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Konzept

Der Aufbau des Fachinformationssystems (FIS) Klimaanpassung Nordrhein-Westfalen ist eine Maßnahme des Klimaschutzplans. Ziel des FIS Klimaanpassung ist es dabei eine landesweite Daten- und Informationsgrundlage zur Abschätzung der Folgen des Klimawandels zu liefern, auf deren Basis Konzepte und Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel entwickelt werden können. Das FIS Klimaanpassung liefert somit eine umfangreiche Datengrundlage, stellt jedoch weder konkrete Anpassungsmaßnahmen, noch deren Umsetzung vor.

In erster Linie wurden Ergebnisse des Innovationsfonds, der Anpassungsstrategie NRW und der Anfälligkeitsstudie NRW aufbereitet. Insgesamt können Daten zu knapp 20 Parametern mit diversen Indikatoren in insgesamt sieben Handlungsfeldern des Klimaschutzplans bereitgestellt werden. Diese Daten sollen sukzessive erweitert werden.

Hintergrund

Der Klimawandel und seine Auswirkungen können bereits heute beobachtet werden. Dies hat auch der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC = Intergovernmental Panel on Climate Change) in seinem fünften Sachstandsbericht 2014 noch einmal verdeutlicht. Um die Risiken durch die Auswirkungen des Klimawandels zu senken, wurde durch die UN-Klimakonferenz im Dezember 2015 im Klimavertrag das Ziel festgehalten, die globale Erwärmung auf 2 °C gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu beschränken. Die Einhaltung des sogenannten „Zwei-Grad-Ziels“ ist mit umfassenden Klimaschutzmaßnahmen verbunden. Dennoch ist es wichtig, sich frühzeitig an die (unvermeidbaren) Folgen der Klimaveränderung anzupassen, um Schäden für die Natur und die Gesellschaft zu verhindern bzw. so gering wie möglich zu halten. Besonders in Bereichen mit langen Planungszeiträumen, beispielsweise in der Stadtplanung und der Forstwirtschaft, muss heute damit begonnen werden, Anpassungsmaßnahmen zu entwickeln und umzusetzen.

Nordrhein-Westfalen hat bereits 2013 ein Klimaschutzgesetz verabschiedet, das konkrete Ziele zur Reduktion der Treibhausgasemissionen vorsieht. Darüber hinaus werden im Dezember 2015 beschlossenen Klimaschutzplan Nordrhein-Westfalen konkrete Maßnahmen und Handlungskonzepte zusammengefasst, um die Klimaschutzziele zu erreichen und sich an die unvermeidbaren Folgen anzupassen. Ein erster Einblick in mögliche Maßnahmen und Handlungsfelder lieferte bereits die Anpassungsstrategie des Landes Nordrhein-Westfalen sowie die Untersuchung zur Anfälligkeit ausgewählter Sektoren (beides von 2009).

Innovationsfonds

Im Jahr 2008 wurde das Projekt „Klimawandel in NRW – innovative Maßnahmen einer Anpassungsstrategie“ (Innovationsfond) ins Leben gerufen. Unter dem Dach des Innovationsfonds wurden bis zum Jahr 2014 ca. 40 Projekte gefördert, die das Thema Anpassung an den Klimawandel untersuchten. Dabei reichten die Projekte von der Grundlagenforschung bis teilweise sogar zur Maßnahmenerprobung und deckten die Handlungsfelder Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Biologische Vielfalt, Wasserwirtschaft, Anlagensicherheit, Städte/Ballungsräume sowie Handlungsfeldübergreifende Themen ab. Die Ergebnisse dieser Innovationsfondsprojekte dienten zu einem großen Teil als Datengrundlage für die Erstellung des FIS Klimaanpassung.

Literatur

IPCC– Intergovernmental Panel on Climate Change (2013/14): Fifth Assessment Report (AR5)

UNFCCC – United Nations Framework Convention on Climate Change (2015): Adoption of the Paris Agreement.

MUNLV - Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (Hrsg.) (2009): Anpassung an den Klimawandel - Eine Strategie für Nordrhein-Westfalen.

PIK - Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung e.V. (2009): Klimawandel in Nordrhein-Westfalen - Regionale Abschätzung der Anfälligkeit ausgewählter Sektoren.

Methodik

Klimaprojektionen

Während das Klima der Vergangenheit und Gegenwart durch meteorologische Daten und Beobachtungen gut beschrieben werden kann, müssen für Aussagen zu möglichen zukünftigen Klimaentwicklungen physikalische Rechenmodelle herangezogen werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden als Klimaprojektionen bezeichnet.

Globale Klimamodelle beschreiben die Prozesse im Klimasystem (z.B. Strömungsvorgänge und Veränderungen der Temperatur und Feuchte) über physikalische Grundgleichungen (z.B. Massen-, Impuls, und Energieerhaltungsgesetze sowie Thermodynamische Hauptsätze). Dabei bestehen die Klimamodelle aus mehreren Teilmodellen, beispielsweise Atmosphären- und Ozeanmodellen.

Dennoch bergen die globalen Klimamodelle bzw. Teilmodelle eine Reihe von Unsicherheiten. Dazu gehören die Abschätzung der Entwicklung zukünftiger Treibhausgasemissionen/-konzentrationen (siehe auch Klimaszenarien), die Tatsache, dass nicht alle physikalischen und chemischen Prozesse in den Klimamodellen enthalten sein können und der Einfluss der Anfangsbedingung auf das Simulationsergebnis. Deshalb sollte für die Interpretation der Ergebnisse immer eine ausreichende Anzahl von Simulationen beziehungsweise Modellen betrachtet werden, ein sogenanntes Ensemble.

Eine Verfeinerung der Ergebnisse auf globaler Ebene wird durch die Verwendung regionaler Modelle erreicht. Sie liefern eine höhere räumliche Auflösung als die globalen Klimamodelle. Hierbei gibt es verschiedene Ansätze wie statistische und dynamische Modelle, die hier nicht näher erläutert werden. Weitere Informationen hierzu liefert zum Beispiel das Climate Service Center Germany (Klimamodelldaten, dynamisch und statistisch).

Ensemble

Ein Ensemble kann aus den Ergebnissen verschiedener Klimamodelle (Multimodellensemble) oder verschiedener Läufe eines Modells (ggf. mit geänderten Ausgangsbedingungen) bestehen. Wenn im Folgenden im Fachinformationssystem Klimaanpassung NRW von einem Modellensemble die Rede ist, wird hierunter ein Ensemble aus mehreren Kombinationen regionaler und globaler Klimamodelle verstanden. Dabei besteht das Modellensemble für die Auswertungen zum SRES-A1B-Szenario aus 19 Modellkombinationen, bei den RCP-Szenarien (4.5 und 8.5) hingegen aus 13 Modellkombinationen. Die Ergebnisse dieser Modellensembles wurden in Kooperation mit dem Deutschen Wetterdienst (DWD) ausgewertet.

Einige Parameter basieren hingegen noch auf einzelnen Modellläufen bzw. auf der separaten Darstellung von Läufen mehrerer Modelle auf Basis zum Teil verschiedener Klimaszenarien. Entsprechend vorsichtig sollten die Ergebnisse, die lediglich durch ein Modell/einen Lauf repräsentiert werden, interpretiert werden. Die Ergebnisse des Modellensembles sind aufgrund der Betrachtung der Spannweite der Modelle als robuster anzusehen.

Klimaszenarien

Grundlage für die Rechnungen der globalen Klimamodelle sind sogenannte Klimaszenarien, die im Folgenden beschrieben werden.

Zurzeit beschränken sich die Daten im FIS Klimaanpassung auf Modellsimulationen auf Basis der SRES-Szenarien. Zur Vollständigkeit werden hier auch die RCP-Szenarien beschrieben. Im Klimaatlas NRW liegen Lufttemperatur und Niederschlagsdaten sowohl auf Basis der SRES-, als auch der RCP-Szenarien vor.

SRES-Szenarien

Bis zum vierten Sachstandsbericht des IPCC (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen - Intergovernmental Panel on Climate Change) wurden die sogenannten SRES-Szenarien verwendet. Die Bezeichnung SRES geht auf einen Sonderbericht des IPCC aus dem Jahr 2000, dem Special Report on Emission Scenarios, zurück, der die Szenarien detailliert beschreibt (IPCC 2000).

Basierend auf möglichen gesellschaftlichen Entwicklungen hinsichtlich des Bevölkerungswachstums, des Umgangs mit fossilen und erneuerbaren Energien und wirtschaftlichen Faktoren, beschreiben die Klimaszenarien die zukünftige Entwicklung der Treibhausgasemissionen und –konzentrationen. Durch das Formulieren verschiedener Szenarien mit unterschiedlichen Schwerpunkten, kann eine gewisse Spannbreite des anthropogenen Einflusses auf die zukünftige Klimaentwicklung abgeschätzt werden. Die Einführung zusätzlicher Klimaschutzmaßnahmen wird jedoch nicht betrachtet.

Die SRES-Szenarien werden in vier Szenarien-Familien unterschieden (A1, A2, B1 und B2), die jeweils eine andere Historie (Modellgeschichte) haben. So wird bei den A1-Szenarien von einem raschen Wirtschaftswachstum, einer bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts anwachsenden und danach rückläufigen Weltbevölkerung sowie der schnellen Einführung neuer und effizienter Technologien ausgegangen. Die A1-Szenarienfamillie kann in drei Mitglieder (A1Fl, A1T, A1B) unterteilt werden, die nach den Nutzungsanteilen von fossilen und nicht-fossilen Energieträgern unterschieden werden (Deutsche IPCC Koordinierungsstelle 2008). Hervorgehoben werden soll hier das Szenario A1B, das eine ausgewogene Nutzung fossiler und nicht-fossiler Energieträger aufweist. Dieses Szenario diente für viele Untersuchungen als Grundlage und wurde auch für viele Parameter, die hier im Fachinformationssystem Klimaanpassung NRW vorgestellt werden, als Grundlage verwendet.

Die Szenarien-Familie A2 entspricht einer sehr heterogenen Welt, die auf dem Erhalt lokaler und regionaler Strukturen und Autarkien basiert. Sie wird durch ein hohes Bevölkerungswachstum charakterisiert. Darüber hinaus verlaufen die wirtschaftliche Entwicklung und der Technologiewandel langsamer als in den anderen Szenarien-Familien (Deutsche IPCC Koordinierungsstelle 2008, IPCC 2000).

In der Szenarien-Familie B1 wird von einer sich einander annähernden (konvergenten) Welt ausgegangen. Der Verlauf der Bevölkerungsentwicklung entspricht der Szenarien-Familie A1. Die wirtschaftliche Entwicklung hingegen verläuft schnell in Richtung Dienstleitungs- und Informationswirtschaft mit Steigerung der technischen Effizienz und dem Fokus auf sozialer, wirtschaftlicher und umwelttechnischer Nachhaltigkeit, die durch globale Zusammenarbeit erreicht wird (Deutsche IPCC Koordinierungsstelle 2008, IPCC 2000).

Die Szenarien-Familie B2 hingegen beschreibt wieder eine heterogene Welt mit starken lokalen Strukturen. Darüber hinaus steigt die Weltbevölkerung kontinuierlich an, wenn auch langsamer als im Szenario A2 angenommen. Die wirtschaftliche Entwicklung befindet sich im Vergleich zu den anderen Szenarien auf einem mittleren Niveau, technischer Fortschritt zeichnet sich durch Diversität aus. Wie bei Szenario B1 liegt der Fokus auf sozialer, wirtschaftlicher und umwelttechnischer Nachhaltigkeit, die jedoch auf lokaler und regionaler Ebene angestrebt wird (Deutsche IPCC Koordinierungsstelle 2008, IPCC 2000).

RCP- Szenarien

Die RCP-Szenarien kamen im fünften Sachstandbericht des IPCC (2013/2014) zum Einsatz. Die Bezeichnung RCP steht für Repräsentative Konzentrationspfade (englisch: Representative Concentration Pathways). Diese neuen Konzentrationsszenarien unterscheiden sich von den bisherigen Emissionsszenarien durch vom Jahr 2100 ausgehenden Strahlungsantriebswerten, die - quasi rückwärts - auf mögliche Treibhausgaskonzentrationen rückschließen. Dementsprechend werden sie auch nach den Strahlungsantriebswerten, die sie im Jahr 2100 erreichen, bezeichnet. Dabei werden vier RCP-Szenarien unterschieden: RCP2.6, RCP4.5, RCP6 und RCP8.5.

Das RCP-Szenario 2.6 stellt dabei einen Sonderfall dar, da es den maximalen Wert des Strahlungsantriebs bereits vor 2100 erreicht und danach rückläufige Werte aufweist. Es ist das ambitionierteste Szenario unter den RCP-Klimaszenarien. Nur durch die Implementierung von globalen Klimaschutzmaßnahmen und Techniken zur CO2-Speicherung ist es zu verwirklichen. Der Verlauf des RCP2.6 spiegelt die Einhaltung des sogenannten „2-Grad-Ziels“ wider und wird auch als „Klimaschutz-Szenario“ bezeichnet. Das Szenario RCP8.5 ist hingegen als „weiter-wie-bisher“-Szenario zu sehen. Es könnte bei einem steigenden Verbrauch fossiler Energieträger und daraus resultierenden weiterhin steigenden Treibhausgasemissionen eintreten.

Der Vorteil der RCP-Szenarien gegenüber der alten SRES-Szenarien besteht in erster Linie darin, dass die Klimamodelle direkt mit dem Strahlungsantrieb als Eingangsgröße rechnen können und des Weiteren unterschiedliche Zusammensetzungen und Anteile von Bevölkerungswachstum, wirtschaftlicher Entwicklung, Klimaschutzmaßnahmen etc. für die entsprechenden Treibhausgaskonzentrationspfade berücksichtigt werden können.

Strahlungsantrieb

Der Strahlungsantrieb stellt ein Maß für die Klimawirkung verschiedener Einflussfaktoren auf den Energie- und Strahlungshaushalt der Erde dar. Er bezieht sich dabei auf die Energiebilanz der Erde am oberen Rand der Atmosphäre. Diese sollte ungestört im Gleichgeweicht sein, d. h. die einfallende Strahlung entspricht der Summe aus reflektierter Strahlung und langwelliger Ausstrahlung. Der Strahlungsantrieb gibt somit Veränderungen dieses Gleichgewichts an. Der Strahlungsantrieb kann positiv, d. h. den Klimawandel verstärkend, oder negativ sein, wobei er eine kühlende Wirkung auf das Klima ausübt. Sowohl natürliche Prozesse (z. B. ein negativer Klimaeffekt durch Sulfataerosole nach einem Vulkanausbruch) als auch anthropogene Einflussfaktoren (z. B. erhöhte Treibhausgaskonzentration durch industrielle Prozesse, die einen positiven Klimaeffekt bedingen) können als Strahlungsantrieb in Watt pro Quadratmeter abgebildet werden (Bezugsgröße ist die Nettostrahlungsflussdichte an der Obergrenze der Atmosphäre).

Ergebnisdarstellung Karten

Eine Übersicht der Ergebnisse wird im Textteil Parameter des jeweiligen Handlungsfeldes als Abbildung gegeben. Darüber hinaus gibt es eine Kartenanwendung , in welcher die Ergebnisse separat dargestellt werden können. Die dort abrufbaren Karten sind auch über wms-Dienste abrufbar, die sich nach den Handlungsfeldern gliedern:

Gegenwart

Die Flächenkarten werden in monatlicher bzw. jährlicher Auflösung auf der Basis von Daten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) berechnet, sofern bei der Parameterbeschreibung keine abweichenden Angaben erfolgen. Der DWD unterhält ein umfangreiches und langjähriges Stationsnetz, das mit unterschiedlichster Messtechnik und Sensorik Daten zu beispielsweise Temperatur, Niederschlag und Sonnenscheindauer erhebt. Die Daten werden nach international festgelegten Normen gewonnen und stehen meist seit 1951 zur Verfügung. Der DWD interpoliert die Stationsdaten unter Berücksichtigung der Geländetopographie auf ein Raster von 1 km × 1 km, sodass sich Flächenkarten für NRW ergeben. Die Flächenkarten auf Jahresbasis werden zu zeitlichen Mittelwerten für verschiedene 30-Jahres-Perioden aggregiert. Die Auswertung erfolgte für die Zeiträume 1951-1980, 1961-1990, 1971-2010 sowie 1981-2010, sofern die Daten vorhanden sind, wird zusätzlich die Änderung zwischen den überschneidungsfreien Klimanormalperioden 1981-2010 und 1951-1980 als Flächenkarte berechnet.

Zukunftsprojektionen

Für die Auswertung der Ergebnisse wurde die sogenannte delta-change-Methode verwendet. Dabei werden die Ergebnisse als Differenz zwischen den Simulationen des gegenwärtigen/vergangenen Klimas und den Simulationen für die Zukunft dargestellt. Die Ergebnisse werden jeweils als Mittelwerte 30-jähriger Bezugszeiträume berechnet. Als Referenzzeitraum, auf den sich die projizierten Klimaveränderungen der Zukunft beziehen, wurde der Zeitraum 1971 bis 2000 zu Grunde gelegt. Die Ergebnisse der Klimamodellierung wurden für zwei 30-jährige Zeiträume in der Zukunft berechnet: Die „nahe Zukunft“ (2021-2050) und die „ferne Zukunft“ (2071-2100).

Da die globalen und regionalen Klimaprojektionen auf Modellen basieren, beinhalten sie eine Reihe von Unsicherheiten. Dazu gehören die Abschätzung der Entwicklung zukünftiger Treibhausgasemissionen/-konzentrationen, die Tatsache, dass nicht alle physikalischen und chemischen Prozesse in den Klimamodellen enthalten sein können und der Einfluss der Anfangsbedingung auf das Simulationsergebnis. Deshalb sollte für die Interpretation der Ergebnisse immer eine ausreichende Anzahl von Simulationen beziehungsweise Modellen miteinbezogen werden.

Die verschiedenen Klimamodelle liefern dabei unterschiedliche Ergebnisse, die alle grundsätzlich als gleich wahrscheinlich anzusehen sind. Um einen Korridor aufzuzeigen, in dem die zu erwartenden Klimaveränderungen unter Annahme der verschiedenen Szenarien in Nordrhein-Westfalen wahrscheinlich eintreten werden, wird jeweils das 15., das 50. und das 85. Perzentil der Klimaprojektionen dargestellt (vgl. DWD 1996-2014).

Perzentile

Perzentile geben die Lage bestimmter Werte in einer statistischen Verteilung wieder. Sie sind somit den Quantilen gleichzusetzen, werden der Anschaulichkeit halber aber auf eine Grundgesamtheit von 100 Prozent bezogen. Um Perzentile oder Quantile bestimmen zu können werden die Werte der Verteilung der Größe nach geordnet. Das 25 %-Perzentil beschreibt dann den Wert der Verteilung, bei welchem 25 Prozent der Werte kleiner sowie 75 Prozent der Werte größer sind. Das bekannteste Perzentil stellt das 50 %-Perzentil dar, das auch Median genannt wird. Es teilt die Werte so, dass 50 Prozent der Werte in der Verteilung größer sind sowie 50 Prozent der Werte kleiner sind als das 50 %-Perzentil.

Auf die Auswertung und Darstellung der Klimaprojektionen übertragen bedeutet dies, dass zunächst die Ergebnisse aller Modelle für den jeweiligen Parameter der Größe nach geordnet werden. Für die Darstellung werden das 15%-Perzentil (15. Perzentil), das 50%-Perzentil (50. Perzentil) sowie das 85%-Perzentil (85. Perzentil) betrachtet. Beim 15. Perzentil zeigen somit 15 Prozent der Modelle geringere Ergebnisse bzw. Veränderungen als sie in der entsprechenden Karte dargestellt werden. Beim 85. Perzentil zeigen hingegen 15 Prozent der Modelle größere Ergebnisse bzw. Veränderungen. Das 50. Perzentil hingegen teilt die Modellergebnisse, so dass 50 Prozent der Modelle geringere und 50 Prozent größere Ergebnisse bzw. Veränderungen zeigen. Durch die Auswertung der Ergebnisse für die ausgewählten Perzentile kann somit eine gewisse Spanne der möglichen klimatischen Entwicklung angegeben werden. Bei den dargestellten Perzentilen werden somit 70 Prozent der Modellergebnisse abgedeckt, wohingegen mögliche Extremwerte nicht dargestellt werden. Eine anschauliche Erläuterung findet sich auch auf den Internetseiten des DWD (DWD 2015).

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass eine gewisse Bandbreite von verschiedenen Modellergebnissen dargestellt werden kann, während einige Extremwerte keine Berücksichtigung finden.

Literatur

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (2000): Special Report on Emission Scenarios.

IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change (2000): Summary for Policymakers – Emissions Scenarios.

Deutsche IPCC Koordinierungsstelle (Hrsg.) (2008): Klimaänderung 2007 – Synthesebericht.

DWD - Deutscher Wetterdienst (Hrsg.) (2015): Deutscher Klimaatlas: Erläuterungen – Erläuterungen zu den Klimaszenarien.