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Klimamodell-Vergleichsprojekt CMIP5
"Coupled Modelling Intercomparison Project 5"

Seit Beginn 2011 werden auf den Systemen des DKRZ umfangreiche Szenarienrechnungen für den deutschen Beitrag zum fünften IPCC Bericht (IPCC AR5) durchgeführt, der im Oktober 2014 fertig gestellt werden soll. Zur Unterstützung des IPCC hat die internationale Klimaforschungsgemeinde ein Vergleichsprojekt für koordinierte Experimente mit Klima- und Erdsystemmodellen organisiert, das sogenannte "Coupled Modelling Intercomparison Project 5" (CMIP5), um damit aktuelle Fragen bzgl. der Mechanismen und der Charakteristik der Klimaänderung zu erforschen. In CMIP5 wurden Experimente zu verschiedenen Themen ausgearbeitet:

RCPs Emissions

RCP 2.6, RCP4.5, RCP8.5 Radiative Forcing 400

• Basisexperimente: z.B. für den historischen Zeitraum von 1850 bis 2005.

• Projektionen bis 2100 und 2300 für unterschiedliche Szenarien

• Dekadische Klimavorhersagen

• Rolle des Kohlenstoffkreislaufs für Klimaänderungen

• Die fernere Vergangenheit, z.B. die Jahre 850 bis 1850 oder das letzte glaziale Maximum

Die standardisierten Experimente zu diesen Themen wurden weltweit von ca. 20 Klimamodellierungsgruppen mit ihren jeweiligen neuesten Klima- bzw. Erdsystemmodellen durchgeführt.

Das Modell

Für die CMIP5 Simulationen am DKRZ wurde das am Max-Planck-Institut für Meteorologie entwickelte Erdsystemmodell MPI-ESM eingesetzt.

MPI-ESM basiert auf den Komponenten ECHAM6 für die Atmosphäre und MPIOM für den Ozean, sowie JSBACH für die Landbiosphäre und HAMOCC für die Biogeochemie im Ozean. Die Kopplung zwischen Atmosphäre mit Land einerseits und Ozean mit Biogeochemie andererseits erfolgt durch das separate Koppler-Programm OASIS3. Durch die Kopplung werden Energie, Impuls, Wasser und CO2 ausgetauscht.

Dieses neue Modell ist gegenüber ECHAM5/MPIOM, dem Hamburger IPCC-AR4 Modell, um die Simulation des Kohlenstoffkreislaufs erweitert worden und erlaubt damit auch Aussagen zur Wirkung einer Klimaänderung auf den Kohlenstoffkreislauf selbst.

Das Modell wird je nach Experiment mit unterschiedlichen räumlichen Auflösungen eingesetzt.

T63L47/GR15L40 ("LR" - Low Resolution)

• Atmosphäre: horizontale Auflösung von etwa 200 km(1.875 Grad) bei 47 Schichten (bis 0.01 hPa / 80 km Höhe)

• Landbiosphäre (interaktive Vegetation): horizontal wie Atmosphäre aufgelöst

• Ozean inkl. Biogeochemie: variable horizontale Auflösung von 12 bis 150 km bei 40 Schichten

T63L95/TP04L40 ("MR" - Mixed resolution)

• Atmosphäre: horizontale Auflösung von etwa 200 km (1.875 Grad) und höhere vertikale Auflösung von 95 Schichten (bis 0.01 hPa / 80 km Höhe)

• Landbiosphäre (interaktive Vegetation): horizontal wie Atmosphäre aufgelöst

• Ozean inkl. Biogeochemie: variable horizontale Auflösung von durchschnittlich 0.4 Grad (40 km) bei 40 Schichten

Die Szenarien

Im Hinblick auf den fünften Klimasachstandsbericht (Assessment Report) des Weltklimarates (IPCC) wurde ein neuer Satz Szenarien definiert, um der gestiegenen Komplexität der Modelle Rechnung zu tragen und um die Auswirkungen unterschiedlicher politischer Massnahmen untersuchen zu können.

Die als Representative Concentration Pathways (RCPs) bezeichneten Szenarien entsprechen in etwa der Bandbreite möglicher zukünftiger Emissionsverläufe. Für den Zeitraum 1860 bis 2005 entspricht der Verlauf des Strahlungsantriebes bzw. der Treibhausgas-Konzentrationen der beobachteten Vergangenheit. Für die Zeit danach, von 2006 bis 2100, entsprechen die RCPs verschiedenen möglichen Zukünften. Je nach Bevölkerungsentwicklung,Entwicklung der Energieproduktion, der Nahrungsmittelproduktion und Landnutzung ergeben sich unterschiedliche Emissionsverläufe.

Mit einem einfachen Kohlenstoffkreislauf-Klimamodell wurden daraus die dazu passenden Verläufe der CO2-Konzentration sowie der Konzentration anderer Treibhausgase und Aerosole berechnet. Diese entsprechen einer Änderung der Strahlungsbilanz: der zusätzliche Treibhauseffekt bewirkt - je nach Szenario - einen Anstieg um 2,6 bis 8,5 W/m2 bis zum Jahr 2100.


Representative Concentration Pathways (RCPs)

Die Namen der Szenarien ergeben sich aus dem jeweils 2100 erreichten Zuwachs des Strahlungsantriebes:

RCP2.6 der Strahlungsantrieb erreicht zunächst 3 W/m2 (entsprechend 490 ppm CO2-Äquvivalent) und sinkt bis 2100 ab auf 2,6 W/m2
RCP4.5 Stabilisierung mit Überschwingen. 4,5 W/m2 im Jahr 2100 (~650 ppm CO2-Äquvivalent)
RCP6 Stabilisierung mit Überschwingen. 6 W/m2 im Jahr 2100 (~850 ppm CO2-Äquvivalent) [hier nicht dargestellt, da dieses Szenario nicht im Rahmen der Hamburger Rechnungen simuliert wurde.]
RCP8.5 steigender Strahlungsantrieb, der 2100 8,5 W/m2 (entsprechend 1370 ppm CO2-Äquvivalent) überschreitet.

Auch für den Zeitraum danach - für 2006 bis 2300 - sind die RCPs weitergeführt worden. Diese Erweiterungen (Extended Concentration Pathways - ECPs) bieten die Möglichkeit, mögliche längerfristige Auswirkungen des globalen Wandels zu studieren.

Für die Hamburger Simulationen für den deutschen Beitrag zu IPCC AR5 wurden die Szenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 ausgewählt.

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Meerausausdehnung und Temperaturanomalien
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Waldflächenanteile und Karbonatsättigung
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Temperaturmittelwerte im Vergleich zu 1986 - 2005
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Quellen:

http://www.dkrz.de/Klimaforschung/konsortial/ipcc-ar5
van Vuuren, D. P., J. Edmonds, M. L. T. Kainuma, K. Riahi, A. Thomson, T. Matsui, G. Hurtt, J.-F. Lamarque, M. Meinshausen, S. Smith, C. Grainer, S. Rose, K. A. Hibbard, N. Nakicenovic, V. Krey and T. Kram (2011). "Representative Concentration Pathways: an overview." Climatic Change (Special Issue). DOI:10.1007/s10584-011-0148-z

Quelle: Text Deutsches Klimarechenzentrum (DKRZ) und Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Februar 2012

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