Welche Datensätze wurden für das Wetter der Vergangenheit herangezogen?

Jüngste Vergangenheit

Datensatz: ERA5-Land Reanalyse.
Quelle: https://cds.climate.copernicus.eu
Stand der Daten: Dezember 2020 (beinhaltet Daten von Januar 1981 bis September 2020)
Erklärung: Bei einer Reanalyse handelt es sich um eine Simulation mit einem Modell, bei der der tatsächliche Verlauf des Wetters in der Vergangenheit möglichst genau nachvollzogen werden soll. Dazu wird das Modell mit verfügbaren Beobachtungsdaten "angetrieben", das heißt es wird gezwungen, nah an den beobachteten Werten zu bleiben. Der Vorteil einer Reanalyse ist, dass so räumliche und zeitliche Lücken der Beobachtungen in physikalisch konsistenter Weise gefüllt werden (im Gegensatz zu einer reinen Interpolation). Der hier verwendete ERA5-Land Datensatz hat eine horizontale Auflösung von 0.1 Grad (ca. 11 km) und umfasst den Zeitraum 1981-2020. Im Zusammenhang mit Dürren ist besonders nützlich, dass auch die Bodenfeuchte auf vier vertikal aufgelösten Schichten berechnet wurde. Diese Größe wäre mit direkten Beobachtungen besonders schwer zu erhalten. Die ERA5-Land-Reanalyse bietet zudem besonders aktuelle Daten (hier bis September 2020).

Langfristige Vergangenheit

Datensatz: E-OBS Beobachtungsdaten.
Quelle: https://www.ecad.eu/download/ensembles/download.php
Stand der Daten: Dezember 2020 (Version: v22.0e; beinhaltet Daten von Januar 1950 bis Juni 2020)
Erklärung: Bei E-OBS handelt es sich um einen Beobachtungsdatensatz, der auf Messungen an Wetterstationen im europäischen Raum basiert, die z.B. von nationalen Wetterdiensten erhoben wurden. Der verwendete Zeitraum umfasst die Jahre 1950-2019. Um Lücken in der Abdeckung der Stationen zu füllen, werden die Beobachtungsdaten mit einem statistischen Verfahren interpoliert, bei dem eine Vielzahl möglicher zufälliger Abweichungen berechnet wird (ein so genanntes Ensemble).
Für dieses Dürredossier wurden Niederschlagsdaten mit einer Auflösung von 0,25° (ca. 27.5 km) verwendet. Aus dem Ensemble der unterschiedlichen Interpolationen wurde der Mittelwert verwendet. Wir danken dem EU-FP6-Project UERRA (https://www.ecad.eu) und dem Copernicus Climate Change Service, sowie den Datenprovidern des ECA&D-Projekts (https://www.ecad.eu).
Wissenschaftliche Veröffentlichung zum Datensatz:
Cornes, R., G. van der Schrier, E.J.M. van den Besselaar, and P.D. Jones. 2018: An Ensemble Version of the E-OBS Temperature and Precipitation Datasets, J. Geophys. Res. Atmos., 123. doi:10.1029/2017JD028200

Welche Klimamodelle wurden für die Zukunftsprojektionen benutzt?

Datensatz: EURO-CORDEX Modellensemble
Quelle: https://esgf-data.dkrz.de
Stand der Daten: März 2021.
Erklärung: Bei den verwendeten Klimamodell-Simulationen handelt es sich um Ergebnisse von regionalen Klimaprojektionen aus der EURO-CORDEX-Initiative (Jacob et al., 2014). Im Rahmen dieser europaweiten Initiative werden Simulationen mit umfangreichen Modell-Ensembles mit einer horizontalen Auflösung von ca. 12.5 km (0.11 Grad) durchgeführt. Jedes regionale Modell (RCM) erhält Randwerte von einem gröber aufgelösten globalen Klimamodell (GCM) vorgeschrieben. Daraus ergeben sich gegenwärtig mehr als 45 Kombinationen von globalen und regionalen Modellen für die Region Europa.
Alle Klimaprojektionen wurden aus dem ESGF-Datenportal über den Datenknoten am Deutschen Klimarechenzentrum heruntergeladen und analysiert. Davon beziehen sich 50 Simulationen auf das Szenario RCP8.5, 17 Simulationen auf das Szenario RCP4.5, sowie 18 Simulationen auf das Szenario RCP2.6. Für alle drei Szenarien wurden die Simulationen mit acht verschiedenen regionalen Klimamodellen (RCMs) erstellt. Die Antriebsdaten für diese RCMs stammen von zehn verschiedenen globalen Klimamodellen (GCMs). Jede Simulation ist zudem mit einem Code bezüglich der Realisation versehen (meist: "r1i1p1"), welcher kenntlich macht, ob eine Simulation ausgehend von anderen Wetterbedingungen wiederholt wurde, oder ob kleine Änderungen am Modellcode vorgenommen wurden. Eine Übersicht über die regionalen Klimamodelle und deren jeweiligen globalen Antriebsdaten gibt die untenstehende Tabelle.

Welche Zukunftsszenarien wurden verwendet?

Mit Klimamodellen können Projektionen für das zukünftige Klima berechnet werden. Diese liefern Antworten auf die Frage: „Was wäre, wenn?“ Verschiedene Annahmen, z. B. zur Entwicklung der Bevölkerung, der Technologie und der Wirtschaft, führen zu verschiedenen Entwicklungspfaden von Emissionen und Konzentrationen an Treibhausgasen.
Solche Szenarien sind keine Vorhersagen, sondern beschreiben verschiedene plausible Entwicklungen. Mit Klimamodellen werden dann die Auswirkungen der Emissionen und der damit verbundenen veränderten Zusammensetzung der Atmosphäre auf das Klimasystem der Erde simuliert.
Im Rahmen des fünften IPCC-Sachstandsberichts wurden die „Representative Concentration Pathways“ (RCPs) als Szenarien verwendet. Drei davon wurden hier ausgewählt und nach dem Ausmaß an Klimaschutz benannt, das zu ihrer Realisierung nötig wäre: Kein Klimaschutz (Szenario RCP8.5), etwas Klimaschutz (RCP4.5) und viel Klimaschutz (RCP2.6). Das Szenario RCP8.5 beschreibt einen weiterhin kontinuierlichen Anstieg der Treibhausgasemissionen, mit einer Stabilisierung der Emissionen auf einem sehr hohen Niveau zum Ende des 21. Jahrhunderts. Das mittlere Szenario, RCP4.5, geht davon aus, dass die Emissionen bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts noch etwas ansteigen und danach wieder sinken. Dieser Pfad kann durch verschiedene sozioökonomische Entwicklungen erreicht werden, die z. B. auch klimapolitische Maßnahmen berücksichtigen. Das Klimaschutz-Szenario, RCP2.6, beinhaltet sehr ambitionierte Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zum Ende des 21. Jahrhunderts sogar „negative Emissionen“ (eine netto-Entnahme von CO₂ aus der Atmosphäre).

Mehr Informationen zu den RCP-Szenarien findet sich in Meinshausen et al. "The RCP greenhouse gas concentrations and their extension from 1765 to 2500" und in Abschnitt 12.3.3 des 5. IPCC-Sachstandsberichts.

Kurze und verständlich aufbereitete Informationen finden sich auch auf Klimanavigator oder Klimawiki.

Datenquelle zum Erstellen der obigen Abbildung: http://www.pik-potsdam.de/~mmalte/rcps/index.htm#Download

Wie wurden Robustheit und Signifikanz der Änderungen bewertet?

Jüngste Vergangenheit: Auf den Karten sind Unterschiede zum Mittel des Referenzzeitraums 1981-2020 gezeigt. Eine Schraffur kennzeichnet, wo das ausgewählte Jahr zu den drei nassesten bzw. den drei trockensten Jahren in diesem Zeitraum zählte. Diese Statistik sagt also allein darüber etwas aus, wie ungewöhnlich ein bestimmtes Jahr in der gewählten Jahreszeit war (im Vergleich mit dem selben jahreszeitlichen Zeitraum in allen Jahren zwischen 1981-2020). Sie sagt nichts darüber aus, ob diese Anomalie mit natürlichen Schwankungen erklärbar ist, bzw. welche Rolle der Klimawandel gespielt hat.

Langfristige Vergangenheit: Für jede der Zeitreihen (Deutschlandmittel, sowie Pixel auf den Karten) wurde berechnet, ob eine systematische Veränderung zu erkennen ist. Dazu wird hier ein statistischer Test verwendet, der sogenannte Mann-Kendall-Test. Ist der beobachtete Trend größer als die größten 5% (mit positivem oder negativem Vorzeichen) einer zufälligen Entwicklung, ist ein Trend signifikant. In den abgebildeten Zeitreihen ist dies als durchgezogene grüne Linie gekennzeichnet. Nicht signifikante Änderungen sind dagegen durch eine gestrichelte grüne Linie gekennzeichnet. Auf der darunter abgebildeten Karte sind Gitterzellen mit signifikanten Änderungen schraffiert dargestellt. In diesem Fall wurde die Signifikanz mit einem Mann-Whitney-U-Test bestimmt, der den Unterschied zwischen den beiden Zeitperioden 1991-2020 und 1961-1990 testet. Ein klimatischer Unterschied wird hier als signifikant definiert, wenn er mit einer Wahrscheinlichkeit von unter 5% mit zufälligen Schwankungen erklärbar ist. Etwa 5% der Fläche Europas würde also rein aus Zufall eine Schraffierung aufweisen. Dass tatsächlich keine größere Fläche betroffen ist, deutet darauf hin, dass die Trockenheit im April in Deutschland nicht zwangsläufig eine systematische Klimaänderung darstellt.

Zukunftsprojektionen: Für jede einzelne Simulation eines Zukunftsszenarios wurde die jeweilige Klimaänderung zwischen der ausgewählten Zukunftsperiode und der Referenzperiode 1971-2000 berechnet.
Im Balkendiagramm sind die Spannbreiten der simulierten Änderungen zu sehen. Die Balken illustrieren jeweils charakteristische Kennwerte des Ensembles der verfügbaren Modelle: Zwischen Minimum und Maximum liegt die gesamte Spannbreite der Ergebnisse. Der Median ist der Wert der Simulation, welche in der Mitte des Ensembles liegt. Zudem sind noch die Werte des Ensembles gekennzeichnet, unter denen 20% bzw. 80% der Simulationen liegen. Die Balken sind für das Szenario mit hohen Emissionen (RCP8.5) in rot, für das mittlere Emissionsszenario (RCP4.5) in blau und für das Szenario mit niedrigen Emissionen (RCP2.6) in grau dargestellt.
In Ausnahmefällen können Änderungen im Szenario mit etwas Klimaschutz (RCP4.5) quantitativ größer ausfallen als im Szenario ohne Klimaschutz (RCP8.5). Dies ist der Tatsache geschuldet, dass erstens eine andere Auswahl an Modellen verwendet wurde, und dass zweitens die Klimaänderungen stets von natürlichen Schwankungen überlagert sind.

Robustheit der Zukunftsprojektionen: Zusätzlich zum gezeigten Balkendiagramm bewerten wir die Belastbarkeit der Ergebnisse mit einer Aussage zur Robustheit, welche unterhalb jedes Balkendiagramms zu finden ist. Folgende Ergebnisse sind möglich:

Zunahme	Mindestens 2/3 der Simulationen zeigen eine Zunahme und mindestens 50% der Simulationen sogar eine signifikante Zunahme.
Tendenz zur Zunahme	Mindestens 2/3 der Simulationen zeigen eine Zunahme, aber weniger als 50% der Simulationen eine signifikante Zunahme.
Abnahme	Mindestens 2/3 der Simulationen zeigen eine Abnahme und mindestens 50% der Simulationen sogar eine signifikante Abnahme.
Tendenz zur Abnahme	Mindestens 2/3 der Simulationen zeigen eine Abnahme, aber weniger als 50% der Simulationen eine signifikante Abnahme.
unklar	Keine 2/3-Mehrheit bezüglich der Richtung der Änderungen, aber mindestens 50% der Simulationen zeigen signifikante Änderungen.
keine Änderung	Keine 2/3-Mehrheit bezüglich der Richtung der Änderungen; weniger als 50% der Simulationen zeigen signifikante Änderungen.

Die statistische Signifikanz wurde wie oben mit einem Mann-Whitney-U-Test bestimmt, der den Unterschied zwischen der ausgewählten Zukunftsperiode und 1971-2000 testet. Ein klimatischer Unterschied wird hier als signifikant definiert, wenn er mit einer Wahrscheinlichkeit von unter 5% mit zufälligen Schwankungen erklärbar ist.
Da die Signifikanz in die Bewertung der Robustheit eingeht, sind quantitativ größere Änderungen nicht automatisch robuster als kleinere Änderungen.

Wie sind die verschiedenen Klimagrößen definiert?

Niederschlag	Gesamtheit des Niederschlags von flüssigem Wasser (Regen, Niesel) und festem Wasser (Schnee, Hagel, Graupel).
Bodenfeuchte	Gesamtmenge an Wasser im Boden. Diese Größe ist flächendeckend nur in Modellsimulationen wie z.B. Zukunftsprojektionen und Reanalysen verfügbar, und nicht als direkte Beobachtung, da sie in der Realität schwer messbar ist. Die für die Gesamtmenge an Bodenfeuchte berücksichtigte Bodentiefe unterscheidet sich zwischen den Modellen. In den meisten Fällen beträgt sie ca. 3 m.
Trockentage	Anzahl der Tage im ausgewählten Zeitraum, an denen die Niederschlagssumme 1 mm nicht übersteigt.
Maximale Dauer von Trockenperioden	Die Dauer einer Trockenperiode wird hier definiert als Anzahl aufeinanderfolgender Tage, an denen die Niederschlagssumme 1 mm nicht übersteigt. Als „maximale Dauer“ wird hier das Maximum aller solcher Ereignisse jedes Jahres (in dem ausgewählten Zeitraum des Jahres) verstanden. Für jede Klimasimulation und den Beobachtungsdatensatz wird für die jeweils ausgewählte 30-Jahresperiode ein Mittelwert über die 30 jährlichen Maxima gebildet. Das Maximum der Dauer von Trockenperioden ist nicht zu verwechseln mit dem Maximum des Modell-Ensembles.
Tage mit geringer Bodenfeuchte	Als „geringe Bodenfeuchte“ wird hier das 20. Perzentil verstanden. Dabei handelt es sich um jenen Wert, den die Bodenfeuchte nur an 20% aller Tage im Referenzzeitraum 1971-2000 unterschreitet. Der Schwellwert ist abhängig vom Ort: Eine absolute Menge an Wasser im Oberboden, die z.B. an Standorten mit sandigen Böden normal ist, gilt anderswo bereits als starke Trockenheit. Das gewählte 20. Perzentil ist abhängig vom Klimamodell, da sich die Berechnung der Bodenfeuchte und die berücksichtigte Tiefe in den Modellen unterscheidet, und damit auch der typische absolute Bodenwassergehalt. Die Definition der Tage mit geringer Bodenfeuchte berücksichtigt diesen Unterschied und ist daher als Größe zwischen den Modellen vergleichbarer.