Quelle: DLR.

12. November 2021 – Die Modelle zur Vorhersage des Klimawandels werden immer genauer. Sie verarbeiten riesige Datenmengen, bewerten Informationen und verknüpfen sie zu einem Gesamtbild. Wie das aussieht, hat der Weltklimabericht gezeigt: „Es ist eindeutig, dass der Einfluss des Menschen die Atmosphäre, den Ozean und die Landflächen erwärmt hat“, stellt der Bericht den wissenschaftlichen Kenntnisstand dar. Das Ausmaß der Veränderungen im gesamten Klimasystem ist demnach seit vielen Jahrhunderten bis Jahrtausenden beispiellos. Dass die Aussagen so deutlich ausfallen, hängt mit der Arbeit von Prof. Veronika Eyring zusammen. Sie ist Koordinierende Leitautorin des Kapitels „Menschlicher Einfluss auf das Klimasystem“. Die Wissenschaftlerin vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Bremen forscht auf dem Gebiet der Erdsystemmodellierung und Modellbewertung. Sie nutzt Erdbeobachtungsdaten aus der Raumfahrt und wendet Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) an, um belastbare Klimavorhersagen und Technologiefolgenabschätzungen zu erhalten.

Im schottischen Glasgow beraten Vertreterinnen und Vertreter von 197 Staaten aktuell über Maßnahmen gegen den Klimawandel: Die Klimakonferenz COP26 findet vom 31. Oktober bis 12. November 2021 statt.

„Eindeutige Belege für die Dringlichkeit des Handelns“
Dürren und Starkregen nehmen zu, Eis in den Meeren schmilzt, die Atmosphäre heizt sich auf: Wie können die mehr als 230 internationalen Fachleute, die an dem sogenannten Sechsten IPCC-Sachstandsbericht gearbeitet haben, so sicher sein, dass die Aktivitäten des Menschen den Klimawandel verursachen? „Die Beweislinien sind über die Zeit immer stärker geworden. Nicht nur für die Temperatur, sondern für viele weitere Klimaänderungen“, sagt Veronika Eyring. „Wir haben in dem Bericht den Realitäts-Check geliefert. Die Erwärmung ist bereits auf 1,1°C im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten angestiegen. Das heißt, wir sind von dem 1,5°C-Ziel nicht mehr weit entfernt. Der Bericht zeigt auch, dass jeder kleine Anstieg der Erwärmung zu weiteren und schwerwiegenderen Auswirkungen des Klimawandels führt. Dies sind eindeutige Belege für die Dringlichkeit des Handelns. Es geht nun also darum, die Treibhausgas-Emissionen sofort, schnell und drastisch zu reduzieren. Ansonsten wird es nicht mehr möglich sein, die Erwärmung auf maximal 1,5°C zu begrenzen“, erklärt Veronika Eyring.

ESMValTool analysiert, wie gut die Klimamodelle im Vergleich zu Erdbeobachtungsdaten aus der Raumfahrt sind
Um die Ergebnisse von Klimamodell-Simulationen darzustellen, entwickelt das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen gemeinsam mit mehr als 70 internationalen Forschungseinrichtungen federführend das Earth System Model Evaluation Tool (ESMValTool). Das Computerprogramm erlaubt eine umfangreiche Bewertung der Klima- und Erdsystemmodelle im Vergleich mit Beobachtungsdaten. Mit dem ESMValTool wurden die Simulationen der neuesten Generation der sogenannten CMIP6 Modelle ausgewertet und auch das Problem riesiger Datenmengen adressiert. „Wir konnten zeigen, dass sich die Klimasimulationen verbessert haben“, sagt Veronika Eyring, die das CMIP6-Projekt von 2014 bis 2020 leitete. Die Datenprodukte von CMIP6 stellen neben Beobachtungsdaten eine wichtige Quelle für Klimainformationen im IPCC-Bericht dar.

Unsicherheiten und neue Forschungsschwerpunkte in der KI
Trotzdem bestehen noch immer Unsicherheiten in den Vorhersagen des Klimawandels und seinen Auswirkungen auf globaler und regionaler Skala. Dies liegt insbesondere daran, dass kleinskalige Prozesse wie Wolkenbildung nicht explizit aufgelöst und daher nur näherungsweise in Parametrisierungen dargestellt werden können. Um dieses Problem zu lösen, setzt Veronika Eyring auf KI.

Das interdisziplinäre Team von USMILE (Unterstanding and Modelling the Earth System with Machine Learning) entwickelt maschinelle Lernverfahren, um das Verständnis und die Modellierung des Erdsystems weiter zu verbessern. Hier geht es um eine Darstellung von Prozessen in Wolken und auf der Landoberfläche. So sollen Unsicherheiten in Klimavorhersagen reduziert werden. Außerdem arbeitet das Team daran, Klimaschwankungen und Extremereignisse, zum Beispiel Dürren, mit Methoden wie Deep Learning auf kausale Zusammenhänge hin zu untersuchen. „Maschinelles Lernen hat hier ein außerordentliches Potenzial, um die Klimaforschung voranzubringen und neue Forschungsfelder zu erschließen“, sagt Veronika Eyring.

„Wir haben im DLR die Daten und die Infrastruktur“
Der Abgleich von Erdbeobachtungsdaten und Erdsystemmodellen gilt als wichtige Grundlage für die Verbesserung von Klimavorhersagen. „Wir sind im DLR prädestiniert für die Entwicklung dieser Anwendungen. Wir haben die Daten und die Infrastruktur, mit denen wir die Analysen durchführen können“, erklärt Prof. Dr. Markus Rapp, Direktor des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre. Je umfangreicher und genauer die Modelle werden, desto mehr Daten werden verarbeitet und überprüft. Das Team im DLR-Institut für Physik der Atmosphäre erstellt neue Verfahren, erweitert statistische Methoden und nutzt Künstliche Intelligenz (KI), um die Unsicherheit in den Vorhersagen und in den Modellen weiter zu verringern. „Die KI hilft uns, komplexe Systeme zu verstehen“, sagt Veronika Eyring.

Herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Klimamodellierung
Veronika Eyring betreut ein Dutzend Doktorandinnen und Doktoranden im Bereich Klimamodellierung. „Viele arbeiten am Interface zwischen Klimaforschung und KI, also an der Verbindung von Physik und Informatik. Die junge Generation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern wird noch viel bewegen“, ist Veronika Eyring sicher. Sie selbst hat Physik studiert. Als sie 1995 ihre Diplomarbeit schrieb, warnten internationale Klimaforscherinnen und -forscher schon vor dem vom Menschen verursachten Klimawandel. Veronika Eyring begann, die theoretische Physik mit der Klimaforschung zu kombinieren. 2021 erhielt sie für ihre herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Klimamodellierung den renommierten Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis, weil sie maßgeblich dazu beigetragen hat, das Verständnis sowie die Genauigkeit von Klimavorhersagen durch prozessorientierte Modellierung und Modellevaluierung zu verbessern. Das Forschungspreisgeld in Höhe von 2,5 Millionen Euro fließt in die Weiterentwicklung der Klimamodelle durch KI für eine verbesserte Technologiefolgenabschätzung und Politikberatung – und in die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses. „Die Anwendung von KI zum Verständnis und zur Modellierung des Erdsystems steht noch am Anfang. Es ist ein vielversprechender Bereich, der eine neue Generation von Forschenden erfordert, die an der Schnittstelle von Klimawissenschaft und künstlicher Intelligenz ausgebildet ist“, sagt Veronika Eyring.

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• Klimawandel

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Quelle: DLR.

9. August 2021 – Eine Erkenntnis, die nicht überraschend aber dennoch gravierend ist: Der Mensch ist hauptverantwortlich für die globale Erwärmung und den beobachteten Klimawandel. Neu gewonnene Daten und verbesserte Modellsimulationen belegen dies noch deutlicher als zuvor, wie der Weltklimarat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) in seinem neuen Bericht hervorhebt. Am 9. August 2021 wurde der erste Band des Sechsten IPCC-Sachstandsberichts veröffentlicht. Hierbei handelt es sich um den Bericht der Arbeitsgruppe I, die den Forschungsstand der naturwissenschaftlichen Grundlagen des Klimawandels zusammenfasst. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) waren an dem Bericht als Autor*innen beteiligt.

„Der menschliche Einfluss ist nicht nur der wesentliche Treiber für die Erwärmung des Klimasystems, sondern auch für die Zunahme von Wetter- und Klimaextremen. Die Häufigkeit und die Intensität etwa von Starkregen-Ereignissen oder Hitzewellen steigen durch den Klimawandel an“, erklärt Prof. Dr. Veronika Eyring vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre und der Universität Bremen. Sie ist Koordinierende Leitautorin des Kapitels „Der menschliche Einfluss auf das Klimasystem“ im aktuellen IPCC-Sachstandsbericht, das auch die Bewertung der Klimamodelle mit Beobachtungsdaten enthält.

Klimaänderungen in der Atmosphäre, den Ozeanen und Eisgebieten erreichen immer neue Höchststände und verändern sich mit Geschwindigkeiten, wie sie seit Jahrhunderten bis vielen Jahrtausenden nicht beobachtet worden sind. „Die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre ist bis zum Jahr 2019 bereits auf insgesamt 410 ppm (parts per million) angestiegen, auf eine Million Moleküle in trockener Luft kommen also 410 Moleküle Kohlenstoffdioxid – das ist beispiellos seit mindestens zwei Millionen Jahren“, gibt Eyring zu Bedenken.

Klimafolgen für Europa

Für Europa bedeutet der Klimawandel, es wird generell wärmer und das Risiko von Starkniederschlägen steigt in vielen Regionen – es regnet seltener, dafür heftiger. Welche verheerenden Auswirkungen das haben kann, zeigte sich zuletzt im Juli bei der Flutkatastrophe im Westen Deutschlands. Solche Extremereignisse werden zunehmen, insbesondere wenn die globale Erwärmung 1,5 Grad Celsius übersteigt.

Der Bericht legt außerdem dar, dass die Temperaturen in allen europäischen Regionen weiter ansteigen und den Durchschnittswert der globalen Temperaturveränderung übertreffen werden.

Auswertung der Simulationen

Um die Ergebnisse von Klimamodell-Simulationen darzustellen, wurde in einigen Kapiteln des IPCC-Berichts das ESMValTool (Earth System Model Evaluation Tool) verwendet, das das DLR-Institut für Physik der Atmosphäre gemeinsam mit mehr als 70 internationalen Forschungseinrichtungen federführend entwickelt. Das Computerprogramm erlaubt eine umfangreiche Bewertung der Klima- und Erdsystemmodelle im Vergleich mit Beobachtungsdaten. Klimamodelle sind auf naturwissenschaftlichen Grundlagen basierende Computerprogramme, die das physikalische Klimasystem der Erde simulieren. Erdsystemmodelle berücksichtigen zusätzlich zum Klima chemische und biologische Prozesse. Mithilfe des ESMValTools können die Ergebnisse nachvollziehbar und reproduzierbar dargestellt werden.

Mithilfe des ESMValTools wurden unterstützend für den Bericht die Simulationen der neuesten Generation globaler Klimamodelle ausgewertet, die im Rahmen des „Coupled Model Intercomparison Projects Phase 6“ (CMIP6) des Weltklimaforschungs-programms koordiniert werden. „Wir konnten zeigen, dass sich die simulierten klimatologischen Mitteln für viele großskalige Klimavariablen gegenüber vorherigen Modellgenerationen verbessert haben,“ sagt Eyring, die das CMIP6-Projekt von 2014 bis 2020 leitete. Die Datenprodukte von CMIP6 stellen neben Beobachtungsdaten eine wichtige Quelle für Klimainformationen im IPCC-Bericht dar.

Eyring wurde Anfang dieses Jahres mit dem Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis 2021 ausgezeichnet, weil sie maßgeblich dazu beigetragen hat, das Verständnis sowie die Genauigkeit von Klimavorhersagen durch prozessorientierte Modellierung und Modellevaluierung zu verbessern. Im Schwerpunkt forscht die DLR-Wissenschaftlerin zu Erdsystemmodellierung und Modellbewertung mit Beobachtungsdaten, einschließlich der Entwicklung und Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz für belastbare Klimavorhersagen und Technologiefolgenabschätzungen.

Klimaerwärmung: Verursacher Mensch

Es ist eindeutig: Der menschliche Einfluss hat die Atmosphäre, Ozeane und Landflächen erwärmt. Weitreichende und schnelle Veränderungen in Atmosphäre, Ozean, Land und Biosphäre sind eingetreten. Die Beobachtungsdaten und verbesserten Modellberechnungen des neuen Sachstandsberichts bestätigen das nochmals eindeutig.

Wie weit der Klimawandel bereits fortgeschritten ist, offenbaren neue Erkenntnisse aus der Arktis. Im Gegensatz zu den früheren IPCC-Berichten ist nun deutlich, dass es zum Ende mancher Sommer in Zukunft voraussichtlich so gut wie kein Meereis geben wird. Die globale Oberflächentemperatur hat sich inzwischen um etwa 1,09 Grad Celsius (2011-2020) im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten (1850-1900) erwärmt. Jedes der vergangenen vier Jahrzehnte war wiederum wärmer als jedes vorangegangene Jahrzehnt seit 1850. Seit 1970 hat sich die global gemittelte Oberflächentemperatur noch schneller erhöht – diese jüngste Rate der Erwärmung ist beispiellos seit mindestens 2.000 Jahren.

„Viele Veränderungen im Klimasystem werden in unmittelbarem Zusammenhang mit der zunehmenden globalen Erwärmung größer. Es geht nun darum, die Treibhausgas-Emissionen sofort, schnell und drastisch zu reduzieren. Ansonsten wird die Begrenzung der Erwärmung auf 1,5 Grad Celsius im Vergleich zum vorindustriellen Zeitraum unerreichbar sein“, ergänzt Eyring. In allen fünf Szenarien des Berichts wird die globale Erwärmung in den nächsten 20 Jahren diese Marke mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 50 Prozent überschreiten.

„Seit mehr als 30 Jahren veröffentlicht der Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) als Einrichtung der UN seine Sachstandsberichte zum Zustand des globalen Klimas. Die Fakten aus den anerkannten Veröffentlichungen bieten eine Basis für wissenschaftsfundierte Handlungsalternativen politischer Entscheidungsträger. Das DLR trägt mit seinen Möglichkeiten in der weltraumgestützten Erdbeobachtung und dem Einsatz von Forschungsflugzeugen aktiv zum Entstehen einer umfassenden Datenbasis bei,“ erläutert Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR, „Mehr denn je benötigen wir die Auswertung von Klimadaten, um die Folgen des menschlichen Einflusses auf das Klima zu analysieren. Die Synergien der Forschungsbereiche des DLR ermöglichen uns, Technologien für eine klimaverträgliche Mobilität zu entwickeln. Dazu gehören nachhaltige Verkehrskonzepte ebenso wie auch die Erforschung neuer Energieträger auf regenerativer Basis.“

Bedeutung der IPCC-Klimaberichte

Der Weltklimarat (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) ist eine Einrichtung der Vereinten Nationen (UN). In regelmäßigen Abständen beauftragt er führende Fachleute den Wissensstand zur Klimaforschung zusammenzutragen und in Berichten aus wissenschaftlicher Sicht zu bewerten. Die IPCC-Sachstandsberichte bieten eine Basis für wissenschaftsbasierte Entscheidungen, ohne politische Handlungsempfehlungen zu geben. In der internationalen Politik haben sie einen hohen Stellenwert und sind unter anderem für die Weltklimakonferenzen wichtig. Denn die Zusammenfassungen für politische Entscheidungsträger (Summary for Policymakers, SPM) der Berichte werden von den IPCC-Mitgliedsländern auf der Verabschiedungssitzung diskutiert. Die beteiligten Regierungen können dazu Formulierungen vorschlagen – die Autorinnen und Autoren überprüfen dann, ob diese mit den Aussagen im zugrundeliegenden Bericht übereinstimmen. Mit ihrer Zustimmung zur Veröffentlichung stehen die Mitgliedsregierungen hinter den Aussagen und erkennen an, dass diese gelten.

Veröffentlicht wurde nun der erste von insgesamt drei Bänden des Sechsten Sachstandsberichts, welcher sich mit den naturwissenschaftlichen Ursachen des Klimawandels befasst. Mehr als 230 Autorinnen und Autoren aus 66 Ländern haben in der Arbeitsgruppe I gemeinsam über 14.000 wissenschaftliche Veröffentlichungen zur Klimaforschung bewertet und zusammengefasst.

Nationale Anlaufstellen

Die Deutsche IPCC-Koordinierungsstelle wurde 1998 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) am DLR Projektträger eingerichtet. Sie unterstützt diese und fungiert als Ansprechpartnerin für Regierung, Wissenschaft und Öffentlichkeit zum Weltklimarat. Die Koordinierungsstelle fördert den Wissenstransfer zwischen Klimaforschung und Klimapolitik und stellt mit Partnern deutsche Übersetzungen der wichtigsten IPCC-Publikationen zur Verfügung. Fachleute des DLR Projektträgers begutachten regelmäßig Entwürfe von IPCC-Berichten.

Das Deutsche Klima-Konsortium (DKK) bündelt die wesentlichen Akteure der nationalen Klimaforschung und Klimafolgenforschung, die mit ihrer Arbeit dazu beitragen, klimatische Veränderungen zu erkennen und Handlungsmöglichkeiten der Vermeidung und Anpassung aufzuzeigen. Zu den Berichten des Weltklimarats stellt das DKK zusammenfassende Informationen und weiterführende Erklärungen zur Verfügung. Prof. Dr. Veronika Eyring und zwei weitere Autoren des aktuellen Weltklimaberichts sprechen auf der DKK-Website kurz und verständlich über die neuen Erkenntnisse und erklären die Klimasimulationen des IPCC-Berichts.

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