Klimawandel und Attributions-forschung

Was ist eigentlich der Klimawandel und was gehört zur Attributionsforschung? Die Seite bietet einen kurzen Überblick zur Thematik und stellt nützliche Links zur Verfügung.

Mehr dazu
Starkregen

© Hermann/Richter Pixabay

Was ist der Klimawandel?

Der Klimawandel und die damit einhergehende Klimakrise stellen aktuell eine der größten Gefahren für die Menschheit dar. Die wesentlichen Auswirkungen des Klimawandels schreiten schneller voran als je zuvor. Doch wie genau funktioniert die globale Erwärmung?

Unsere Erdatmosphäre setzt sich natürlicherweise aus verschiedenen Gasen zusammen, die kurzwellige Sonnenstrahlung größtenteils durchlassen, aber (langwellige) Wärmestrahlung, die die Erde abstrahlt, absorbieren und damit das System aufheizen. Vor allem Wasserdampf und Kohlendioxid absorbieren Teile der von der Erdoberfläche abgegebene Wärmestrahlung und verringern damit den Anteil der Wärmestrahlung, die in den Weltraum abgegeben werden. Dieser sogenannte natürliche Treibhauseffekt bewirkt, dass die globale durchschnittliche Lufttemperatur in Bodennähe etwa 15 °C beträgt. Ohne Treibhausgase in der Atmosphäre läge die mittlere Temperatur bei -18 °C, wodurch ein Leben auf der Erde, wie wir es heute kennen, undenkbar wäre.

Der menschengemachte Klimawandelt verstärkt diesen natürlichen Treibhauseffekt, bei dem eine Ansammlung von Gasen in der Atmosphäre zu einer stärkeren Erwärmung der unteren Luftschichten führt. Zu den vom Menschen mitverursachten, treibhauswirksamen Gasen gehören Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan (CH4) und Stickstoffmonoxid (N2O, Lachgas). Obwohl CH4 und N2O, die größtenteils durch die Industrie sowie Land- und Viehwirtschaft entstehen, deutlich kürzer in der Atmosphäre verbleiben, haben sie durch ihr Absorptionspotenzial ein deutlich höheres Erwärmungspotenzial (über einen Zeitraum von 100 Jahren entspricht dies einem 28-mal größerem Einfluss auf die globale Erwärmung) als CO2, das hauptsächlich bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern und durch großflächige Entwaldung angereichert wird (Umweltbundesamt, 2021). Seit dem 18. Jahrhundert sind mit dem Beginn der Industrialisierung und der damit einhergehenden Nutzung von natürlichen Ressourcen die Treibhausgase in der Atmosphäre deutlich gestiegen, weshalb sich die Wissenschaft auf die vorindustrielle Durchschnittstemperatur als Vergleichswert zu kontemporären Temperaturveränderungen bezieht (Klima-Wissen, 2023). 

Abbildung 1: Proxy (indirekte) Messung, CO2 Konzentration in ppm (parts per million) von 800.000 v. C. bis heute (NASA, 2024)

 

In Abbildung 1 ist zu erkennen, dass die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den letzten Jahrtausenden nie einen Wert von circa 300 ppm (parts per million) überstiegen hat. Seit Beginn der direkten Messung 1958 in Hawaii (vorherige Daten stammen aus Eiskern-Bohrungen) ist sie jedoch kontinuierlich auf einen neuen Höchststand bis zu 427 ppm in den Monaten April bis Juni 2024 gestiegen (NOAA, 2024). Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um die CO2-Konzentration. Es werden keine anderen Treibhausgase, wie beispielsweise, Methan und Lachgas, betrachtet. Die Wirkung von allen Treibhausgasen wird regelmäßig, zum besseren Verständnis als CO2eq (Kohlenstoffdioxidäquivalente) umgerechnet angegeben. Dieser Wert drückt die Erwärmungswirkung einer bestimmten Menge eines Treibhausgases über einen festgelegten Zeitraum (meist 100 Jahre) im Vergleich zu derjenigen von Kohlenstoffdioxid aus. Beispiel: Im Jahr 2021 lag der CO2eq Wert bei 508 ppm (Umweltbundesamt, 2023) im Vergleich zum reinen CO2 Gehalt von 415 ppm im selben Jahr (Our World in Data, 2024).

Im Vergleich zum vorindustriellen Niveau haben anthropogene Treibhausgase bereits jetzt eine Erhöhung der mittleren globalen Oberflächentemperatur um 1,1 °C im Zeitraum zwischen 1880 und 2023 verursacht (NOAA, 2024). Dabei wird bei einer anhaltenden Erderwärmung ein Anstieg auf 1,5 °C zwischen 2030 und 2052 erwartet, der massive regionale klimatische Veränderungen mit sich ziehen wird, wie extreme Hitzewellen (IPCC, 2018). Dabei spricht der Weltklimarat (engl. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) davon, dass es nahezu sicher sei, dass bereits seit den 1950er Jahren Hitzeextreme häufiger und intensiver und Kälteextreme seltener und weniger schwerwiegend geworden seien. Dabei schließen Forscher:innen mit hoher Wahrscheinlichkeit auf den anthropogenen Klimawandel als Hauptantriebsfaktor für diese klimatischen Veränderungen (IPCC AR5 WG I 2021).

Der klimatische Einfluss auf Wetterphänomene am Beispiel von El Niño

Klimatische Klimatische Veränderungen, wie beispielsweise ansteigende Lufttemperaturen, können sich auch auf meteorologische Phänomene auswirken. Ein Beispiel dafür sind die Phänomene El Niño (warmer Zyklus) und La Niña (kalter Zyklus) im Südpazifik, die einen erheblichen Einfluss auf das weltweite Wetter haben. Die Auswirkung des Klimawandels auf diese beiden natürlichen Wetterphänomene sind nicht gravierend, sollten in Analysen jedoch trotzdem berücksichtigt werden. Eine Gruppe an Forschenden fand in diesem Zusammenhang heraus, dass sich die oberste Wasserschicht des Ozeans durch den Klimawandel schneller erhitzt und somit einen stärkeren Einfluss auf die Windströme über dem Pazifik hat, wodurch die typischen El-Niño-Wetterlagen ein extremeres Ausmaß annehmen können (Cai, 2018).

 

Unterschied Wetter und Klima

Ist das Wetter oder Klima?

Die Sonne scheint, es sind 18 °C und kaum Wolken am Himmel. Das ist unser Wetter! Es handelt sich um lokale Wetterbegebenheiten zu einem bestimmten Zeitpunkt oder kurzen Zeitraum, also um den aktuellen, physikalischen Zustand der Atmosphäre. Dazu zählen quantifizierbare Parameter wie beispielsweise Lufttemperaturen und Luftdruck, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit oder Windgeschwindigkeit (DWD). Das Klima hingegen ist eine Zusammenfassung der Wettererscheinungen über einen längeren Zeitraum hinweg, die den mittleren Zustand der Atmosphäre charakterisieren (weshalb von der (globalen) Durchschnittstemperatur gesprochen wird). Dabei wird durch die statistischen Gesamteigenschaften (Mittelwerte, Extremwerte, Häufigkeiten, Andauerwerte u.a.) ein längerer Zeitraum, in der Regel 30 Jahren, analysiert. Jedoch sind bei der Klimaanalyse auch kürzere oder längere Zeitspannen von wichtiger Bedeutung (DWD).

Was ist der IPCC?

Der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), auch bekannt als der Weltklimarat, ist ein zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen. 1988 wurde der IPCC vom Umweltprogramm der Vereinten Nationen (UNEP) und der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) ins Leben gerufen und arbeitet somit unter dem Dach der Vereinten Nationen. Die zentralen Aufgaben des IPCC sind es, die wissenschaftliche Forschung zum Klimawandel für politische Entscheidungstragende zusammenzufassen und dient zudem als Input für internationale Klimaverhandlungen. Dabei geht es um die wissenschaftliche Bewertung der Auswirkungen der globalen Erwärmung und ihre Risiken sowie Minderungs- und Anpassungsstrategien, die in einem sogenannten Sachstandsbericht (Assessment Report) zusammengefasst werden. Die Forschung wird in drei Arbeitsgruppen unterteilt: Naturwissenschaftliche Grundlagen des Klimawandels (WG I), Folgen des Klimawandels, Verwundbarkeit und Anpassung (WG II) und Minderung des Klimawandels (WG III). Aktuell verfügt der IPCC über 195 Mitgliedstaaten und tausende Forschende der ganzen Welt, die zu den Berichten beitragen und durch freiwilliges Engagement den Sachstand aufarbeiten (IPCC, 2021).

Klimawandel in deutschland

In Deutschland haben wir bereits eine durchschnittliche Erwärmung von 2 °C erreicht (siehe Abbildung 2). Des Weiteren erleben wir in Deutschland eine deutliche Zunahme an Wärmerekordjahren (siehe Abbildung 3). Neun von zehn der heißesten Jahre seit Beginn der Wetteraufzeichnung 1881 sind nach dem Jahr 2000 aufgetreten. Das aktuell heißeste Jahr in Deutschland war 2023 mit einer Durchschnittstemperatur von 10,6 °C (DWD). Doch bereits im Vorjahr wurden zahlreiche bisherige Messungen übertroffen. 2022 erreichten in Hamburg acht Tage in Folge Tageshöchstwerte über 30 °C und zählt somit zu den längsten aufeinanderfolgenden Tagen mit ununterbrochener Hitze seit 1891 an diesem Standort. Ende Juli 2022 wurde ebenfalls eine Rekordtemperatur von 40,1 °C in Hamburg gemessen, eine Temperatur, die noch nie in einem soweit nördlichen Teil Mitteleuropas gemessen wurde (DWD und ExtremWetterKongress, 2023). Auch eine Zunahme der Häufigkeit und Intensität von Starkregenereignissen ist aufgrund der mit höheren Temperaturen steigenden Wasserhaltekapazität der Atmosphäre physikalisch möglich. Starkniederschlagsauswertungen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zeigen Anstiegstendenzen, jedoch weisen aufgrund der großen zeitlichen und räumlichen Variabilität des Niederschlags und z. T. noch zu kurzen Messzeitreihen bislang noch keine statistisch belastbaren Veränderungen darauf hin, dass eine Zunahme von Starkregen eine weitere Folge des Klimawandels in Deutschland sein könnte. Bisher ist die radarbasierte Datenreihe für subtägliche Starkregenereignisse zu kurz für die Ableitung statistisch belastbarer Trends (DKK et al., 2023). Dies zeigt, dass der Klimawandel viele Lebensbereiche tangiert und nicht nur Auswirkungen auf das Leben außerhalb Deutschlands hat.

Abbildung 2: Abweichung der Temperatur für Deutschland und weltweit vom langjährigen Mittel 1961-1990 (DWD)

Abbildung 3: Mittlere jährliche Anzahl der Heißen Tage (d.h. Tage mit einer Höchsttemperatur von mindestens 30 °C.) (DWD)

Attributionsforschung

In Verbindung mit den infolge des menschlichen Handelns weltweit steigenden Temperaturen wird auch eine Veränderung der Eintrittswahrscheinlichkeit meteorologischer sowie klimatologischer Extremereignisse erwartet. So kann beispielsweise die Luft einem einfachen physikalischen Prinzip zufolge z. B. umso mehr Wasserdampf aufnehmen, desto wärmer sie ist. Damit nimmt auch das Potenzial für Starkniederschläge grundsätzlich zu. Allerdings sind auch immer andere Faktoren für das tatsächliche Auftreten von Starkniederschlägen mit verantwortlich, so dass es trotz dieser Voraussetzungen nicht zwingend auch zu einer Zunahme der Häufigkeit solcher Ereignisse kommen muss. Vielmehr sind regionale Unterschiede zu erwarten, sowohl auf der globalen Skala als auch auf der nationalen Skala in Deutschland. Das gleiche Prinzip gilt im Wesentlichen auch für andere Extremereignisse wie z. B. Stürme oder Hitzewellen. Auch hier entscheiden weitere Faktoren, wie z. B. eine möglicherweise veränderte globale Zirkulation, mit darüber, inwieweit eine bestimmte Region real von derartigen Veränderungen betroffen ist. Dementsprechend besteht ein wachsendes Interesse am tatsächlichen Ausmaß des Klimawandeleinflusses auf Extremereignisse. Dabei stellt sich zunächst die Frage, ob und ggf. inwieweit die fortschreitende Erderwärmung die Häufigkeit und Eigenschaften extremer Wetterereignisse bereits verändert hat. Darüber hinaus benötigen Politik und Gesellschaft möglichst auch eine Abschätzung über die zukünftige Entwicklung.

Eine Auswertung von in der Vergangenheit gemessener meteorologischer Daten ist leicht möglich. Jedoch stoßen die Forschenden in der Praxis hier schnell auf Herausforderungen. Zunächst sind Extremereignisse schon per Definition selten. Letztlich unterliegt das Klima immer auch natürlichen Schwankungen. Diese so genannte „natürliche (oder auch interne) klimatische Variabilität“ überlagert den durch den Menschen verursachten Anteil, was eine eindeutige Zuordnung aktuell noch nicht möglich macht. Insgesamt werden daher für einen erfolgreichen Nachweis veränderter Häufigkeiten mittels extremwertstatistischer Methoden sehr lange Beobachtungszeitreihen benötigt, die so zumeist noch nicht vorliegen.

Eine Alternative bietet die Wissenschaft der Attribution. Der aus dem lateinischen stammende Begriff Attribution bezeichnet hierbei die Zuordnung von Eigenschaften. Dabei wird von einer tatsächlich vorhandenen Ursache-Wirkungs-Beziehung ausgegangen. Im Bereich der Klimawissenschaften wird konkret untersucht, ob der bereits voranschreitende Klimawandel schon zu einer geänderten Häufigkeit von Extremereignissen geführt hat. Dieses Forschungsfeld ist noch sehr jung. Weltweit besteht ein sehr hohes Interesse an dieser Thematik. Das gilt umso mehr, da die Methodik auch dafür verwendet werden kann, Aussagen für die Zukunft abzuleiten.

Die Ergebnisse der Forschung werden genutzt, um wichtige Zielgruppen der Politik, der Wissenschaft und der Gesellschaft mit wissenschaftlichen Erkenntnissen zu informieren. Da oft nach dem Zusammenhang zwischen Klimawandel und dem Auftreten von Extremereignissen gefragt wird, möchte die Attributionsforschung diese Frage evidenzbasiert beantworten. Darüber hinaus verfolgt die Forschung das Ziel, die Bevölkerung über das steigende Risikopotenzial von Extremereignissen sowie die damit einhergehende potenzielle Risikoreduzierung für zukünftige Ereignisse in Kenntnis zu setzten.

Die Herangehensweise bei einer Attributionsstudie ist demnach wie folgt:

  1. Das Ereignis wird definiert. Hier gilt ein Orts- und Zeitbezug.
  2. Es folgt eine Analyse, ob das Ereignis durch Klimamodelle simuliert werden kann und ob die beobachteten Häufigkeiten reproduziert werden. Wenn Ja, dann:
  3. Wird die Eintrittswahrscheinlichkeit in den Datensätzen mit und ohne Klimawandel untersucht. Frage: Tritt eine Änderung auf und wenn ja ist diese robust?
  4. Letztlich folgen die Kommunikation der Ergebnisse und die Dokumentation der zugrunde liegenden Annahmen und gewählten Vorgehensweise zur Erstellung der Studie

 

Für diese Untersuchung werden umfangreiche Datensätze benötigt. Um den Einfluss des Klimawandels zu analysieren, werden diese Klimasimulationen mehrmals durchgeführt, einmal unter der Verwendung aller bekannter menschlichen Einflüsse und einmal ohne Berücksichtigung des menschengemachten Klimawandels (DWD). Durch den direkten Vergleich beider Welten lässt sich ein möglicher Unterschied in der Häufigkeit und Intensität von extremen Naturereignissen dem menschengemachten Klimawandel zuschreiben. Nach einer durchgeführten Analyse der Unterschiede können Eintrittswahrscheinlichkeiten für extreme Naturereignisse und deren Intensitätsunterschiede ermittelt werden. Dabei wird veranschaulicht, wie hoch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten und die Intensität eines Extremereignisses in einer bestimmten Region ist.

Demnach tritt eine Hitzewelle, wie im Jahr 2019 in Deutschland, etwa alle 10-30 Jahre auf. Ohne den Einfluss des anthropogenen Klimawandels hätte ein solches Ereignis eine Wiederkehrperiode von einigen Jahrzehnten bis 100 Jahre gehabt und wäre bis zu 1.5-3 °C kühler gewesen (WWA, 2019). Einen sogar noch stärkeren Einfluss hatte der Klimawandel auf die Hitzewelle im Juli 2023 im Südwesten der USA, in Mexiko, Südeuropa und China.

Im Juli 2021 sorgten heftige Regenfälle in weiten Teilen Westeuropas zu starken Überflutungen, hohen sozioökonomischen Schäden sowie knapp 200 Todesopfern. Besonders betroffen waren Regionen in Belgien, Nord-Rhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. Ein Konsortium aus verschiedenen Forschenden aus Deutschland, Belgien, den Niederlanden, Schweiz, Frankreich, Luxemburg, USA und UK, hat gemeinsam das Ereignis analysiert und sich dabei besonders auf die Regionen entlang der Ahr und Erft sowie der belgischen Meuse fokussiert. Dabei kamen die Forschenden zu dem Ergebnis, dass die Wahrscheinlichkeit, dass solch ein Ereignis wie es in West-Europa 2021 eingetreten ist, im Vergleich zu einem 1,2 °C kühleren Klima um einen Faktor zwischen 1,2 und 9 gestiegen sei. Auch in Bezug auf die Intensität konnte ein Anstieg von 3-19 % dem Klimawandel zugeordnet werden (Kreienkamp, 2021 und Tradowsky, 2023). Wenngleich die Forschenden mit wissenschaftlich anerkannten Methoden zu dieser Schlussfolgerung kamen, zeigt die große Spannweite jedoch die Unsicherheiten, die bei der Attribution von Extremwettern mitspielt.

Limitationen

Obwohl die Klimamodelle und die darauf basierenden Studien viele Ergebnisse und neue Erkenntnisse liefern, stößt die Attributionsforschung teilweise noch an ihre Grenzen. Es gibt viele Aspekte von Extremereignissen, bei denen wissenschaftliche Erkenntnisse teilweise unzureichend vorliegen, um die Wahrscheinlichkeit von Extremereignissen und deren Veränderungen zuverlässig abschätzen zu können. Während die Attributionsforschung bei klimatologischen Ereignissen, wie Hitzewellen, den Einfluss des anthropogenen Klimawandels relativ gut bestimmen kann, ist bei kleineren Einzelereignissen, wie beispielsweise Tornados, Sturzfluten oder Hagelstürmen die Zuordnung aktuell nicht möglich. Eine weitere Herausforderung der Attributionsforschung sind die regionalen Unterschiede in der Qualität der Klimamodelle. Liegen in Ländern umfangreiche und qualitativ hochwertige Daten über die lokalen Klima- und Wetterbedingungen vor, bildet dies eine gute Grundlage für die Durchführung von Attributionsstudien. Ist dies nicht der Fall, wird die Attributionsforschung erschwert, was meistens Länder des Globalen Südens betrifft. Dort können jedoch unter anderem auf Grund erhöhter Vulnerabilität und vergleichsweise weniger Bewältigungsmechanismen höhere sozioökonomische Schäden entstehen (Otto, 2020).

Da die direkten Wochen nach einem Ereignis am wichtigsten sind, um über dessen Grundlagen zu informieren, legt die Attributionsforschung besonders viel Wert darauf, ihre Ergebnisse möglichst schnell zu publizieren. Dies geschieht in den meisten Fällen somit bereits bevor die Studie einem peer-review-Verfahren unterlag (es werden jedoch bereits veröffentlichte peer-review-Methoden angewandt), da ein solcher Prozess meist mehrere Monate bis Jahre dauert. Somit gelten die Erkenntnisse vorerst nicht als wissenschaftlicher Konsens, dienen jedoch als wichtige Informations- und Aufklärungsquelle (Van Oldenborgh, 2021).

Ob ein extremes Wetterereignis große sozioökonomische Schäden verursacht oder sogar zu einer Katastrophe führt, hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab, die von essenzieller Bedeutung sind (siehe Abbildung 4). Katastrophen sind immer die Folge vieler unterschiedlicher Faktoren. Die Resilienz und Verwundbarkeit einer Gesellschaft hat immer einen erheblichen Einfluss auf die Folgen eines Wetterereignisses.

Abbildung 4: Aspekte des Risikos (IPCC, 2021)

Erstellt: Oktober 2024

Aktuelle Informationen

DWD Newsletter zur Attributionsforschung

DWD Newsletter zur Attributionsforschung

Feb 29, 2024

Durch die Analyse von Beobachtungsdaten und Klimamodellsimulationen können mittlerweile Aussagen über die Häufigkeit und Intensität von Wetterereignissen getroffen werden. Dies funktioniert an Hand der Attributionsforschung, die untersucht in wie fern der...

mehr lesen