloads/pdf/latest/

Beobachtungsdaten

Historische Beobachtungen der klimatischen Entwicklungen wie im Sektor Klima dargestellt, basieren auf Stationsdaten, die seit 1961 bis heute zum Messnetz des DWD gehören.
Sie liefern Tageswerte meteorologischer Messgrößen an ca. 220 synoptischen Stationen und an ca. 1200 Niederschlagsstationen.
Dieser Stationsdatensatz ist die Basis für die Homogenisierung und räumlichen Interpolation auf ein hochauflösendes Gitter unter Berücksichtigung topografischer Gegebenheiten. Bei der Homogenisierung und Interpolationen werden Werte benachbarter Stationen berücksichtigt. Die Berechnung von abgeleiteten Klimaindikatoren erfolgt auf den interpolierten täglichen Basisdaten. Mögliche Artefakte können im Einzelfall nicht ausgeschlossen werden.

Szenarienauswahl

Das Portal KlimafolgenOnline zeigt zwei der vier Haupt-Representative Concentration Pathways (RCPs): RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 und RCP8.5., sogenannte Repräsentative Konzentrationspfade. Diese wurden für den fünften Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) von der Wissenschaftsgemeinde erarbeitet.

Die im Portal verwendeten RCP-Szenarien 2.6 und 8.5 berücksichtigen unterschiedlich hohe treibhausgasinduzierte Strahlungsantriebe für den Zeitraum 2021-2100. Entscheidend für den jeweilig unterschiedlichen Temperaturanstieg in den Szenarien ist die Intensität des zukünftigen Klimaschutzes von 2021 bis 2100, die den Strahlungsantrieb sowie die Treibhausgaskonzentration beeinflussen.

Das Szenarium RCP 2.6 zeigt eine mögliche Entwicklung, die die weltweite Zwei-Grad-Obergrenze voraussichtlich einhält. Voraussetzung dafür ist ein starker Klimaschutz. Die Festlegung der Zwei-Grad-Obergrenze ist ein politisches Ziel, da  die Wissenschaft davon ausgeht, dass die Klimafolgen bei einer Erwärmung unterhalb dieser Temperatur noch beherrschbar wären. Nähere Informationen findet man im deutschen Synthesebericht des Fünften Sachstandberichts des IPCC. Dieses Dokument ist als PDF im Menü unter Klimawissen hinterlegt. Beim UN-Klimagipfel in Paris im Dezember 2015 haben 195 Staaten ein neues Abkommen gegen die Erderwärmung beschlossen. Demnach soll die Erderwärmung auf "deutlich unter zwei Grad" gegenüber vorindustriellen Bedingungen begrenzt werden.

Das Szenarium RCP 8.5 ist das Worst-Case-Szenarium. Es betrachtet eine mögliche Klimaentwicklung bei weiter steigenden Treibhausgasemissionen ohne zusätzliche Klimaschutzmaßnahmen. Daraus ergibt sich ein weltweit mittlerer Temperaturanstieg zwischen 3,6 °C und 4,1 °C bis 2100 gegenüber vorindustriellem Nineau, wenn man die derzeitig zur Verfügung stehenden Szenarienläufe der globalen Klimamodelle zugrunde legt.

In Deutschland liegt die mittlere Temperaturzunahme bis 2100 gegenüber vorindustriell im Bereich von +2°C (RCP2.6) und +5°C (RCP8.5).