Human impacts on the 2015 equatorial Asia drought: the role of air-sea coupling in the event attribution study

Wenn Wissenschaftler versuchen zu verstehen, warum ein bestimmtes extremes Wetterereignis aufgetreten ist, stellen sie oft eine einfache, aber tiefgründige Frage: Wie sehr hat der menschengemachte Klimawandel die Wahrscheinlichkeit für dieses Ereignis erhöht? Dieses Feld, bekannt als Ereignisattribution (Event Attribution), stützt sich auf komplexe Computermodelle des Erdklimas. Um eine Antwort zu erhalten, führen Forscher typischerweise zwei Sätze von Simulationen durch. Ein Satz bildet die Welt nach heutigem Stand nach, mit all den Treibhausgasen, die Menschen emittiert haben. Der andere stellt eine „kontrafaktische“ Welt vor, in der diese Emissionen nie stattgefunden hätten, was eine Basislinie der natürlichen Klimavariabilität darstellt. Indem Forscher vergleichen, wie häufig eine bestimmte Katastrophe, wie etwa eine schwere Dürre, in diesen zwei verschiedenen Welten auftritt, können sie den menschlichen Beitrag zum Risiko des Ereignisses berechnen.

Die Erde ist jedoch ein System, in dem die Atmosphäre und der Ozean in einem ständigen, dynamischen Gespräch gefangen sind. Die Temperatur der Meeresoberfläche beeinflusst die Luft darüber, und der Wind sowie der Regen wiederum kühlen oder erwärmen den Ozean. Jahrelang haben Forscher für diese Attributionsstudien oft einen vereinfachten Typ von Modell verwendet. Diese Modelle behandeln den Ozean als statische Kulisse, die der Atmosphäre eine feste Temperaturkarte zuführt, ohne dass die Atmosphäre im Gegenzug den Ozean verändern kann. Während dieser Ansatz Zeit und Rechenleistung spart, ignoriert er die Zwei-Wege-Rückkopplung, die einen Großteil unseres Wetters antreibt. Es bleibt die Frage: Spielt dieses fehlende Gespräch eine Rolle, wenn wir versuchen, die Ursachen einer spezifischen Katastrophe zu bestimmen?

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Akira Hasegawa von der Universität Tokio setzte sich genau zu dieser Frage mit der schweren Dürre auseinander, die während der Trockenzeit 2015 in Äquatorasien auftrat. In jenem Jahr führte ein massives El-Niño-Ereignis, das durch ungewöhnlich warme Ozeanwasserflächen im zentralen Pazifik gekennzeichnet war, dazu, dass die globalen Windmuster, die normalerweise Regen in die Region bringen, abgeschwächt wurden. Das Ergebnis war ein verheerender Mangel an Niederschlag. Die Forscher wollten wissen, ob die standardmäßigen, vereinfachten Modelle ein genaues Bild davon lieferten, wie sehr die menschliche Erwärmung zu dieser Trockenperiode beigetragen hat, oder ob die fehlende Ozean-Rückkopplung die Ergebnisse verzerrte.

Um die Antwort zu finden, führte das Team zwei verschiedene Arten groß angelegter Computerexperimente durch. Die erste Art nutzte ein voll gekoppeltes Modell, bei dem Atmosphäre und Ozean frei interagieren konnten, indem sie Wärme und Feuchtigkeit austauschten, genau wie es in der Realität geschieht. Der zweite Typ war ein atmosphärenbasiertes Modell, bei dem der Ozean gezwungen war, exakt so zu bleiben wie im ersten Experiment, unfähig, auf die sich ändernden Winde und Wolken über ihm zu reagieren. Beide Sätze von Simulationen wurden unter zwei Szenarien durchgeführt: eines, das die tatsächlichen historischen Bedingungen von 2015 widerspiegelte, und ein anderes, das eine Welt ohne menschengemachte Erwärmung darstellte. Durch den Vergleich der Ergebnisse dieser vier verschiedenen Simulationsgruppen konnten die Forscher den spezifischen Einfluss der Luft-Meer-Interaktion auf ihre Schlussfolgerungen isolieren.

Die Ergebnisse offenbarten einen signifikanten Fehler im vereinfachten Ansatz. In den atmosphärenbasierten Simulationen entwickelte das Modell einen beständigen Bias: Es überschätzte die Aufwärtsbewegung der Luft über dem Philippinischen Meer, einer Region nördlich des dürrebetroffenen Gebiets. In der realen Welt und im voll gekoppelten Modell reagiert der Ozent auf diese aufsteigende Luft, indem er die Oberfläche abkühlt, was die Stärke dieser Aufwärtsbewegung natürlich begrenzt. Da das vereinfachte Modell jedoch nicht in der Lage war, den Ozean abkühlen zu lassen, stieg die Luft ungehindert auf. Diese übermäßige Aufwärtsbewegung im Norden erzwang eine kompensierende Abwärtsbewegung über Äquatorasien, was die Region in dem Modells Baseline-Klima wesentlich trockener erscheinen ließ, als sie es tatsächlich ist.

Diese künstliche Trockenheit hatte eine direkte und irreführende Auswirkung auf die Attributionsergebnisse. Da das vereinfachte Modell mit einem Klima begann, das bereits zu trocken war, erschien die Dürre von 2015 im Vergleich dazu nicht so extrem. In statistischen Begriffen berechnete das Modell, dass die Wahrscheinlichkeit eines solchen Trockenereignisses in einer Welt ohne menschengemachte Erwärmung sehr gering sei. Wenn die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses in einer „No-Warming“-Welt gering ist und das Ereignis dennoch in der realen Welt eintritt, legt die Mathematik nahe, dass der menschliche Einfluss sehr hoch sein muss. Folglich schätzte das atmosphärenbasierte Modell, dass die menschliche Aktivität für etwa 4 % des Risikos der Dürre von 2015 verantwortlich war.

Im Gegensatz dazu zeichnete das voll gekoppelte Modell, das den Ozean atmen und reagieren ließ, ein anderes Bild. Indem es die Kühlungsrückkopplung über dem Philippinischen Meer korrekt simulierte, erzeugte es ein genaueres Baseline-Klima, das nicht künstlich trocken war. In dieser realistischeren Simulation war die Dürre von 2015 immer noch ein seltenes Ereignis, aber sie war nicht so selten, wie das vereinfachte Modell suggerierte. Der berechnete menschliche Beitrag zum Risiko sank signifikant auf etwa 20 Prozent. Die Studie legt nahe, dass die Vernachlässigung der Fähigkeit des Ozeans, auf die Atmosphäre zu reagieren, die Rolle der menschlichen Erwärmung bei dieser spezifischen Katastrophe um mehr als das Doppelte überschätzt hat.

Die Forscher fanden heraus, dass beide Modelle zwar korrekt identifizierten, dass das El-Niño-Ereignis der primäre Treiber der Dürre war, das vereinfachte Modell jedoch die natürliche Variabilität des regionalen Klimas nicht erfassen konnte. Die atmosphärenbasierten Simulationen konnten die komplexe Beziehung zwischen der Meeresoberflächentemperatur und dem Niederschlag, die in der realen Welt existiert – insbesondere in Gebieten, die von Ozeanen umgeben sind, wie Äquatorasien –, nicht reproduzieren. Dies führte zu einem systematischen Fehler, bei dem das Modell die Wahrscheinlichkeit schwerer Dürren, die natürlich auftreten, unterschätzte, was wiederum den berechneten Einfluss des Klimawandels aufblähte.

Diese Arbeit diskreditiert nicht den Wert vereinfachter Modelle, die weiterhin nützlich für viele Arten der Klimaforschung sind. Sie hebt jedoch eine kritische Einschränkung hervor, wenn man extreme Ereignisse in Regionen untersucht, in denen der Ozean und die Atmosphäre eng miteinander verknüpft sind. Die Studie deutet darauf an, dass die alleinige Verwendung von Modellen, die den Ozean als passiven Schauplatz behandeln, bei Ereignissen wie der Äquatorasien-Dürre von 2015 zu einer Überschätzung des menschlichen Einflusses führen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Wissenschaftler, um die Fingerabdrücke des Klimawandels auf spezifische Katastrophen wirklich zu verstehen, das vollständige, zweiseitige Gespräch zwischen dem Meer und dem Himmel berücksichtigen müssen.