Hintergrundinformationen zur Methodik (Szenarien & Modelle)

Methodik und Legende

In STEPSEC werden unterschiedliche Modelle verwendet, die mit Informationen aus verschiedenen Szenarien gespeist werden. Bei den Szenarien handelt es sich sowohl um sozioökonomische Entwicklungspfade (SSPs) als auch um Klimaszenarien (RCPs). Der folgende Text erklärt einerseits die Funktionsweise der verwendeten Modelle und andererseits die generelle Zusammensetzung und Logik der sozioökonomischen und naturräumlichen Szenarien. Außerdem werden zum leichteren Verständnis und als Interpretationshilfe die Kategorien der Legende der Landnutzungskategorien näher erläutert.

Leitfragen:

Was sind SSPs und RCPs?
Wie lautet deren Kurzbeschreibung für Deutschland?
Welche Modelle werden in STEPSEC verwendet? 
Welche Annahmen liegen der Landnutzungslegende zugrunde?

Was sind SSPs und RCPs?

SSPs: Szenarien zur sozioökonomischen Entwicklung einer Gesellschaft

Unter SSPs (Shared Socioecoomic Pathways) versteht man eine Reihe unterschiedlicher Szenarien, die verschiedene mögliche Entwicklungen einer Gesellschaft, basierend auf Annahmen über sozioökonomische Treiber wie Demographie, wirtschaftliche Entwicklung, technologischer Fortschritt, Konsumverhalten oder Urbanisierung, beschreiben. Die SSPs liefern somit eine ökonomische und gesellschaftliche Begründung für zukünftige Treibhausgasemissionsverläufe. Insgesamt gibt es fünf verschiedene SSPs, die erstmals 2014 als globale Szenarionarrative entwickelt wurden und im 6. Sachstandsbericht des IPCC eingeführt wurden. 

Die fünf globalen Szenarionarrative sind in sich konsistente Beschreibungen…

• eines auf Nachhaltigkeit ausgerichteten Wachstums und des Ausgleichs bestehender Ungleichheiten (SSP1).
• einer Welt der "Mitte", in der die Trends im Großen und Ganzen ihren historischen Mustern folgen (SSP2).
• einer fragmentierten Welt des "wieder auflebenden Nationalismus" (SSP3).
• einer Welt, in der die Ungleichheit stetig zunimmt (SSP4).
• einer Welt mit raschem und ungebremstem Wachstum der Wirtschaftsleistung und des fossilen Energieverbrauchs (SSP5).

Diese Szenarien lassen sich entlang der beiden Achsen “sozioökonomische Herausforderungen für Klimaschutz” und “sozioökonomische Herausforderungen für Anpassung” entsprechend verorten (siehe Abb. 1).

Abb. 1: Globale SSP-Narrative verortet nach Herausforderungen für Klimaschutz und Anpassung (eigene Darstellung nach O’Neill et al. 2014)

SSP1 und SSP5 beschreiben relativ optimistische Trends für die menschliche Entwicklung, unterscheiden sich jedoch insofern, als SSP5 davon ausgeht, dass diese Entwicklung durch eine energieintensive, auf fossilen Brennstoffen basierenden Wirtschaft vorangetrieben wird, während in SSP1 eine zunehmende Verlagerung hin zu nachhaltigen Praktiken zu beobachten ist. SSP3 und SSP4 sind deutlich pessimistischer, was die künftige wirtschaftliche und soziale Entwicklung angeht. SSP2 schreibt historische Entwicklungsmuster im 21. Jahrhundert fort. Die SSPs enthalten dabei noch keine Politikmaßnahmen zu Klimaschutz oder Anpassungsfragen. Derartige Annahmen können jedoch im weiteren Modellierungsverlauf in Form sogenannter Shared Policy Assumptions (SPAs) ergänzt werden. 

Die Narrative der Szenarien lassen zum Teil Interpretationsspielraum, wodurch die genaue Ausgestaltung der jeweiligen “Welt” sehr unterschiedlich ausfallen kann. Außerdem sind auch vermeintliche Widersprüche enthalten. Beispielsweise kann eine Welt, in der fossile Brennstoffe intensiv genutzt werden (SSP5), durch übermäßigen Einsatz von Kohlenstoffabscheidung und -speicherung ambitionierte Klimaziele theoretisch erreichen. 

Im Forschungsprojekt STEPSEC wurden, ausgehend von einer umfangreichen Literaturrecherche und den bestehenden globalen SSP-Narrativen, unter Einbeziehung diverser Akteure aus unterschiedlichen Fachbereichen insgesamt sechs auf Deutschland bezogene SSP-Narrative entworfen, die um wesentliche landnutzungsrelevante Aspekte erweitert wurden. Das sechste nationale SSP-Narrativ entstand durch eine Aufsplittung des SSP1 (nachhaltige Welt) in ein “Grünes Wachstum” (SSP1a) und ein “Postwachstum”-orientiertes (SSP1b) Szenario. Diese beiden für Deutschland entwickelten SSP1 Szenarien lassen sich wie folgt in der SSP-Grafik verorten (siehe Abb. 2). Im Folgenden werden die sechs SSP-Narrative kurz umschrieben. Ein Verweis auf die Langfassung ist ebenso enthalten. 

Abbildung 2: Nationale SSP-Narrative verortet nach Herausforderungen für Klimaschutz und Anpassung (eigene Darstellung nach O’Neill et al. 2014)

Kurzbeschreibungen der SSP-Narrative für Deutschland:

SSP1a: Grünes Wachstum

Dank umfassender staatlicher Unterstützung und klarer Nachhaltigkeitsstandards entwickelt sich Deutschland zu einem internationalen Vorreiter nachhaltiger Wirtschaftsmodelle. Traditionelle Industriezweige wie die Automobil-, Chemie- und Stahlindustrie sichern ihre globale Marktposition durch kontinuierlichen technologischen Fortschritt und Dekarbonisierung. Gleichzeitig entstehen durch innovative, umwelt- und sozialverträgliche Technologien neue Märkte, die insbesondere von einem modernen, gerechten Bildungssystem sowie einer leistungsstarken Forschungslandschaft getragen werden. Die Gesellschaft zeichnet sich durch eine ausgeprägte Sensibilität für Nachhaltigkeit, gemeinsame Werte und großes Vertrauen in die Demokratie aus, die von friedlichem Protest, breiter Beteiligung und einem starken Sozialstaat profitiert. Konsummuster (z. B. hinsichtlich nachhaltig produzierter Waren und Technik) bleiben trotz eines deutlichen Rückgangs des Fleischkonsums auf hohem Niveau. Die Landwirtschaft reagiert wirkungsvoll auf veränderte gesellschaftliche Anforderungen, und der Umbau der Wälder hin zu einer integrativen Bewirtschaftung wird frühzeitig eingeleitet. Die Langfassung des SSP1a-Narrativs finden Sie hier.

SSP1b: Postwachstum

In diesem Szenario wird ein umfassender gesellschaftlicher Wandel beschrieben, in dem das Wohlbefinden der Menschen und die Wiederherstellung der Natur gezielt über das Wirtschaftswachstum gestellt werden. Bottom-up-Initiativen stärken das Bewusstsein für den Wert von Ökosystemen, soziale Gerechtigkeit und demokratische Teilhabe, stoßen jedoch anfangs auf erhebliche Widerstände. Darauf aufbauend werden politische Entscheidungen zunehmend an den Prinzipien der Gerechtigkeit und Gleichheit ausgerichtet (z. B. durch eine progressive Steuerpolitik). Dies verringert soziale und regionale Ungleichheiten, stärkt den gesellschaftlichen Zusammenhalt und das Vertrauen in demokratische Prozesse. Sozial relevante, bisher jedoch unbezahlte Tätigkeiten wie Sorgearbeit gewinnen im Verhältnis zur Erwerbsarbeit deutlich an Bedeutung und treiben so die Transformation zu einem auf Degrowth ausgerichteten Wirtschaftsmodell voran. Dadurch rückt das Gemeinwohl stärker in den Mittelpunkt und es werden gezielt Entwicklungsmöglichkeiten für den Globalen Süden geschaffen. Mit der Zunahme suffizienzorientierter Lebensstile und der Einführung umfassender Regulierung durch öffentliche Institutionen sinkt der gesellschaftliche Konsum (z.B. von materiellen Gütern und Energie) drastisch. Lokale und zirkuläre Wirtschaftskreisläufe werden systematisch gestärkt, während traditionelle deutsche Industriebranchen wie die Automobil- und Stahlindustrie rasch dekarbonisiert werden und die Abhängigkeit von globalen Lieferketten sinkt. Nicht nachhaltige oder gemeinschaftsorientierte Wirtschaftssektoren werden bewusst zurückgefahren, wodurch sich der Welthandel verringert und eine nachhaltige, widerstandsfähige Wirtschaft mit Fokus auf langfristige Stabilität entsteht.

SSP2: Der mittlere Weg

Dieses Szenario ist von einer Fortführung bestehender Entwicklungen geprägt, wobei sich Herausforderungen etwa durch den demografischen Wandel (z. B. Fachkräftemangel) verschärfen und regionale sowie soziale Ungleichheiten zunehmen. Die politischen Entscheidungen in Deutschland zielen vor allem darauf ab, bestehende Strukturen zu erhalten, während technologische Fortschritte vorwiegend in Schlüsselbranchen wie der Automobilindustrie, dem Maschinenbau und der Chemiebranche stattfinden. Langsame Digitalisierungsprozesse und strukturelle Probleme wie der Lehrkräftemangel belasten das Bildungssystem zusätzlich. Zugleich stellt die wachsende soziale und politische Polarisierung, ausgelöst durch die zunehmenden Ungleichheiten, den gesellschaftlichen Zusammenhalt auf die Probe. Trotz eines gestiegenen Umweltbewusstseins und einer höheren Nachfrage nach nachhaltigen Produkten im Ernährungssektor bleiben Lebensstile und Konsummuster auf einem hohen, ressourcenintensiven Niveau bestehen. Politische Maßnahmen, darunter Subventionen und Regulierungen, sind aufgrund institutioneller und bürokratischer Hürden häufig ineffizient. Dies verlangsamt den Ausbau erneuerbarer Energien und die wirtschaftliche Transformation und trägt zugleich zur Verstärkung der politischen Polarisierung bei. Deutschland bleibt zwar wirtschaftlich und politisch einflussreich innerhalb der EU und setzt sich für soziale sowie ökologische Standards ein, blockiert diese jedoch mitunter auch.

SSP3: Regionale Rivalität

Wachsende existenzielle Sorgen in der Gesellschaft werden politisch nur unzureichend adressiert und führen zu verstärkter Polarisierung sowie zu einem Vertrauensverlust in demokratische Institutionen. Nationalistische Bewegungen gewinnen politisch an Einfluss und setzen protektionistische Maßnahmen durch, wodurch der internationale Handel auf wenige Partner mit ähnlichen Wertvorstellungen beschränkt wird. Dies führt zu wirtschaftlicher Stagnation, die die Mittelschicht in Deutschland schwächt und regionale sowie soziale Ungleichheiten verschärft. Die wirtschaftliche Entwicklung fokussiert sich auf traditionelle Industriezweige und die Rückverlagerung von Industrie und Produktion nach Deutschland. Umweltstandards sowie Klima- und Ressourcenschutz werden abgeschwächt, während die Förderung nationaler fossiler Energiereserven reaktiviert und ausgebaut wird. Investitionen konzentrieren sich vor allem auf den Sicherheits- und Verteidigungssektor, während die Förderung von Bildung und technologischer Entwicklung stagniert. Infolge sinkenden Wohlstands und rückläufigen gesellschaftlichen Konsums schrumpft der Dienstleistungssektor deutlich, und die Beschäftigung verlagert sich zunehmend in den primären Sektor (Landwirtschaft, Forstwirtschaft) und die Industrie. Unterbrochene Migrationsströme sowie der demografische Wandel führen zu einem Bevölkerungsrückgang. Trotz eines zunehmenden Zusammenhalts innerhalb einzelner sozialer Gruppen bleiben soziale und regionale Ungleichheiten bestehen, und das Armutsrisiko steigt deutlich an. Die Langfassung des SSP3-Narrativs finden Sie hier.

SSP4: Ungleichheit

Gezielte Investitionen in Technologie und Automatisierung ermöglichen es der deutschen Wirtschaft, neue Märkte schnell zu erschließen und insbesondere in innovativen Bereichen wie IT, Robotik und erneuerbaren Energien eine internationale Wettbewerbsfähigkeit aufzubauen. Gleichzeitig gewinnen wirtschaftliche Eliten, große Unternehmen und Lobbygruppen zunehmend politischen Einfluss. Sie beeinflussen die Entscheidungsprozesse zu ihren Gunsten und untergraben damit demokratische Prozesse und Institutionen. Infolgedessen werden öffentliche Investitionen, vor allem in Bildung und Infrastruktur, drastisch gekürzt. Technologische Fortschritte erfolgen rasch und fördern das Wirtschaftswachstum. Dabei helfen sie, den Herausforderungen des demografischen Wandels, wie dem Fachkräftemangel entgegenzuwirken. Gleichzeitig führen sie jedoch zu erheblichen Arbeitsplatzverlusten, insbesondere in traditionellen Industrien, die sich strukturell verändern. Dies verschärft soziale und regionale Ungleichheiten sowie die Polarisierung, wodurch die deutsche Mittelschicht schrumpft und die Urbanisierung durch verstärkte Abwanderung aus ländlichen Regionen beschleunigt wird. Technologische Fortschritte, einschließlich der Gentechnik, transformieren die Land- und Forstwirtschaft rasch. Preisanstiege machen Fleisch zum Privileg der Eliten, während die Mehrheit auf In-vitro-Fleisch angewiesen ist. Deutschland profitiert international von globalisierten Märkten und reduzierten Handelsbarrieren, was die Ausbeutung des Globalen Südens weiter verstärkt.

SSP5: Fossil befeuerte Entwicklung

Der demografische Wandel und Energieengpässe, ausgelöst durch regionale und überregionale Spannungen, hemmen zunächst das Wirtschaftswachstum in Deutschland. Dies führt zu politischer Polarisierung und erstarkendem Populismus, was unter anderem zu einer Ablehnung der Energiewende führt. Um Wohlstand und Energieversorgung zu sichern, werden bestehende Umweltstandards abgeschafft und nationale Energiereserven, darunter Kohle und Fracking, priorisiert. Umfangreiche Subventionen und Investitionen in die Bildung, insbesondere in MINT-Fächer (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik), fördern Innovationen, während die Bildung für nachhaltige Entwicklung an Bedeutung verliert. Traditionelle deutsche Industrien wie Automobil-, Chemie- und Elektrotechnik profitieren von aufgehobenen Standards, Effizienzsteigerungen, internationaler Wettbewerbsfähigkeit und ressourcenintensiven Lebensstilen. Neue Märkte entstehen vor allem im Bereich der Informationstechnologie. Die wirtschaftliche Erholung und das hohe Konsumniveau ermöglichen umfangreiche öffentliche Investitionen in soziale Sicherungssysteme, die zu sozialer Stabilität und Wohlstand führen. Während das Armutsrisiko deutlich sinkt, bleiben soziale Ungleichheiten bestehen. Konsum- und ressourcenintensive Lebensstile sowie die wachsende Nachfrage nach Fleisch und Luxusgütern treiben das Wirtschaftswachstum weiter voran, wobei die Energieversorgung überwiegend von fossilen Brennstoffen abhängt. Effiziente staatliche Institutionen stärken den gesellschaftlichen Zusammenhalt und sichern ein hohes Vertrauen in die Demokratie. Die Langfassung des SSP5-Narrativs finden Sie hier.

RCPs: Klimaszenarien

Die Representative Concentration Pathways (RCPs) oder auch Klimapfade sind Szenarien, die zeigen, wie sich die Konzentration von klimarelevanten Treibhausgasen in der Atmosphäre bis Ende des Jahrhunderts und darüber hinaus entwickeln könnte. Sie geben dafür den zu erwartenden Strahlungsantrieb in Watt pro Quadratmeter an, also die Summe aller in der Atmosphäre existierenden klimarelevanten Störungen. Ausgehend davon werden mit Hilfe unterschiedlicher Modelle zum einen die von den jeweiligen Strahlungsantrieben verursachten Klimaänderungen berechnet und zum anderen wird ermittelt, auf welchen Treibhausgasemissionsverläufen diese letztendlich basieren.

Für die Klimamodellierungen wird in der Regel aus folgenden RCP-Szenarien ausgewählt: 

• RCP1.9 (sehr geringer Strahlungsantrieb): Der Anstieg der globalen Mitteltemperatur beträgt bis zum Jahr 2100 weniger als 1,5°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau.
• RCP2.6 (relativ niedriger Strahlungsantrieb): Der Anstieg der globalen Mitteltemperatur beträgt bis zum Jahr 2100 weniger als 2°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau.
• RCP4.5 (mittlerer Strahlungsantrieb): Der Anstieg der globalen Mitteltemperatur beträgt bis zum Jahr 2100 ca. 2,6°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau.
• RCP7.0 (hoher Strahlungsantrieb): Der Anstieg der globalen Mitteltemperatur beträgt bis zum Jahr 2100 ca. 3,6 °C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau.
• RCP8.5 (sehr hoher Strahlungsantrieb): Der Anstieg der globalen Mitteltemperatur beträgt bis zum Jahr 2100 ca. 4,8°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau.

Die Zahl in der Bezeichnung beschreibt dabei den durch menschliches Handeln zusätzlich verursachten Strahlungsantrieb (in W/m2) gegen Ende des 21. Jahrhunderts. Dieser beruht auf einem Anstieg der Treibhausgaskonzentration und ist maßgeblich für das Ausmaß der zukünftigen Klimaeinflüsse. Ein gegebener Strahlungsantrieb kann prinzipiell aus unterschiedlichen sozioökonomischen Entwicklungen (SSPs) resultieren.

Diese Logik entspricht der neuesten Generation von Szenarien, die im 6. Sachstandsbericht des IPCC für zukünftige Klimaprojektionen eingeführt wurde. Dabei handelt es sich um "SSP basierte RCPs", die zukünftige gesellschaftliche Verhältnisse beschreiben und als Basis zur Ableitung der Antriebspfade und möglicher Emissionsverläufe dienen.

Im STEPSEC Projekt werden die RCP/SSP Szenarien in einem Agentenbasierten Modell verwendet, um Aussagen über zukünftige Landnutzungsänderungen oder CO₂-Entnahmepotenziale in Abhängigkeit der jeweiligen Szenarien treffen zu können. 

Im Folgenden wird näher beschrieben, welche Auswirkungen in Abhängigkeit der einzelnen RCPs in Deutschland bis Ende des Jahrhunderts zu erwarten sind:

RCP2.6

Im RCP2.6-Szenario wird die globale Erwärmung bis zum Ende des Jahrhunderts auf unter 2°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau begrenzt und das Pariser 2°C-Ziel erreicht. Mit dem vergleichsweise leichten Temperaturanstieg gehen dennoch Änderungen weiterer klimatischer Parameter einher. 

Für Deutschland ist im Rahmen des RCP2.6-Szenarios mit einer leichten Zunahme von Hitzewellen in ihrer Häufigkeit und Intensität zu rechnen. Vor allem für Städte stellt dies, aufgrund der hohen Exposition von Menschen, die besonders verwundbar gegenüber Hitze sind (z.B. Alt/Jung, Vorerkrankte, Arbeiter*innen im Freien, etc.), eine zunehmende Herausforderung dar. Generell werden etwas trockenere Sommer prognostiziert, wodurch das Risiko für Dürren, vor allem im Zentrum und im Süden Deutschlands, leicht ansteigt. Darüber hinaus konzentriert sich die gleichbleibende Niederschlagsmenge auf weniger Tage im Jahr, wodurch die Häufigkeit von Starkniederschlägen zunimmt und eine erhöhte Überschwemmungsgefahr aufgrund übersättigter Bodens besteht. 

Besonders an Küstenregionen (insbesondere an der Nordseeküste) ist mit einem leichten Anstieg von Stürmen und Sturmfluten zu rechnen. Auswirkungen der Sturmfluten werden durch den ansteigenden Meeresspiegel (bis ca. 43 cm zum Ende des Jahrhunderts im Vergleich zur Referenzperiode) verstärkt. Die vollständige Beschreibung des Klimaszenarios RCP2.6 für Deutschland finden Sie hier.

RCP 7.0

Das RCP7.0-Szenario beschreibt ein Szenario mit stark steigenden Treibhausgasemissionen. Der globale Temperaturanstieg beträgt in diesem Szenario bis zum Ende des Jahrhunderts etwa 3,6 °C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau. Zusätzlich zu dieser deutlichen Erwärmung sind Veränderungen weiterer Klimaparameter zu erwarten.

Für Deutschland ist im Rahmen des RCP7.0-Szenarios mit einer spürbaren Zunahme von Hitzewellen zu rechnen. Die Anzahl von Sommer- und Hitzetagen steigt erheblich an. Auch die Zahl der Tropennächte nimmt zu, insbesondere in städtischen Ballungsräumen. Dies stellt eine zunehmende Belastung für vulnerable Bevölkerungsgruppen (ältere Menschen, Kinder, Vorerkrankte) dar, vor allem, wenn diese nicht über kühle Rückzugsorte verfügen.

Regionale Unterschiede zeigen sich vor allem entlang des Oberrheins, im Südosten Bayerns sowie in Teilen Ostdeutschlands, wo die Zahl heißer Tage pro Jahr stark zunimmt. Auch die Intensität und Dauer von Hitzewellen wird zunehmen. Während des Sommerhalbjahres kommt es vermehrt zu Trockenperioden, die insbesondere in landwirtschaftlich genutzten Regionen zu erheblichen Bewässerungs- und Ernteproblemen führen können.

Die Niederschlagsverteilung verschiebt sich deutlich. Während die Sommerniederschläge in weiten Teilen Deutschlands zurückgehen, nehmen die Winterniederschläge spürbar zu. Dadurch steigt das Risiko von Starkregenereignissen im Winterhalbjahr. Diese konzentrieren sich zunehmend auf kurze Zeiträume und führen zu einer Übersättigung des Bodens. In der Folge nehmen innerstädtische Überschwemmungen sowie nachgelagerte Flusshochwasser zu, vor allem in hochwassergefährdeten Regionen wie dem Mittelrheingebiet oder an der Elbe und Donau.

Auch das Risiko für extreme Wetterereignisse nimmt zu. Zwar ist bei Stürmen im Allgemeinen keine drastische Zunahme der Häufigkeit zu erwarten, jedoch können einzelne Ereignisse stärker ausfallen. In den Küstenregionen, vor allem an der Nordsee, ein Anstieg von Stürmen und Sturmfluten zu erwarten, die durch den weiter steigenden Meeresspiegel (geschätzt etwa +60 cm bis Ende des Jahrhunderts im Vergleich zur Referenzperiode) verstärkt werden. Die vollständige Beschreibung des Klimaszenarios RCP7.0 für Deutschland finden Sie hier.

RCP8.5 

Das RCP8.5-Szenario beschreibt ein extremes Klimawandelszenario mit einem sehr starken Anstieg der Treibhausgasemissionen. Neben dem Temperaturanstieg, der global um ca. 4,8°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau beträgt, ist zudem mit signifikanten Auswirkungen auf weitere Klimaparameter zu rechnen. 

Für Deutschland ist im Rahmen des RCP8.5-Szenarios mit einer signifikanten Zunahme von Hitzewellen zu rechnen. Insbesondere die Häufigkeit von Sommer- und Hitzetagen sowie Tropennächte, die als besonders belastend für den Menschen gelten, steigt stark an. Die Herausforderungen im Umgang mit Hitze, insbesondere in Städten, nehmen deutlich zu. Dies ist auf eine hohe Anzahl exponierter Personen mit hoher Verwundbarkeit (Alte/Junge, Vorerkrankte, Arbeiter*innen im Freien, etc.) zurückzuführen, die nur über wenige kühle Rückzugsorte (Grünflächen, Kalträume) verfügen. Regional wird die Anzahl an heißen Tagen in weiten Teilen Deutschlands, vor allem aber im Rheintal, zunehmen. Im hydrologischen Sommerhalbjahr nimmt die Häufigkeit und Intensität von Trockenperioden zu, was insbesondere Land- und Forstwirtschaft vor enorme Herausforderungen stellt.

Darüber hinaus konzentriert sich die Niederschlagsmenge, die sich vermehrt in die Winter- und Frühlingsmonate verschiebt, wodurch die Häufigkeit von Starkniederschlägen zunimmt und eine erhöhte Überschwemmungsgefahr aufgrund übersättigter Bodens besteht. Städtische Entwässerungssysteme stoßen an ihre Grenzen, was durch die zunehmende Versiegelung verstärkt wird. Auch nachgelagerte Überschwemmungen und Flusshochwasser werden hierdurch deutlich verstärkt.

Besonders an Küstenregionen (insbesondere an der Nordseeküste) ist mit einem deutlichen Anstieg von Stürmen und Sturmfluten zu rechnen. Auswirkungen der Sturmfluten werden durch den erheblich ansteigenden Meeresspiegel (ca. 84 cm zum Ende des Jahrhunderts im Vergleich zur Referenzperiode) verstärkt. Die vollständige Beschreibung des Klimaszenarios RCP8.5 für Deutschland finden Sie hier.

Welche Modelle werden in STEPSEC verwendet? 

Agentenbasiertes Modell CRAFTY-DE

CRAFTY-DE ist ein agentenbasiertes Landnutzungsmodell für das deutsche Landsystem und steht für Competition for Resources between Agent Functional TYpes. In CRAFTY-DE werden die zukünftige räumliche Verteilung der Landnutzung in Deutschland sowie die Bereitstellung von zugehörigen Dienstleistungen im Wettbewerb zwischen verschiedenen Landnutzungsagenten simuliert. Das Modell besteht im Wesentlichen aus folgenden drei Komoponenten: 

• Landnutzungsagenten
• Standortfaktoren
• Dienstleistungen

Landnutzungsagenten 

Landnutzungsagenten sind zu verschiedenen funktionalen Gruppen, den sogenannten AFTs (Agent Functional Types), vereinfacht. Dabei steht jeder AFT für einen bestimmten Landnutzungstyp mit bestimmter Nutzungsintensität, z.B. Naturwald, extensiv genutzter Mischwald, Grünland mit Beweidung oder intensiver Getreideanbau. Landnutzungsagenten haben spezifische Eigenschaften: Sie können bestimmte Ökosystemleistungen (Services), wie z.B. Nahrungsmittel, Tierfutter, Holz und Energie sowie Biodiversität, Kohlenstoffspeicherung, Erholung oder kulturelle Ökosystemleistungen, bereitstellen und reagieren in unterschiedlichem Maße auf die Einflüsse soziökonomischer und naturräumlicher Standortfaktoren. 

Standortfaktoren: Szenarien verschiedener sozioökonomischer Entwicklungen und naturräumlichen Potenziale

Die Zukunft in Deutschland kann je nach sozioökonomischer Entwicklung sowie je nach Ausmaß des Klimawandels, z.B. welches naturräumliche Potenzial für das Pflanzenwachstum zur Verfügung steht, unterschiedlich aussehen. In CRAFTY-DE werden deshalb zum einen verschiedene sozioökonomische Indikatoren (z.B. in den Bereichen Gesundheit, Bildung, Arbeit, Einkommen, gesellschaftlichen Zusammenhalt, soziale Ungleichheit und Infrastruktur) zu verschiedenen Standortfaktoren kombiniert: Humankapital, Sozialkapital, Finanzkapital und Verarbeitendes Kapital. Diese sozioökonomischen Kapitale verändern sich je nach sozioökonomischem Entwicklungspfad (SSP-Szenario). Zum anderen werden die Auswirkungen des Klimawandels auf das naturräumliche Potenzial (insbesondere das Wachstum von Pflanzen) je nach Menge an zukünftigen Treibhausgasemissionen mithilfe von Landoberflächenmodellen unter verschiedenen Klimaszenarien (RCPs) simuliert. CRAFTY-DE nutzt das Ergebnis dieser Modellläufe, um das naturräumliche Potenzial für verschiedene Landnutzungsarten unter verschiedenen Klimabedingungen zu erhalten. Dieses sogenannte natürliche Kapital verändert sich je nach Klimaszenario (RCP).

Die Bereitstellung von Dienstleistungen durch die Lannutzungsagenten hängt in unterschiedlichem Maße von sozioökonomischen und natürlichen Kapitalen ab, welche sich je nach Szenario anders entwickeln. 

Dienstleistungen: Angebot und Nachfrage nach Ökosystemleistungen.

Ziel der Landnutzungsagenten ist es, die Nachfrage der Gesellschaft nach Ökosystemleistungen zu decken. Politische Ziele, wie die Notwendigkeit zur Kohlenstoffbindung, können über die gesellschaftliche Nachfrage im Landsystem simuliert werden. 

Erhöht man beispielsweise die Nachfrage nach Kohlenstoffspeicherung auf der Landoberfläche, so bekommen Landnutzungsagenten mit der Fähigkeit Kohlenstoff zu speichern einen Wettbewerbsvorteil gegenüber denen ohne Kohlenstoffspeicherung. Sie siedeln sich dort an, wo die Standortfaktoren geeignet und der entgangene Nutzen bezüglich anderer Ökosystemleistungen gering ist. CRAFTY-DE simuliert auf diese Weise jährliche Landnutzungsänderungen von 2020 bis 2100 für verschiedene Szenarien. 

Als Ergebnis liefert CRAFTY-DE nicht nur die jährliche Landnutzungsverteilung für Deutschland, sondern auch die räumliche Verteilung der Ökosystemleistungen wie Kohlenstoffspeicherung, Nahrungsmittelproduktion oder Biodiversität. Somit lassen sich abschließend die Auswirkungen politischer Ziele (z.B. in Bezug auf die Kohlenstoffspeicherung) auf die Landnutzung und auf andere Ökosystemleistungen untersuchen.

Landoberflächenmodelle

Landoberflächenmodelle (LOM) dienen dazu, die Interaktionen zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen. Die Modelle beruhen auf der Simulation von Pflanzenphysiologie, Bodenprozessen sowie von Wasser- und Stoffkreisläufen (Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor). Sie können z.B. berechnen, wie viel CO₂ aus der Atmosphäre durch Photosynthese in Kohlenstoff umgewandelt und in Vegetation und Böden gespeichert werden kann und wie permanent diese Speicherung ist. Außerdem können sie Aussagen über die Auswirkungen des Klimawandels auf die landwirtschaftliche Produktion und die Wasserverfügbarkeit treffen.

Als Eingangsvariablen benötigt man hierfür Klimadaten. Diese werden entweder aus Beobachtungsdaten für die Simulation vergangener Zeiträume oder aus Klimamodellen für die Simulation zukünftiger Zeiträume gewonnen.

In STEPSEC werden Klimadaten für die Zukunft verwendet, die durch das ISIMIP Projekt (https://www.isimip.org/) bereitgestellt werden. Diese basieren auf Klimamodellen und sind zusätzlich auf eine höhere Auflösung (ca. 50km) skaliert sowie mit Beobachtungsdaten korrigiert, sodass ein gleichmäßiger Übergang zwischen gegenwärtigem und zukünftigem Klima sichergestellt wird.

Außerdem werden Karten der Vegetationsverteilung und Landnutzung als Input für LOM bereitgestellt. Da es zu komplex wäre, jede Pflanzenart für sich im Modell abzubilden, werden ähnliche Vegetationstypen zu modellspezifischen Pflanzenfunktionstypen (PFTs) zusammengefasst.  Beispiele für PFTs sind verschiedene Arten von Wäldern, Feldfrüchten, Sträuchern oder Gräsern. Jedem PFT werden charakteristische Eigenschaften (z.B. Albedo, Photosynthese-Eigenschaften Rauhigkeitslänge) zugeschrieben.

Biodiversität

Für die Berücksichtigung von biologischer Vielfalt werden Daten über Landnutzungsänderungen für das nächste Jahrhundert verwendet und mit relevanten Daten über räumliche Indikatoren zur Biodiversität überlagert. Ein Beispiel für einen solchen Indikator sind die von der IUCN (International Union for Conservation of Nature; Weltnaturschutzunion) definierten und zusammengestellten Schlüsselgebiete für die biologische Vielfalt (Key Biodiversity Areas, KBAs), die für die weltweite biologische Vielfalt von großer Bedeutung sind. Weitere Indikatoren für die biologische Vielfalt sind der Artenreichtum und der phylogenetische Endemismus. 

Die biologische Vielfalt, insbesondere auf globaler Ebene, ist komplex, und die Entscheidung darüber, welche Gebiete am wichtigsten zu erhalten sind, hängt vom verwendeten Indikator ab, z. B. von den oben genannten Indikatoren. Dies ist natürlich ein begrenzender Faktor für die vollständige Erhaltung der biologischen Vielfalt weltweit. In der Analyse im Rahmen des Projektes STEPSEC versuchen wir jedoch, alle drei oben genannten Indikatoren zu berücksichtigen, um ein möglichst umfassendes und vielseitiges Bild der biologischen Vielfalt zu zeichnen.

Welche Annahmen liegen der Landnutzungslegende zugrunde?

Die Legende zeigt Gruppen verschiedener Landnutzungstypen mit bestimmten Nutzungsintensitäten. Um eine möglichst große Bandbreite an Landnutzungsformen in Deutschland abzubilden, liegen den dargestellten Landnutzungsklassen folgende Landnutzungstypen sowie Annahmen über die Bewirtschaftungsweise zugrunde:

• Ackerbau, hohe Intensität: aggregiert mehrere Landnutzungstypen, umfasst Anbau von Nahrungsmitteln (C3-Getreide, Ölsaaten, Obst und Gemüse, stärkehaltige Wurzeln, C4-/Mais-Kulturen) und Futtermitteln; Nutzung: Bewässerung, Düngemitteleinsatz: max. 250 kgN/ha
• Ackerbau, mittlere Intensität: aggregiert mehrere Landnutzungstypen, umfasst Anbau von Nahrungsmitteln (C3-Getreide, Ölsaaten, Obst und Gemüse, Hülsenfrüchte, stärkehaltige Wurzeln, C4-/Mais-Kulturen) und Futtermitteln; Nutzung: keine Bewässerung, Düngemitteleinsatz: max. 100 kgN/ha
• Ackerbau, geringe Intensität/ ökologischer Landbau: umfasst Anbau von Nahrungsmitteln (Getreide, Ölsaaten, Obst und Gemüse, Hülsenfrüchte, stärkehaltige Wurzeln); Nutzung: keine Bewässerung, organischer Düngemitteleinsatz: max. 100 kgN/ha
• Grünland, hohe Intensität: Grünland als Futtermittel genutzt, Düngung max. 250 kgN/ha, Schnitt 3-6 mal jährlich
• Grünland, mittlere Intensität: Grünland als Futtermittel genutzt, Beweidung (max. 50 kgN/ha) und/oder Schnitt 1-2 mal jährlich
• Grünland, geringe Intensität: Grünland als Futtermittel genutzt, sehr geringe Beweidung (z.B. Bergweide)
• Forstwirtschaft, hohe Intensität: aggregiert mehrere Waldtypen: Laubwald, Nadelwald; Nutzung: 40% Durchforstung/Holzentnahme alle 30 Jahre (kein Kahlschlag)
• Forstwirtschaft, niedrige Intensität: aggregiert mehrere Waldtypen: Laubwald, Nadelwald, Mischwald; Nutzung:10% Durchforstung /Holzentnahme alle 30 Jahre (kein Kahlschlag)
• Naturwald, ohne Nutzung: geschützter oder naturbelassener Wald; keine Nutzung/ keine Holzentnahme (nur Pflegemaßnahmen), geringer Eingriff
• Moor, ungenutzt: Natürliches bzw. renaturiertes Moorgebiet ohne Nutzung
• Agroforst: Mischung aus Gehölzen (15%), Weideland (60%) und Acker (25%)
• Bioenergie: aggregiert mehrere Landnutzungstypen, umfasst Bioenergie der 
• 1. Generation: Mais mit hoher Nutzungsintensität (siehe Ackerbau) und der 
• 2. Generation: Miscanthus mit mittlerer Nutzungsintensität (siehe Ackerbau)
• Freiflächen-Solar: großflächige Photovoltaik-Anlage auf ungenutztem Grünland
• Agri-PV: 15% Photovoltaik auf genutztem Grün- oder Ackerland
• Andere: Nicht klassifizierte, spärlich bewachsene oder unbewirtschaftete Flächen (Bergbaugebiete, Sträucher, Ödland, Felsen und Eis)
• Gewässer: Inland-Gewässer wie Flüsse, Seen, Bäche

Es gilt zu beachten, dass die Kategorisierung der Nutzungsintensitäten in “hoch”, “mittel” und “gering” lediglich eine relative Einordnung in Bezug auf die Landnutzung in Deutschland und keine absolute Einordnung vornimmt.