Jede kennt Wetter, denn Wetterphänomene sieht und spürt man, wenn man draußen ist. Es ist kalt oder warm, es gibt Wolken oder keine, es regnet oder nicht und der Wind weht mit einer bestimmten Windstärke aus einer bestimmten Richtung.
Klima kann man nicht direkt spüren, den Klima ist "der mittlere Zustand" des Wetters gemittelt über einen langen Zeitraum, z.B. über 30 Jahre.
Wenn man sagt "Gestern Abend war es sehr warm", dann meint man das Wetter. Wenn man sagt "Als ich jung war, da war es im Winter sehr kalt", dann meint man das Klima.
Man sagt: "Wetter ist was man bekommt, Klima ist was man erwartet" (siehe z.B. https://gutezitate.com/zitat/129964).
Was bedeutet dies? Bekommt man gar kein Klima? Wenn das stimmt, wieso kann es dann ein Klimaproblem geben? Schauen wir uns eine Definition von Klima an. Auf einer Internetseite des Umweltbundesamtes (https://www.umweltbundesamt.de/service/uba-fragen/was-ist-eigentlich-klima) findet man dies:
"Klima ist der mittlere Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem bestimmten Gebiet über einen längeren Zeitraum. Als Zeitspanne empfiehlt die Weltorganisation für Meteorologie (WMO – World Meteorological Organization) mindestens 30 Jahre, aber auch Betrachtungen über längere Zeiträume wie Jahrhunderte und Jahrtausende sind bei der Erforschung des Klimas gebräuchlich. Das Klima wird durch statistische Eigenschaften der Atmosphäre charakterisiert, wie Mittelwerte, Häufigkeiten, Andauerverhalten und Extremwerte meteorologischer Größen."
Klima wird also unter anderem durch Mittelwerte charakterisiert, also z.B. dem Mittelwert der Temperatur an einen Ort oder in einem Gebiet über einen langen Zeitraum, z.B. über 30 Jahre.
Aussagen wie "früher war es hier deutlich kälter" sind Aussagen über das Klima. Genauso eine Aussage wie "Man erwartet, dass es hier in Zukunft deutlich wärmer wird". Ob diese Aussagen stimmen oder nicht, dass ist eine andere Frage. Die letzte Aussage drückt eine Erwartung für die Zukunft aus und passt daher zum oben genannten Zitat.
Die Erwartung kann auch sehr konkret sein, zum Beispiel so: "Wenn sich das CO2 in der Atmosphäre im Vergleich zum vorindustriellen Wert verdoppelt hat, dann wird die neue globale Mitteltemperatur nahe des Erdbodens um 3 Grad gestiegen sein". Wobei Klimaforscher dies vermutlich nie so sagen würden. Und zwar aus mehreren Gründen. Ein Grund ist, dass das Klimasystem Erde träge reagiert und eine Temperaturänderung als Folge einer bestimmten Ursache (hier die CO2-Zunahme) Zeit braucht. Die "neue Temperatur" kann also auch erst viele Jahre später erreicht werden und wann dies der Fall ist hängt von sehr vielen sehr schwer zu berücksichtigenden Faktoren ab.
Aber darum soll es hier nicht gehen (mehr dazu später). Ein anderer Grund ist, dass diese Aussage mit Sicherheit nicht eintreten wird, da keiner eine genaue Temperatur exakt vorhersagen kann. Man kann diese nur schätzen und muss den entsprechenden Wert zusammen mit einem Unsicherheitsbereich angeben.
Zum Beispiel so: "Die Temperatur wird mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% im Bereich 1,5 und 4,5 Grad liegen, wobei der wahrscheinlichste Wert nahe 3 Grad liegt. Also kurz gesagt, die zukünftige Temperatur wird aller Voraussicht nach 3 ± 1,5 Grad betragen." Da dies eine Aussage über das Klima sein soll bedeutet dies, dass "3 Grad" ein Mittelwert bezeichnet und dieser mit einer erheblichen Unsicherheit behaftet ist.
Beachte, dass ein Mittelwert nicht unbedingt existieren muss: Bei einem idealen Würfel ist der Mittelwert der Augenzahlen von 1 bis 6 nämlich 3,5. Diese Zahl kommt jedoch bei einem Würfel gar nicht vor. Auch dies passt zum obigen Zitat, dass man nämlich nur Wetter bekommt aber kein Klima.
Aber nun wollen wir uns ein konkretes Beispiel ansehen um den Unterschied zwischen Wetter und Klima noch einmal zu verdeutlichen: Hierzu schauen wir uns als konkretes Beispiel die Temperatur der Atmosphäre zwei Meter über dem Erdboden an (also die sogenannte 2-Meter-Temperatur).
Temperatur kann man mit einem Thermometer messen und jeder hat vermutlich schon Thermometer benutzt, sei es im Krankheitsfall, um Festzustellen ob man Fieber hat, oder um die Zimmer- oder Außentemperatur zu bestimmen. Während noch vor einigen Jahrzehnten z.B. zum Fiebermessen fast ausschließlich Quecksilberthermometer benutzt wurden, hat man heute die Wahl und kann sich z.B. für ein digitales kontaktloses Thermometer entscheiden, welche Infrarotstrahlung misst und diese in einen Temperaturwert umrechnet, welcher dann auf dem Display angezeigt wird. Die Temperaturmessung "aus der Ferne" (also ohne direkte Berührung) mittels Strahlung entspricht genau dem Prinzip der Satellitenmessung der Temperatur von Erdboden und Atmosphäre. Hierzu später mehr. Hier soll es erst einmal nur um das Ergebnis gehen, also um gemessene Temperaturen. Atmosphärische Temperaturmessungen gibt es schon sehr lange.
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) führt zum Beispiel solche Messungen durch und stellt sie auf seinen Internetseiten der Allgemeinheit zur Verfügung (https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klarchivtagmonat.html).
Abbildung 10 zeigt eine solche Zeitreihe für die Station Hohenpeißenberg. Gewählt wurde hier eine monatliche zeitliche Auflösung aber eine tägliche Auflösung wäre uch möglich gewesen. Hohenpeißenberg ist das älteste Bergobservatorium der Welt, liegt 80 km südwestlich von München im Alpenvorland und erfasst seit 1781 meteorologische Daten (https://www.dwd.de/DE/derdwd/standorte/observatorien/mohp/mohp.html).
Die in Abbildung 10 gezeigte Zeitreihe umfasst den Zeitraum 1781 – 2019. Was sieht man? Man sieht die Schwankungen der Temperatur aber keinen offensichtlichen Trend. Erst wenn man genauer hinschaut (siehe Abbildung 11) erkennt man, dass der Grund hierfür die starken jahreszeitlichen Schwankungen sind, insbesondere die hohen Temperaturen im Sommer im Vergleich zu den niedrigere Temperaturen im Winter. Große Schwankungen sind typisch für Wetter und würden hier Daten mit noch höherer Zeitauflösung gezeigt (z.B. stündlich), dann wären die Schwankungen sogar noch größer.
Abbildung 10: Temperatur-Zeitserie Hohenpeißenberg 1781 - 2019 dargestellt mittels monatlicher Mittelwerte. Quelle: DWD (https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klarchivtagmonat.html).
Abbildung 11: Wie die vorherige Abbildung 10 jedoch nur für den Zeitraum 2001 - 2004. Jeder Punkt entspricht einem Monatsmittelwert. Die Augusttemperaturen sind als schwarze Punkte gekennzeichnet.
Wäre man ein sogenannter Klimaskeptiker (bzw. ein Klimawandeleugner), dann könnte man hier aufhören und sagen: Es gibt keinen Klimawandel, siehe Abbildung 10. Die Temperatur schwankt und das hat sie schon immer getan. Insbesondere gibt es keinen Trend. Den behaupteten Temperaturanstieg (von etwas über 1 Grad Celsius relativ zur vorindustriellen Zeit) gibt es laut dieser Messreihe gar nicht.
Das stimmt aber so nicht, wie eine weitere Analyse dieser Daten zeigt. Der Grund dafür, dass man den relative kleinen Temperaturanstieg von etwa einen Grad in den letzten Jahrzehnten nicht in Abbildung 10 erkennen kann, liegt darin, dass Abbildung 10 Monatsmittelwerte der Temperatur zeigt. Diese zeigen Schwankungen im Bereich 20 Grad einfach aufgrund hoher Temperaturen im Sommer und niedrigerer Temperaturen im Winter. Diese Schwankungen innerhalb eines jeden Jahres kann man aber durch Mittelung der Monatswerte eliminieren. Das Resultat, also die jährlichen Temperaturmittelwerte, sind in Abbildung 12 dargestellt. Hier sieht man, dass die Schwankungen von Jahr zu Jahr deutlich kleiner sind als die Schwankungen der Monatsmittelwerte (nämlich nur noch etwa ±1 Grad anstatt ±10 Grad). Jetzt sieht man einen klaren Anstieg der Temperatur in den letzten Jahrzehnten von etwa 2 Grad von den 1960er Jahren bis zu den 2010er Jahren. Dieser Anstieg war natürlich vorher in den Originaldaten auch vorhanden aber nicht deutlich sichtbar wegen der großen Variabilität der Monatsmittelwerte. Der Temperaturanstieg ist keine Besonderheit dieser Messstation, wie Messungen an anderen Stationen zeigen (Abbildung 13 - Abbildung 15).
Abbildung 12: Jahresmittelwerte der Temperatur berechnet aus den in Abbildung 10 gezeigten Monatsmittelwerten.
Abbildung 13: Wie Abbildung 12 aber für die Station Bremen. Quelle: DWD (https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klarchivtagmonat.html).
Abbildung 14: Wie Abbildung 12 aber für die Station Stuttgart-Echterdingen. Quelle: DWD (https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klarchivtagmonat.html).
Abbildung 15: Wie Abbildung 12 aber für die Station Zugspitze. Quelle: DWD (https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klarchivtagmonat.html).
Die erwartete Klimaänderung durch die Emission von Treibhausgasen drückt sich also u.a. durch eine Zunahme des Mittelwertes der Temperatur aus. Misst man die Temperatur an einem Ort in regelmäßigen Abständen in einem bestimmten Zeitraum (z.B. in einem bestimmten Monat), so stellt man fest, dass die Temperaturwerte meist einer glockenförmigen Verteilung folgen. Temperaturen am oder nahe am Mittelwert kommen am häufigsten vor aber es kommen auch Temperaturen vor, die mehr oder weniger deutlich vom Mittelwert abweichen.
Abbildung 16 zeigt schematisch zwei mögliche Häufigkeitsverteilungen, welche sich nur durch eine Verschiebung des Mittelwertes unterscheiden. Es ist hier also angenommen, dass sich das zukünftige Klima vom bisherigen Klima nur durch eine Verschiebung des Mittelwertes unterscheidet. Das ist eine einfache aber vernünftige Annahme. Aber natürlich kann dies in der Realität komplizierter sein (und ist es auch), denn auch die Schwankung um den Mittelwert könnte sich ändern. Wie Abbildung 16 zeigt, kann selbst eine kleine Verschiebung des Mittelwertes eine drastische änderung der Häufigkeit extremer Werte bedeuten. So kommen in diesem Beispiel Tage sehr großer Hitze (also Tage sehr hoher Temperatur) im neuen Klima sehr viel häufiger vor (roter Bereich) als im früheren Klima (hellblauer Bereich).
Abbildung 16: Vergleich zweier Häufigkeitsverteilungen, die sich nur durch eine Verschiebung des Mittelwertes unterscheiden. Wie man sieht, ändert sich insbesondere die Häufigkeit extremer Werte, hier die Anzahl sehr heißer und sehr kalter Tage.
Man erwartet also eine Zunahme extremer Werte bestimmter Parameter durch den Klimawandel. Insbesondere erwartet man eine Zunahme von Perioden großer Hitze, also sogenannter Hitzewellen, und eine Zunahme von Ereignissen, welche mit dem Wasser-Kreislauf zu tun haben, also eine Zunahme oder Abnahme der Regenperioden einschließlich Starkregenereignissen mit der Folge von überschwemmungen oder Dürreperioden. Beispiel für solche Extremereignisse ist die Hitzewelle in Nordamerika 2021 (https://de.wikipedia.org/wiki/Hitzewelle_in_Nordamerika_2021) und die Flutkatastrophe in Deutschland ebenfalls in Jahre 2021 (https://de.wikipedia.org/wiki/Hochwasser_in_West-_und_Mitteleuropa_2021).
Wie gesagt, dies ist "Wetter, dass man bekommt". Man erwartet eine Zunahme solcher Extreme als Folge des Klimawandels aber man kann bei einzelnen Ereignissen nicht mit Sicherheit sagen, ob diese oder jenes Ereignis durch den Klimawandel verursacht sind. Bestenfalls kann man eine Wahrscheinlichkeit dafür angeben. Die Berechnung solcher Wahrscheinlichkeiten ist Gegenstand der Forschung, und zwar der sogenannten Zuordnungsforschung oder Attributionsforschung (siehe z. B. https://de.wikipedia.org/wiki/Zuordnungsforschung).