Freitag, 7. November 2025

Warning Signals from the Sea: The Ocean in a Changing Climate (2025 Update)

Abstract

The ocean plays a pivotal role in Earth’s climate system, absorbing most of the excess heat and a substantial fraction of human-emitted CO₂.  Recent data confirm accelerated ocean warming, rising sea levels, and widespread ecosystem stress.  For example, the global ocean reached a record surface temperature of about 21 °C in spring 2024 , and record high ocean heat content was reported in 2024 .  Sea levels have risen by over 22 cm since 1900 and are currently rising at ~3–4 mm/yr on average .  These changes intensify extreme events: marine heatwaves are now ~20 times more frequent than in the 1980s , fueling coral bleaching and extreme weather.  Marine life is under multiple stresses: over 37% of global fish stocks are overfished , key species (e.g. sharks) have plunged 70+% since the 1970s , and ~1–2 million tonnes of plastic enter the oceans every year .  These warning signals have prompted new policies: the UN’s 2023 High Seas Treaty commits to protecting international waters , and the EU now targets 30% marine protection by 2030 (10% no-take areas) .  Nevertheless, as the ocean warms and ecosystems degrade, urgent action is needed to mitigate climate change and preserve marine resilience.


Introduction

The Earth has warmed sharply over recent decades, driven by greenhouse gas emissions.  In 2024 the global land–ocean temperature reached ~1.3 °C above the 20th-century average (≈1.46 °C above 1850–1900 levels), making it the warmest year on record .  The ocean has buffered much of this warming: it has absorbed about 90% of the excess heat from human emissions and roughly 25% of emitted CO₂ .  This immense capacity moderates atmospheric warming but also leads to rapid changes in the ocean itself.  Since the turn of the 21st century the upper 2000 m of the ocean have warmed steadily, setting new heat-content records in recent years .  As the ocean warms, water expands and ice melts, driving sea-level rise; global mean sea level has climbed over 20 cm in the past century .  These shifts in turn affect weather patterns and ecosystems worldwide.  Classical sources (e.g. the 2003 report Warnsignale aus dem Meer) warned of such trends; this update reviews the latest findings (as of late 2025) on ocean warming, sea level, extreme events, marine life impacts, and the policies developed in response.

The Ocean and Climate Regulation

The ocean is Earth’s largest heat and carbon reservoir, crucially regulating climate.  Covering ~71% of the surface, its vast heat capacity means it absorbs the great majority of warming.  Climate scientists note that “the oceans store 90% of the excess heat in the Earth system” .  Similarly, about 25–30% of anthropogenic CO₂ is taken up by the ocean .  This uptake slows atmospheric warming but increases ocean acidity and stratification.  Ocean circulation (e.g. the Atlantic Meridional Overturning Circulation, including the Gulf Stream) redistributes heat globally, moderating regional climates such as Western Europe’s.  Biological processes also regulate climate: phytoplankton photosynthesis and the marine carbon pump transport carbon to the deep sea, where it can be stored for centuries.  Coastal ecosystems (mangroves, seagrasses, salt marshes) sequester carbon (“blue carbon”) and buffer storms.  In short, the ocean acts as a giant thermal and chemical buffer.  Without it, land temperatures would rise much faster.  For example, EPA highlights that if not for the ocean’s heat uptake, atmospheric warming from greenhouse gases would be far more extreme (not shown here).  The ocean also moderates weather (through evaporation and heat release) and influences patterns like monsoons and El Niño.  In summary, by absorbing heat and CO₂ the ocean has slowed climate change – but this has come at the cost of rapid changes in the ocean itself .

Ocean Warming and Sea Level Rise

Recent years have brought record ocean temperatures and accelerating sea-level rise.  Satellite and in-situ observations show the upper ocean warming strongly: global average sea surface temperature (SST) has risen ~0.88 °C since the late 19th century .  Regional trends vary: Copernicus reports that the Northeastern Atlantic has warmed at +0.27 °C per decade since 1982, about double the global rate .  In spring 2024 the global ocean surface hit a record ~21 °C , and recent IPCC assessments find the upper 2000 m of the ocean at unprecedented heat content .  As heat is absorbed, seawater expands; since 1971 the ocean has absorbed ~50% of observed sea-level rise, with the remainder from melting glaciers and ice sheets .  Satellite altimetry (Figure 1) now measures global mean sea level rising by roughly 3.3 mm/year (±0.3) averaged over 1993–2023 .  Crucially, this rate is accelerating: during the 1990s it was ~2.1 mm/yr, doubling to ~4.5 mm/yr by 2024 .  Overall, sea level has risen about 11.1 cm since 1993 , and 22.8 cm since 1900 .  The IPCC confirms that human activities (thermal expansion + melt) are the dominant cause, and projects continued rise for centuries even if emissions stabilize .

Statistics and Trends

  • Ocean Heat Content: The top 2000 m warmed steadily since 1970; NOAA notes record high heat content in 2024 .
  • Sea Surface Temperature: Global mean SST +0.88 °C (1850–1900 to 2011–2020) .
  • Global Warming: The decade 2015–2024 had 9 of the 10 warmest years on record. In 2024 the surface temperature was ~1.46 °C above pre-industrial .
  • Sea Level: +3.3 mm/yr (1993–2023; NASA) , ~+4 mm/yr (2006–2018; IPCC) . Total rise ~22–23 cm since 1900 .
  • Acceleration: Current SLR rate is ~30% higher than in the 1990s , and models show rise continuing even if warming is limited .


Impacts and Examples

Thermal expansion and melting ice amplify coastal flooding and erosion.  For example, coastal cities already experience higher tides and more frequent “nuisance” floods.  A 30-cm rise can turn a 1-in-100-year storm surge into a much more frequent event .  Regions like the western US and Pacific islands face severe risks.  Polar and high-altitude regions see amplified effects: as Greenland and Antarctic ice sheets lose mass, sea level responds globally .  Mountain glaciers shrink, reducing summer river flows downstream.  The warming ocean also degrades coral reefs through bleaching and fuels tropical storms (addressed below).  In sum, current data paint a clear picture: the ocean is warming and expanding at unprecedented rates, serving as a sentinel of ongoing climate change .

Extreme Events and Ocean Circulation Disruption

Warming oceans intensify extreme weather and can disrupt major currents.  Marine heatwaves – prolonged anomalous ocean warmth – have surged in frequency and severity.  IPCC reports that since the early 1980s these events are now “more than twenty-fold” more frequent due to anthropogenic warming .  Notably, the Great Barrier Reef experienced three catastrophic bleaching episodes in just five years (2016, 2017, 2020) after 35 years with none .  Widespread bleaching and coral die-offs illustrate how even small temperature rises (1–2 °C) during heatwaves can collapse reef ecosystems.  Other marine systems show damage: kelp forests in California have declined due to recurrent heatwaves, and cold-water species in Arctic seas face shrinking habitat.

On weather, a record-warm ocean surface adds energy to the atmosphere.  For instance, NOAA reported 85 named tropical storms globally in 2024 (42 typhoons, 23 hurricanes), including 4 Category-5 cyclones – well above the long-term average .  The North Atlantic saw 18 storms (11 became hurricanes, 5 major) in 2024 , related to elevated ocean heat content.  Warm oceans also contribute to heavier rainfall in cyclones and extended droughts elsewhere.  While the total number of storms may not rise dramatically, theory and observations suggest the strongest storms will become more frequent and intense, as warmer water provides more evaporation and fuel.

Global warming can also alter ocean circulation.  The Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC, which includes the Gulf Stream) is projected to slow.  IPCC AR6 states a full collapse this century is “very unlikely” under current scenarios , but models agree the AMOC will weaken, reducing northward heat transport.  Evidence hints at recent slowdown in the North Atlantic, though data are limited .  Even modest weakening could cool parts of Northern Europe and shift storm tracks, while contributing to regional sea-level changes.  Other gyres and upwelling systems will also shift: for example, models project a weakening of equatorial Pacific trade winds and altering of the Walker Circulation , which can influence El Niño patterns.  In summary, the ocean’s changing circulation is itself a potential feedback on climate, and one more reason to monitor marine changes closely.

Marine Biodiversity Under Climate Stress

Marine life is under unprecedented stress from combined climate and human pressures.  Heat stress, acidification, and deoxygenation – all consequences of warming – are altering habitats.  Coral reefs have fared worst: rising temperatures cause bleaching and mortality.  As noted, Australia’s Great Barrier Reef saw three back-to-back mass bleachings within five years .  Globally, entire reef systems (Caribbean, Pacific, Indian Ocean) suffer repeated events that threaten collapse.  Warming is also shifting species’ ranges: many fish and plankton species are moving poleward or to deeper, cooler waters.  A NOAA indicator shows widespread northward shifts of coastal species due to rising sea temperatures (e.g. Atlantic cod moving north) .  These shifts disrupt fisheries and ecosystems; some tropical fish now appear in temperate zones.

Ocean acidification – caused by CO₂ dissolving in seawater – lowers pH and erodes shells.  Ocean pH has already dropped from ~8.2 to 8.1 (a ~25% increase in acidity since 1750).  IPCC notes the ocean will continue acidifying under all scenarios .  Critically, Copernicus finds that over 10% of marine biodiversity “hotspots” are acidifying faster than average, threatening organisms from corals to plankton .  Recent assessments warn that a large fraction of endangered corals (over 15%) and most critically endangered corals (≈30%) are simultaneously hit by warming and acidification .  Shell-building species (oysters, mussels, pteropods) are similarly at risk, which can ripple up the food chain.

Human exploitation compounds climate stress. Overfishing has depleted stocks worldwide: 37.7% of marine fish stocks are now overfished , down from 10% in the 1970s.  Predatory fish (sharks and rays) have suffered ~71% declines since the 1970s, mainly due to fishing .  As big fish vanish, ecosystems become unbalanced (e.g. trophic cascades).  Bycatch and habitat damage from trawling further reduce biodiversity.  Pollution is another major threat: about 1–2 million tonnes of plastic are dumped into the oceans annually .  Marine animals ingest or entangle in plastic, which also transports toxic chemicals and invasive species.  Nutrient runoff from agriculture causes coastal “dead zones” (hypoxic waters), killing local life.  In sum, climate change is a force-multiplier on existing impacts.  A marine environment already stressed by overfishing and pollution is now less resilient to warming, leading to biodiversity loss and ecosystem shifts.

Real-world example: The unprecedented 2023 heatwave in the North Atlantic Tropical Ocean affected over 99% of the region simultaneously. It lasted hundreds of days in places, devastating plankton blooms and fish stocks.  Coral reefs in the Eastern Pacific and Central Atlantic have also recently suffered bleaching events that scientists directly attribute to human-driven warming.  These events illustrate that the frequency and magnitude of marine extremes have escalated dramatically .

Policy and Protection Measures

Governments and organizations have begun responding with new policies and agreements.  Internationally, the United Nations Sustainable Development Goal 14 (“Life Below Water”) sets targets to protect the ocean.  For example, SDG14 calls for preventing marine pollution and conserving at least 10% of marine areas (initially by 2020) .  It also mandates ending harmful fisheries subsidies by 2020 .  In 2023 the UN concluded a landmark High Seas Treaty, formally adopted in June, to create marine protected areas in international waters .  Once ratified by enough countries (60 required), this treaty will fill a major governance gap beyond national jurisdictions.

At the EU level, the European Green Deal and Biodiversity Strategy for 2030 contain ambitious ocean measures.  The EU has pledged to protect 30% of its marine and coastal areas by 2030, with one-third of that in no-take reserves .  (In practice, only ~2% of EU seas currently have fully effective protections , so implementation is urgent.)  The EU’s Marine Strategy Framework Directive mandates “Good Environmental Status” for European seas, including targets on biodiversity, pollution, and fish stocks.  The Common Fisheries Policy aims to end overfishing and IUU (illegal, unreported) fishing, with rules on catch limits and discards.  The EU also regulates maritime pollution (e.g. ship emissions and plastic) under the Marine Pollution Convention (MARPOL).  In mid-2023, the European Commission launched an Ocean Action Plan and an Ocean Pact to coordinate marine protection with climate goals.

Regionally, conventions like OSPAR (North-East Atlantic) and HELCOM (Baltic) set shared objectives.  For instance, OSPAR’s 2020 strategy requires addressing climate change and biodiversity together.  Many countries have declared targets (e.g. 30% by 2030 under 30×30 commitments).  Global stock-take reports (IPCC, IPBES) and initiatives like the Global Ocean Alliance continue to pressure action.

Overall, the policy landscape is richer than 20 years ago, reflecting the ocean’s recognized role in climate.  However, there remain large gaps between goals and implementation.  Recent analyses note that despite high-level targets, many MPAs are “paper parks” lacking enforcement .  Integration of climate and ocean policy is still evolving: fora like COP28 and the UN Ocean Conference (2025) are starting to focus more on ocean issues.  In summary, governments have pledged significant protections (e.g. SDG14 targets, EU 30% pledge, UN high-seas treaty ), but turning those pledges into robust, enforced action is the critical next step.

Conclusion

The ocean is both a victim and a regulator of climate change.  It has mitigated global warming by absorbing heat and carbon, but it is now clearly showing warning signals of anthropogenic stress.  Satellite and observational data confirm record ocean temperatures, accelerating sea levels, and unprecedented marine extremes.  Marine ecosystems are under siege from warming, acidification, overfishing, and pollution.  These changes threaten vital services – climate regulation, fisheries, coastal protection – that human societies depend on.  Encouragingly, international science (IPCC, Copernicus) and policy actors (UN, EU, regional bodies) are mobilizing to address these threats.  Effective solutions will require rapid reductions in CO₂ and other emissions, strong protection of marine areas, sustainable fisheries management, and pollution controls.  The latest findings make it clear: the ocean’s health is integral to the climate we live in, and protecting it is essential to ensuring a habitable planet.  As John F. Kennedy once said of the Moon mission, meeting this challenge will require “boldness, imagination, and diligence.” The time to act on the warning signals from the sea is now.

References


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  • EPA. Climate Change Indicators: Ocean Heat Content. U.S. Environmental Protection Agency (2024) .
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Numerische Klimamodelle – Stand der Forschung bis 2025

Einleitung

Das physikalische Klimasystem umfasst alle Prozesse, die Wetter und Klima formen, einschließlich Atmosphäre, Hydrosphäre (Ozeane), Kryosphäre (Eis, Gletscher), Biosphäre und Landoberfläche . Seit AR6 ist klar, dass alle Bereiche des Klimasystems im Wandel sind (globale Erwärmung, Anstieg des Ozean- und Eisbedeckten), was sich auch in beobachteten Indikatoren zeigt . Die wissenschaftliche Modellierung dieses Systems spielt eine zentrale Rolle für Prognosen und politische Entscheidungen (IPCC, Paris-Ziele 2 °C/1,5 °C ). Klimamodelle – von einfachen Strahlungsbilanzmodellen bis zu modernen Erdsystemmodellen (ESM) – werden ständig weiterentwickelt. Wichtige internationale Initiativen wie das WCRP-Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) und CORDEX liefern standardisierte Modell-Experimente, die Grundlage für IPCC-Berichte sind . Diese Übersicht fasst den Stand der Forschung zu den Themen des 2002 erschienenen Artikels „Numerische Klimamodelle – was können sie, wo müssen sie verbessert werden?“ auf dem aktuellen Stand (bis 2025) zusammen. Dabei werden die Kapitel des Originals zu Klimasystem, Treibhauseffekt, Wolken, innerer Variabilität, Erdbahnparametern, Sonnen- und Vulkaneinflüssen übernommen und jeweils anhand neuer Erkenntnisse.



1 Klimasystem der Erde



1.1 Komponenten und Prozesse

Das Klimasystem besteht aus den eng gekoppelten Subsystemen Atmosphäre, Ozean, Kryosphäre, Landoberfläche und Biosphäre . Externe Antriebe sind solare Einstrahlung, Treibhausgaskonzentrationen und vulkanische Aerosole. Innerhalb des Systems vermitteln Prozesse wie Strahlung, Konvektion, Feuchtigkeitstransport, Ozeanzirkulation, Eisschmelze und Biogeochemie den Energie- und Stoffaustausch. Der natürliche Treibhauseffekt aus Wasserdampf und CO₂ hält die Erde etwa 33 °C wärmer als ohne Treibhausgase . Neben kurzfristiger Variabilität (Tage/Jahre) gibt es natürliche Klimaschwankungen (El Niño/La Niña, NAO, PDO etc.), deren Bedeutung durch langfristige Muster wie die Milanković-Zyklen (Erdneigung, Exzentrizität, Präzession) ergänzt wird .


1.2 Beobachtung und Modellierung


Die Klimaentwicklung wird durch ein dichtes Netz an Beobachtungen dokumentiert: Wetterstationen, Ballonsonden, Schiffs- und Bojenmessungen, Flugzeugbeobachtungen sowie Satelliten und Radar liefern umfassende Daten . Hinzu kommen Paläoklimarekonstruktionen (Eiskerne, Baumringe) für die längerfristige Perspektive. Reanalyse-Datensätze integrieren Beobachtungen mit Wettermodellen zu konsistenten Datensätzen .


Numerische Modelle lösen die physikalischen Grundgleichungen unter Einbeziehung wichtiger Prozesse. Moderne globale Modelle arbeiten inzwischen häufig als Erdsystemmodelle (ESM), die neben Atmosphäre und Ozean auch Kohlenstoffkreislauf, Aerosol‑, Chemie- und Ökosystemprozesse integrieren . Dank steigender Rechenleistung haben sich Auflösung und Detailtiefe stark verbessert: Globale Atmosphärenmodelle erreichen heute teilweise 1/4-Grad-Gitter (≈ 25 km) , Ozean- und Landmodelle sind ähnlich hochaufgelöst.


Modellverbesserungen seit dem 21. Jahrhundert umfassen: bessere Darstellung von Wolkenphysik, Höhenturbulenzen und Niederschlägen; neue Parametrisierungen für Konvektion, Eisbedeckung, Vegetation und Permafrost; sowie explizite Chemie- und Aerosolmodule . Ensemble‑Verfahren spielen eine immer größere Rolle: In Mehrfach-Realisationen (Initialbedingungs‑Ensembles) oder Multi-Model-Ensembles (verschiedene Modelle) werden Unsicherheiten durch Anfangsbedingungen, Modellunterschiede und Szenarien quantifiziert . So können interne Variabilität und Modellunsicherheit getrennt werden. Diese Modell‑Ensembles dienen als wichtigste Grundlage für IPCC‑Projektionen (CMIP5/CMIP6) . Regionale Feinheiten werden zudem durch Downscaling-Experimente (CORDEX, regionale Klimamodelle) erschlossen .


2 Der natürliche Treibhauseffekt



2.1 Funktionsweise des Treibhauseffekts


Als natürlicher Treibhauseffekt wird die Erwärmung der Erde infolge von Treibhausgasen bezeichnet. Ohne ihn wäre die globale Mitteltemperatur etwa 33 °C niedriger . Hauptverantwortlich sind Wasserdampf und CO₂; daneben tragen Methan (CH₄), Distickstoffoxid (N₂O) und Spurengase bei. Diese Gase absorbieren langwellige Wärmeabstrahlung der Erde und emittieren sie zum Teil zurück zur Oberfläche, was die Atmosphäre erwärmt. Parameterisierungen dieser Strahlungsprozesse sind heutzutage in Klimamodellen sehr ausgefeilt: Hochspektrale Strahlungscodes berechnen Treibhaus-Effekte mit <1 % Fehler . Seit AR5 sind die Forcing-Formeln aktualisiert (z.B. Etminan et al. 2016), sodass Methan- und CO₂-Interaktionen genauer erfasst sind .


2.2 Aktueller Antrieb durch Treibhausgase


Seit der vorindustriellen Zeit (um 1750) sind CO₂, CH₄ und N₂O stark angestiegen. CO₂ stieg von etwa 285 ppm (1850) auf 410 ppm (2019) . IPCC AR6 gibt das menschengemachte Strahlungsantriebsbudget 2019 gegenüber 1750 mit 2,72 W/m² an (beste Schätzung; 5–95 % Konfidenz Intervall: 1,96–3,48 W/m²) . Davon entfielen ca. 0,34 W/m² (seit 2011) allein auf zusätzliches CO₂ und andere GHG . Gegenläufig wirken heutige Aerosole (Feinstaub) und Landnutzungsänderungen (Veränderung der Albedo) als kühlender Einfluss.


Die robuste Abschätzung dieses Forcings ist für Modelle entscheidend. IPCC und andere Studien haben die Forcing-Modelle verfeinert: Etminan et al. (2016) lieferten z.B. aktualisierte Gleichungen für CO₂, CH₄, N₂O, die in CMIP6 übernommen wurden . Aktuelle Modelle simulieren den Kohlenstoffkreislauf meist interaktiv – d.h. sie berechnen, wie Ozeane und Vegetation CO₂ aufnehmen oder freisetzen. Dies ermöglicht e­ine Abschätzung des noch verfügbaren „CO₂-Restbudgets“ und von Feedback-Mechanismen (Waldcarbon, Bodenatmung). Aus ESM-Simulationen lässt sich beispielsweise das Transient Climate Response to Cumulative Emissions (TCRE) ableiten, eine Schlüsselgröße für die Emissionsbudgetplanung .


2.3 Politischer Kontext und Szenarien


Im Rahmen des Pariser Abkommens streben nahezu alle Länder an, die Erwärmung auf unter 2 °C (idealerweise 1,5 °C) zu begrenzen . Klimamodelle schätzen, wieviel CO₂ dafür noch emittiert werden darf. Dabei kommen verschiedene Zukunftsszenarien zum Einsatz: Die CMIP5-Szenarien (RCPs) wurden seit AR6 von den SSP-Szenarien abgelöst, die sozioökonomische Entwicklungswege mit Emissionspfaden verknüpfen . Modelle liefern Klima-Projektionen für Szenarien von hohem bis niedrigem Emissionspfad. Ein Beispiel ist AR6 selbst: Dieser nutzte CMIP6-Simulationen mit SSPs (bis SSP1-1.9, das nahezu im Einklang mit 1,5 °C steht) für die Projektion zukünftiger Klimaänderungen .


3 Wolken und Klima


Wolken modifizieren sowohl einfallende Sonnenstrahlung als auch ausgehende Wärmestrahlung und sind daher entscheidend für das Energiebudget der Erde. Tiefe, dichte Wolken reflektieren viel Sonnenlicht (Abkühlungseffekt), hohe Zirruswolken hingegen fangen Wärmestrahlung ein (Wärmeeffekt). Wie sich Wolken im Klimawandel verändern und welchen Netto-Effekt sie damit haben (Wolken-Feedback), war lange Zeit der größte Unsicherheitsfaktor in Modellen .


Aktuelle Forschung zeigt: Die Wolken-Rückkopplung ist sehr wahrscheinlich positiv, d.h. Wolken verstärken die globale Erwärmung. Neuere Modelle und Beobachtungen deuten darauf hin, dass in einer wärmeren Welt tropische Tieflagen‑Wolken abnehmen und damit weniger Sonnenlicht reflektieren, während die Höhe der tropischen Zirruswolken steigt und dadurch mehr Wärme zurückhält . Hohe Breitengrade zeigen oft mehr Wasser‑Wolken und weniger Eiskristalle, was zwar einen kühlen Effekt bedeutet (mehr Rückstrahlung), aber insgesamt überwiegt der erwärmende Effekt . Dieser Befund, dass Wolken netto wärmen, gibt es mit „hoher Sicherheit“ in AR6 .


Modellseitig wurden Wolkenprozesse seit 2002 stark verbessert: Superparametrisierung (Einbettung von Konvektionsmodell in großes Modell) und CRM-Ansätze (Cloud-Resolving Models) erlauben explizite Simulation von Wolkenfeldern, zumindest lokal. Aerosol‑Wolken‑Wechselwirkungen (indirekte Effekte) werden mit komplexeren Mikrophysik-Modellen behandelt. Satelliten wie MODIS, CloudSat und CALIPSO liefern präzisere Daten über Wolkenbedeckung, -höhe und -optische Tiefe. Diese Beobachtungen erlauben eine kalibrationsbasierte Verbesserung von Wolkenparametrisierungen. Dennoch bleiben Wolken immer noch die größte Quelle der Klimasensitivitätsunsicherheit. Ensemble‑Studien und „Emerging Constraints“ nutzen Beobachtungen zur Einschränkung von Wolken‑Feedbacks in Modellen.


4 Klimavariabilität durch interne Wechselwirkungen


Neben externen Antrieben (Treibhausgase, Sonne, Vulkane) besitzt das Klimasystem eine starke interne Variabilität. Diese umfasst natürliche Moden wie ENSO (El Niño–Südliche Oszillation), die Nordatlantische Oszillation (NAO), den Pazifischen Dekadischen Oszillation (PDO) u.a. Sie entstehen durch nichtlineare Wechselwirkungen in Atmosphäre und Ozean und können regionale Klima­schwankungen auf Zeit­skalen von Monaten bis Jahrzehnten hervorrufen.


Klimamodelle reproduzieren viele dieser Moden qualitativ, weisen aber oft Phasen- und Amplituden-Biases auf. Wichtige Fortschritte sind große Ensemble-Simulationen: Einzelne Modelle werden oft mehrfach mit minimal veränderten Anfangsbedingungen gerechnet (Initial Condition Ensembles). So lassen sich interne Schwankungen von den durch Antriebe bedingten Änderungen trennen . Ein Beispiel aus AR6 (MPI Grand Ensemble) zeigt, dass alle Ensemble-Mitglieder denselben langfristigen Trend in Ozean-Wärmeinhalt aufweisen, während die kurzfristigen Trends in globaler Temperatur, UK-Sommertemperatur und arktischem Meereis stark variieren können . Daraus folgt: Auf kurzen (dekadischen) Skalen können die internen Schwankungen kurzzeitig den langfristigen Erwärmungstrend überdecken oder verstärken .


Ein bekanntes Beispiel war die verlangsamte Erwärmung von 1998–2012: AR6 stellt fest, dass diese Pause überwiegend durch interne Variabilität (insbesondere einen negativen Pazifischen Dekadischen Oszillations-Impuls) sowie leicht verringerte solare Aktivität und vulkanisches Forcing verursacht wurde . Entsprechend verbesserten initialisierte Dekaden-Prognosen (Hindcasts) mit realitätsnaher Ozean-Phase die Vorhersage der globalen Mitteltemperatur für 2000–2020 deutlich im Vergleich zu uninitialisierten Läufen .


Insgesamt ist die interne Variabilität auf globaler Mittelmaßstab klein im Vergleich zur langfristigen Erwärmung, gewinnt aber an Bedeutung bei regionalen und kurzfristigen Prognosen. Klimaforscher nutzen daher Datenbasierte Großensembles (beispielsweise durch Oszillations-Extraktion aus Beobachtungen) und Model-Emulatoren, um die Rolle dieser Schwankungen zu quantifizieren und Unsicherheiten abzuschätzen .


5 Variabilität der Erdbahnparameter und Klimaänderungen


Auf sehr langen Zeitskalen (Jahrtausende bis Jahrmillionen) modulieren die Milanković-Zyklen das Klima. Diese entstehen durch periodische Änderungen der Erdumlaufbahn und -achsenneigung: Exzentrizität (~100 000 Jahre), Schiefe der Ekliptik (~41 000 J.) und Präzession (~23 000 J.) . Diese Zyklen verursachen große Schwankungen der Sonneneinstrahlung in hohen Breiten und sind der hauptsächliche Taktgeber der Eiszeit‑Interglazial‑Wechsel. Heute ist bekannt, dass allein orbital gesteuerte Insolationsänderungen nur wenige Grad Temperaturunterschied erklären würden; für den Klimawandel sind Verstärkungs‑Feedbacks (v.a. Eis-Albedo und Wasserdampf) entscheidend .


Moderne Klimamodelle berücksichtigen orbitalen Forcing vor allem in Paläosimulationen. Dazu werden sie oft in gekoppelter Weise mit Eis‑Modellen und dynamischer Vegetation eingesetzt, um vergangene Eiszeiten (z.B. letzte 800 000 Jahre) zu rekonstruieren. Der Stand der Technik ermöglicht es inzwischen, die Abkühlung ins Eiszeitalter und die Eisverdünnung in den Interglazialen zu simulieren. Allerdings sind solche Rechnungen extrem rechenintensiv, sodass dafür häufig vereinfachte Modelle oder sehr lange Simulationszeitschritte (niedrige Auflösung) benutzt werden. Für die dekadische bis Jahrhundertskala (Gegenwart und Zukunft) sind orbitale Änderungen vernachlässigbar, da sie auf Zehntausende Jahre wirken.


6 Sonnenvariabilität und Klimaschwankungen


Die solare Einstrahlung unterliegt kurz- und langfristigen Schwankungen. Bekannt ist vor allem der elfjährige Sonnenflecken-Zyklus, der die Total Solar Irradiance (TSI) periodisch um etwa 1–2 W/m² (≈0,1 %) ändert. Messungen seit Ende der 1970er Jahre zeigen, dass sich die solare Einstrahlung seither nur geringfügig verändert hat (Trend leicht negativ) . Klimamodelle nutzen rekonstruiertes TSI-Forcing (z.B. auf Basis von Baumringen, Eisbohrkernen) für die letzten 100–1000 Jahre. Langzeitminimum (z.B. Maunder-Minimum) bzw. Maxima können regionale Effekte (z.B. Meereszirkulation) modulieren.


In modernen Simulationen trägt der solare Forcing-Anteil zum aktuellen Klimawandel nur wenig bei. AR6 stellt fest, dass Veränderungen der Sonnenstrahlung im letzten Jahrhundert „nur einen kleinen Beitrag“ zur Netto-Radiativbilanz geleistet haben, verglichen mit Treibhausgasen und Aerosolen . Für den Zeitraum 1998–2012 hebt AR6 hervor, dass leichte Abkühlungstendenzen auch durch einen Abschwung der Sonnenaktivität beigetragen haben, der jedoch die menschengemachte Erwärmung nur partiell ausgeglichen hat . In Projektionen wird erwartet, dass die Sonne in Zukunft weiterhin ungefähr konstant bleibt (abgesehen von normalen Zyklen), sodass ihr Einfluss auf die globale Erwärmung gering bleibt. Zusätzlich wird in manchen Studien die kurzfristige Sonnenaktivität (UV, ozeanische Kopplung) analysiert, doch der Hauptbefund ist, dass der anthropogene Treibhaus-Effekt dominiert.


7 Klimaänderungen durch Vulkane


Explosive Vulkanausbrüche injizieren große Mengen Schwefeldioxid (SO₂) und Asche in die Stratosphäre, wo sich daraus langlebige Sulfat-Aerosole bilden. Diese Aerosole reflektieren Sonnenlicht und können global eine kurzzeitige Abkühlung von einigen Jahren bewirken. Beispiele aus der Geschichte zeigen dies eindrücklich: Der Ausbruch des Tambora (1815) führte zu einer globalen Temperaturdämpfung um etwa 0,8 °C in den Folgejahren , was lokal zu „Jahr ohne Sommer“ und Ernteausfällen führte. Auflösungsschaubilder aus Eisbohrkernen schätzen, dass Ausbrüche der Größenordnung Tambora selbst im 21. Jh. mit einiger Wahrscheinlichkeit auftreten können (Abb. 1 in Chim et al., 2024).


In Klimaprojektionen hat man traditionell die Vulkanaktivität als „Konstantantrieb“ angesetzt (z.B. Mittelwert des historischen Forcings), weil zukünftige Ausbrüche kaum vorhersehbar sind . Neue Arbeiten zeigen jedoch, dass diese Annahme die Unsicherheit unterschätzt. Ein aktuell im Communications Earth & Environment erschienener Artikel (2024) rechnet vor, dass bei einer stochastischen Vulkanforcing-Annahme die Unsicherheit in Temperaturprojektionen bis 2029 auf bis zu 49 % ansteigen kann – und dass das Einbeziehen zukünftiger Ausbrüche die Wahrscheinlichkeit für eine Überschreitung von 1,5 °C (bei starkem Klimaschutz) um einige Prozentpunkte senkt .


Modelltechnisch wurden Vulkaneffekte durch verbesserte Aerosol-Module und Observationsdaten (z.B. Satelliten-Messungen der Aerosol-Optischen-Dichte, wie SAGE-II, CALIPSO) genauer abgebildet. Die simulierten Abkühlungen nach Pinatubo (1991) oder El-Chichón (1982) stimmen gut mit Beobachtungen überein. Doch bleiben Unsicherheiten: Ausmaß der SO₂-Emissionen, Verteilung im Weltraum und Rückkopplungen mit Ozon sind noch nicht endgültig geklärt. Angesichts der politischen Relevanz (Klimarisiken durch Ausbrüche) wird vorgeschlagen, zukünftige Modelle mit zufälligem Vulkanforcing auszustatten oder mindestens Szenarien mit starken Ausbrüchen zu berücksichtigen.


Fazit


In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich numerische Klimamodelle enorm weiterentwickelt. Moderne ESMs bieten hohe räumliche Auflösung und integrieren physikalische, chemische und biologische Prozesse umfassend . Sie liefern robuste Projektionen für Temperatur, Niederschlag, Meeresspiegel u.v.m. und bilden das Rückgrat wissenschaftlicher Klimaanalysen und IPCC-Bewertungen.


Trotz aller Fortschritte bleiben zentrale Unsicherheiten bestehen: Wolkenrückkopplung sowie regionale Extremwerte (Hitze, Starkregen, tropische Wirbelstürme) sind nach wie vor herausfordernd . Auch die interne Variabilität auf dekadischen Skalen erfordert große Ensembles, um Trends sicher zu identifizieren . Die Repräsentation der Land‑, Eis‑ und Kohlenstoffkreisläufe verbessert sich stetig, doch besonders auf sehr langen Zeitskalen (Eiszeiten) sowie bei komplexen Rückkopplungen (Permafrost-Tau, Vegetationsänderungen) bedarf es noch besserer Modelle.


Politisch ist die Modelllage klar: Nur eine erhebliche Reduktion der Treibhausgasemissionen kann die Erwärmung auf 1,5–2 °C begrenzen. Die aktuellen Klimamodelle zeigen, dass bei heutigen Pfaden dieses Ziel überschritten wird. Der zukünftige Modell-Fokus liegt daher darauf, Emissionsszenarien und deren Folgen besser abzubilden (z.B. CO₂-Entnahmeszenarien), Unsicherheiten weiter zu quantifizieren (Stochastic Forcing, ensembles) und immer realistischere Randbedingungen (Satelliten- und Bodenbeobachtungen, Data Assimilation) einzubinden. Die enge Verzahnung von Klimaforschung, Beobachtung und Politik (IPCC, Weltorganisation WMO, etc.) bleibt entscheidend, um Modelle weiter zu verbessern und die Klimaentscheidungen auf eine solide wissenschaftliche Basis zu stellen.


Literaturhinweise


  • IPCC 2021: Climate Change 2021 – The Physical Science Basis, Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report, Summary for Policymakers, Technical Summary, FAQs und Kapitel (Masson-Delmotte et al., Hg.).
  • WMO 2023: Climate Projections in the Next Phase of CMIP (WMO Bulletin, Nov. 2023) .
  • NASA 2020: Milankovitch (orbital) cycles and their role in Earth’s climate .
  • Bothe et al. 2024: Neglecting future sporadic volcanic eruptions underestimates climate uncertainty (Commun. Earth Environ.), DOI: 10.1038/s43247-025-02208-1 .
  • Weitere Quellen: Lokale Klimaüberwachungen, Fachartikel und Datensätze (z.B. ARGO-Ozeanprofiling, CORDEX-Downscaling). (Die hier zitierten IPCC-Zahlen, AR6-Feststellungen und Modellvergleiche entstammen hauptsächlich den verlinkten IPCC-Kapiteln und Begleitliteratur.)