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Das Spektrum des Klimas in verschiedenen Klimazuständen und seine Bedeutung für künftige Klimaprojektionen, TP2: Auswirkung von Antriebsfaktoren und Modellaufbau auf die simulierte Variabilität verschiedener Klimazustände

Anpassung an den Klimawandel - Eine Strategie für Nordrhein-Westfalen

Die Anpassungsstrategie geht auf von den Folgen des Klimawandels betroffene Bereiche - wie die menschliche Gesundheit - ein und berücksichtigt dabei die regionalen Besonderheiten Nordrhein-Westfalens. Basierend auf detaillierten Klimaprojektionen für die einzelnen Regionen des Bundeslandes wurden spezifische Anpassungsmaßnahmen erarbeitet.

Projektionen der Grundwasserneubildung in Deutschland bis zum Jahr 2100 (Datensatz)

Im Rahmen des Projektes WADKlim wurden mit mGROWA Projektionen auf Basis der Ergebnisse der Klimaprojektionen R26-E12-RCA, R85-CA2-CLM und R85-MI5-CLM für die Zeit von 1971 bis 2100 durchgeführt. Neben vielen anderen Größen liefern diese Projektionen auch Zeitreihen der Grundwasserneubildung (GWNB) in hoher räumlicher Auflösung. Im WADKlim Bericht werden diese Zeitreihen kurz andiskutiert und im Hinblick auf die Ausprägung zukünftiger Minimumdekaden der GWNB untersucht (siehe Kap. 2.3.10). Das Ziel der Auswertung im Projekt war es, flächendeckend für ganz Deutschland die Dekaden zu identifizieren, in denen die mittlere jährliche GWNB in den Projektionen ein Minimum erreicht. Die in den Minimumdekaden erreichte GWNB kann dann in Bezug zur jeweiligen historischen Referenzperiode 1971-2000 gesetzt werden. Es liegen teilweise verkürzte Zeitreihen bis 2095 für das Globalmodell MOHC-HadGEM2-ES vor. Das liegt daran, dass diese Modellrechnung bis zum hydrologischen Jahr 2099 lief und einige Zeitreihen innerhalb der Bias-Korrektur des Niederschlags im Rahmen von ReKliEs-De nochmals auf 2095 gekürzt wurden. Um eine höhere Dateikompression zu erzielen, wird die Jahressumme um den Faktor 10 erhöht und als Integerwert (INT2S) bereitgestellt. Nach einer Rückrechnung liegt die Jahressumme mit einer Nachkommastelle vor.

Abflussprojektionen für die großen Flüsse Deutschlands basierend auf Bias-korrigierten Klimaprojektionen und dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM-ME

Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) erstellt Abflussprojektionen für Pegel in den Einzugsgebieten von Donau, Elbe, Ems, Rhein und Weser und stellt diese als Beitrag und Grundlage zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel (DAS) über den DAS-Basisdienst "Klima und Wasser" bereit. Die Projektionen fußen auf den Szenarien und Daten, die auch den Berichten des Weltklimarates zugrunde liegen. Diese globalen Klimadaten werden durch Europäische Wetterdienste und Klimaforschungsinstitute für Europa regionalisiert. Für Deutschland und die internationalen Einzugsgebietsanteile werden diese Daten durch den Deutschen Wetterdienst (DWD) ebenfalls im Rahmen des DAS-Basisdienstes aufbereitet. Die BfG setzt die hydrometeorologischen Größen (Lufttemperatur, Niederschlag, Globalstrahlung, Wind, relative Luftfeuchte) und deren für die Zukunft projizierten Änderungen mittels eines Wasserhaushaltsmodells in Tageswerte hydrologischer Größen (u.a. Abfluss) um. Die hier bereitgestellten Daten basieren auf einem Klimadatenfundus, der im Kontext des 5. IPCC-Sachstandsberichts (IPCC, 2013) durch das globale Coupled Model Intercomparison Project Nr. 5 (CMIP5, Meehl und Bony, 2011) und den europäischen Teil des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (EURO-CORDEX, Jacob et al., 2014) sowie nationale Modellaktivitäten (ReKliEs-De, Hübner et al., 2017) generiert wurden. Die rohen Klimamodelldaten wurden durch die BfG einer grundlegenden Prüfung unterzogen (Nilson, 2021; Nilson et al., 2014) um unplausible Projektionen auszuschließen. Auf Basis dieser Prüfung ergeben sich somit Ensembles von 16 Abflussprojektionen für das Hochemissionsszenario RCP8.5, 11 Projektionen für das mittlere Szenario RCP4.5 und 10 Simulationen für das bzgl. klimaschutzfortgeschritten optimistische RCP2.6-Szenario. Die verbliebenen Klimaprojektionen wurden durch den DWD aufbereitet. Zu den Aufbereitungsschritten gehört eine multivariate Biasadjustierung (Cannon, 2018) auf Basis des hydrometeorologischen Referenzdatensatzes HYRAS (Tageswerte; z.B. Rauthe et al., 2013) sowie eine räumliche Disaggregierung auf das ebenfalls von HYRAS vorgegebene Raster von 5 km x 5 km. Auf dieser Grundlage wurden durch die BfG Simulationen mit dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM-ME (Version 2019; Fleischer et al., in Vorber.) durchgeführt und in die bereitgestellten 37 Abflussprojektionen generiert. Die Projektionen sind u.a. in Teile der Klimawirkungs- und Risikoanalyse des Bundes für Deutschland eingeflossen (KWRA 2021). Die Veröffentlichung der nächsten Risikoanalyse ist für 2028 geplant (KRA 2028). Die Pflege und Weiterentwicklung der Modelle und Daten erfolgt kontinuierlich u.a. im Rahmen der Ressortforschung der Bundesministerien für Verkehr und Umwelt.

Regionales Klimainformationssystem ReKIS

ReKIS ist eine interaktive Online-Plattform zum Abrufen und Visualisieren von mitteldeutschen (Sachsen, Sachsen-Anhalt, Thüringen) Klimadaten. Diese ermöglicht neben der Visualisierung auch die grafische Analyse sowie das Herunterladen von vorproduzierten Karten, Grafiken, Zeitreihen und GIS-lesbaren georeferenzierten Daten (Rasterdaten). Dabei besteht die Möglichkeit, eine räumliche Gebietsauswahl nach verschiedenen vorgegebenen Kategorien (z.B.: Gemeinden, Landkreise, forstliche Klimaräume, Agrarstrukturgebiete, Planungsregionen und weitere) oder eines selbst definierten Gebietes zu treffen. Zeitreihen lassen sich sowohl für eine wie auch mehrere Messstationen abrufen und nach Zeitraum und/oder Klimaelement selektieren. Zusätzlich zu den vorproduzierten REKIS-Elementen lassen sich Zeitreihen und flächenbezogene Daten eigenständig herunterladen. Im ReKIS werden beobachtete Klimadaten (ab 1961 als Tages-, Monats- und Stundenwerte) und verschiedene Klimaprojektionsdaten (1961 bis 2100 als Tageswerte) bereitgestellt. Der größte beobachtete Datensatz stammt vom Deutschen Wetterdienst (DWD). Weitere Beobachtungsdaten wurden aus den Landesmessnetzen der drei mitteldeutschen Bundesländer sowie von tschechischen und polnischen meteorologischen Diensten integriert und daraus zusätzlich ein mitteldeutscher Klima-Referenzdatensatz abgeleitet. Alle beobachteten Datensätze unterliegen einer Qualitätskontrolle, welche unter anderem die Prüfung von Konsistenz, Homogenität und Plausibilität umfasst. Die Nachführung der gemessenen DWD-Klimadaten erfolgt jährlich zum April. Das Spektrum der zur Verfügung stehenden gemessenen Klimaelemente ist um abgeleitete Klimagrößen erweitert. Für regionale (mitteldeutsche) Analysen hinsichtlich Klimaentwicklung, wird die Verwendung des Klima-Referenzdatensatzes empfohlen. Mit dem Klima-Referenzdatensatz wird im ReKIS ein langjähriger (60 Jahre), konsistenter, lückenloser, qualitätsgeprüfter und gut dokumentierter Datensatz zur Verfügung gestellt. Insbesondere bei der Verwendung von Wirkmodellen zur regionalen Klimafolgenabschätzung, wird die Verwendung der Klimaprojektionen des mitteldeutschen Kernensembles empfohlen. Dieses repräsentiert eine objektive Selektion von Klimaprojektionen aus dem DWD-Referenzensemble, welche speziell für die klimatische Situation im mitteldeutschen Raum gut geeignet sind. Mit Hilfe eines Rasterinterpolationsdienstes ist eine räumliche Interpolation auf der Grundlage der beobachteten bzw. projizierten Klimadaten möglich. Der Nutzer hat die Möglichkeit Interpolationsaufträge zu stellen, welche dann automatisch bearbeitet werden bzw. es stehen bereits vorgerechnete Rasterdaten bereit.

IS FSK 5 RCP8.5 Forstliche Standortkarte 1 : 5.000 von NRW, auf Grundlage der Bodenkarte 1 : 5.000 und Klimaprojektionen nach Szenario RCP8.5 - Datensatz

Der Datensatz zeigt die Standorteigenschaften für Waldstandorte in NRW im Maßstab 1 : 5.000 auf Basis von Projektionsdaten nach Klimaszenario RCP8.5 für den Zeitraum 2071-2100. Es werden der Gesamtwasserhaushalt und die natürliche Nährstoffversorgung der Standorte dargestellt. Abgeleitet vom Gesamtwasserhaushalt wird die Dürreempfindlichkeit der Waldstandorte dargestellt. In weiteren Layern werden die Standorteigenschaften aggregiert zu Standorttypen nach Waldbaukonzept NRW sowie die Standorteignung von 16 wichtigen Waldbaumarten nach den Kriterien des Waldbaukonzeptes NRW dargestellt. Die Auskunftsseite des WMS stellt die Eigenschaften für jede Fläche dar und bietet Verknüpfungen zu den Informationen des Waldbaukonzeptes NRW. Es handelt sich um eine Auswertung der Bodenkarte von NRW 1 : 5.000 in Verbindung mit Klimaprojektionsdaten für NRW für das Szenario RCP8.5 des Deutschen Wetterdienstes (2071-2100, DWD) und Reliefdaten (DGM10, Geobasis NRW). Es werden alle Bodenflächen dargestellt, von denen zum Zeitpunkt der Bereitstellung eine digitale Bodenkarte zur Forstlichen Standorterkundung - BK5 F - vorliegt.

IS FSK 5 RCP4.5 Forstliche Standortkarte 1 : 5.000 von NRW, auf Grundlage der Bodenkarte 1 : 5.000 und Klimaprojektionen nach Szenario RCP4.5 - Datensatz

Der Datensatz zeigt die Standorteigenschaften für Waldstandorte in NRW im Maßstab 1 : 5.000 auf Basis von Projektionsdaten nach Klimaszenario RCP4.5 für den Zeitraum 2071-2100. Es werden der Gesamtwasserhaushalt und die natürliche Nährstoffversorgung der Standorte dargestellt. Abgeleitet vom Gesamtwasserhaushalt wird die Dürreempfindlichkeit der Waldstandorte dargestellt. In weiteren Layern werden die Standorteigenschaften aggregiert zu Standorttypen nach Waldbaukonzept NRW sowie die Standorteignung von 16 wichtigen Waldbaumarten nach den Kriterien des Waldbaukonzeptes NRW dargestellt. Die Auskunftsseite des WMS stellt die Eigenschaften für jede Fläche dar und bietet Verknüpfungen zu den Informationen des Waldbaukonzeptes NRW. Es handelt sich um eine Auswertung der Bodenkarte von NRW 1 : 5.000 in Verbindung mit Klimaprojektionsdaten für NRW für das Szenario RCP4.5 des Deutschen Wetterdienstes (2071-2100, DWD) und Reliefdaten (DGM10, Geobasis NRW). Es werden alle Bodenflächen dargestellt, von denen zum Zeitpunkt der Bereitstellung eine digitale Bodenkarte zur Forstlichen Standorterkundung - BK5 F - vorliegt.

Nachverfolgung des Lebenszyklus von Eiskeimen zur Verbesserung von Klimaprojektionen

Wolken und Aerosole beeinflussen den Energiehaushalt und den Wasserkreislauf der Erde. Die Wolkenphase – ob eine Wolke aus Wassertröpfchen oder Eispartikeln besteht – beeinflusst den Strahlungseffekt der Wolken, da Wolkentröpfchen zahlreicher und kleiner sind als Eispartikel und daher mehr Sonnenstrahlung reflektieren.Durch die Erwärmung der Erde und der Atmosphäre durch den Klimawandel werden in Mischphasewolken (die aus Wassertröpfchen und Eispartikel bestehen können) Eispartikel teilweise durch Wassertröpfchen ersetzt und die Wolkenalbedo nimmt zu. Das führt zu einer negativen Rückkopplung, der sogenannten Wolkenphasenrückkopplung. Die Stärke dieser Rückkopplung hängt in Klimamodellen von der Repräsentation der Eisnukleation ab. Es wird immer deutlicher, dass die Schwankungsbreite von Klimaprojektionen (+1,8 bis +6,5 K) in der neuen Generation von Klimamodellen stark von der simulierten Wolkenphasenrückkopplung abhängt. Der gesellschaftliche Nutzen einer Verbesserung der Genauigkeit von Klimaprojektionen wird auf über 10 Millionen Millionen US-Dollar geschätzt. Eine bessere Darstellung der Eisbildung im Mischphasenregime in Klimamodellen ist deshalb dringend erforderlich.Aerosole können als Eiskeime, die das Gefrieren von Tröpfchen bewirken, die Häufigkeit von Eiswolken erhöhen und die Wolkenbedeckung und den Wassergehalt verringern. Insbesondere Mineralstaub kontrolliert häufig die Eisbildung in Wolken.In früheren Studien habe ich wichtige Diskrepanzen bezüglich der staubgetriebenen Wolkenvereisung im ECHAM-HAM Klimamodell und Satellitenbeobachtungen identifiziert, die sehr wahrscheinlich auch in anderen Klimamodellen vorhanden sind. Um diese zu beheben, werde ich in ECHAM-HAM Eisprozesse implementieren, die für das staubgetriebene Gefrieren von Wolkentröpfchen relevant sind, aber derzeit noch fehlen: Erstens werde ich eine Nachverfolgung von Eiskeimen implementieren, insbesonders deren Entfernung durch Niederschlagsbildung nach dem Gefrieren von Wolkentröpfchen. Dies sollte die Überschätzung der staubgetriebenen Wolkenvereisung über dem Südpolarmeer im Modell verringern. Zweitens werde ich eine Kategorie für Staub-Eiskeime hinzufügen, die bei Temperaturen unter -35 °C voraktiviert werden. Dies soll zu einem verstärkten Gefrieren von Wolkentröpfchen in Mischphasenwolken führen, was die im Modell gefundene generelle Unterschätzung des staubgetriebenen Gefrierens von Tröpfchen erklären und reduzieren soll. Drittens werde ich das Recycling von Staub-Eiskeimen nach der Sublimation von Eiskristallen implementieren. Dies soll ebenfalls zu einer Verbesserung des Gefrierens von Tröpfchen führen und den im Modell beobachteten Bias zusammen mit den anderen neuen Prozessen beseitigen. Diese neuen Prozesse werden anhand weltraumgestützter Beobachtungen evaluiert und ihre Auswirkungen auf die Wolkenphasenrückkopplung und die Klimasensitivität werden untersucht werden.

Aktualisierung der Datenbasis für die Anpassung an den Klimawandel in Deutschland, Teilprojekt 1: Koordination und Optimierung der Modellkonfiguration (DWD)

Deutscher Beitrag zu Klimaprojektionen für CMIP7 - AR7 Fast Track, DECK- und ScenarioMIP-Simulationen, Teilprojekt 4: ICON-XPP Landkohlenstoffkreislauf (MPI-B)

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