Globale Klimamodelle

Mathematisches Nachbauen des Klimasystems

Globale Klimamodelle sind komplexe physikalische Modelle, die das Klimasystem in vereinfachter Form abbilden. Damit ist es möglich, Vorgänge im Klimasystem wie bei einem experimentellen Aufbau zu simulieren. Wie sich unterschiedlich starke Treibhausgasemissionen auf das zukünftige Klima auswirken, ist dabei die spannendste Frage.

Heute sind Klimamodelle gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Modelle (AOGCM, atmosphere-ocean general circulation/global climate models; Abb. 1). Darin werden Atmosphäre und Ozeane in ein dreidimensionales Gitter geteilt (Abb 2). Der Austausch an Masse und Energie zwischen benachbarten Gitterpunkten wird durch mathematische Gleichungen von Zeitschritt zu Zeitschritt gelöst. Dadurch erhält ein Model seine Dynamik. Die Modelle enthalten grundlegende physikalische Differentialgleichungen aus der Fluiddynamik, Hydrologie und Chemie. Mathematisch (noch) nicht beschreibbare Prozesse werden parametrisiert, d.h. mit fixen Werten gerechnet. Alternativ erfolgt die Berechnung des Modells über spektrale Methoden.

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Abb. 1: Prozesskette der globalen Klimamodellierung. a) Unterteilung der Erde in ein dreidimensionales Gitter. b) Erstellung partieller Differenzialgleichungen für jeden Gitterpunkt. c) Lösung der Gleichungen mittels Hochleistungscomputer. d) Darstellung der Ergebnisse (CMMAP 2010, bearbeitet).

Das Klimasystem wird in Module gegliedert

Klimamodelle bestehen aus mehreren unabhängigen Modulen, welche die verschiedenen Einzelteile des Klimasystems repräsentieren (Abb. 2):

  • Atmosphäre
    Ein meteorologisches Modell simuliert ein- und ausgehende Strahlung, Lufttemperatur, Niederschlag, Luftdruck, Wind, relative Feuchte und Geopotenzial.
  • Ozean
    Das Ozeanmodell enthält Meeresströmungen, ozeanische Sedimente, Meeresorganismen und verschiedene Darstellungen von Hochsee und Küstenregionen.
  • Chemie
    Mehrere Modelle simulieren chemische Reaktionen in der Atmosphäre und im Ozean. Dazu gehören etwa die Kreisläufe von Kohlenstoff und Schwefel.
  • Kryosphäre
    Eigene Modelle stellen die Aufbau- und Abschmelzprozesse des Meereseises und der Eisschilde in den Polar- und Bergregionen dar. Modelle im globalen Maßstab mit voll integrierter Kryosphäre sind noch Zukunftsmusik, vor allem was die derzeit heftig diskutierte Rolle der Eisdynamik Grönlands und der Antarktis sowie deren Auswirkung auf den Meeresspiegel anbelangt.
  • Landoberfläche
    Ein Landoberflächenmodell beinhaltet Vegetation, Bodeneigenschaften und Grundwasser.

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Abb. 2: Allgemeine Charakteristik eines dreidimensionalen Klimamodells. Atmosphäre und Ozeane werden als interagierende dreidimensionale Gitternetze abgebildet (McCuffie und Henderson-Sellers 2005, bearbeitet).

Kleinskalige Prozesse vs. Rechenleistung

Die typische räumliche Auflösung für die Modelle, die im 4. Sachstandsbericht des Weltklimarates IPCC (Solomon u.a. 2007) verwendet werden, liegt bei 100 bis 150 km. Klimamodelle laufen in der Regel mit Zeitschritten von einer halben Stunde und simulieren das Klima für Jahrzehnte oder Jahrhunderte in die Vergangenheit und in die Zukunft. Räumliche und die zeitliche Auflösung sind nicht unabhängig voneinander wählbar. Je höher die räumliche Auflösung des Modells ist, desto kürzer muss der Zeitschritt sein, um die Prozesse auf der kleineren Skala zu lösen. Dies führt zu hohem Rechenaufwand. Die meisten der Klimamodellsimulationen laufen daher auf sehr leistungsfähigen Supercomputern.

Viele Einzelläufe verringern Unsicherheit

Oft wird ein Ensemble von Klimamodellen, also viele Modellsimulationen mit verschiedenen Klimamodellen, zur Quantifizierung und Verringerung der Unsicherheiten benutzt. Nach jüngsten Erkenntnissen führt die Vernachlässigung von Subsystemen wie Kryosphäre und Biosphäre zu einer Reduktion der regionalen Klimavariabilität. Außerdem bleiben mögliche Wechselwirkungen mit diesen Systemen unberücksichtigt.

Ein- und Ausgangsdaten der Module sind miteinander gekoppelt, damit Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen den Teilen des Klimasystems abgeschätzt werden können. Trotz der zunehmenden Komplexität der globalen Klimamodelle werden zahlreiche Prozesse noch nicht explizit modelliert werden. Gründe sind die fehlende räumlich-zeitliche Auflösung oder aber auch, dass viele Prozesse und Wechselwirkungen noch unzureichend erforscht sind (z.B. Wechselwirkung von Feuchtigkeit, Aerosolen und Wolken). Zum Teil werden diese Prozesse parametrisiert (d.h. physikalische Zusammenhänge unbekannter zu bekannten Größen festgeschrieben), manche Prozesse bleiben aber derzeit auch gänzlich unberücksichtigt.

 

Literatur:

CMMAP: Modeling. http://www.cmmap.org/learn/modeling, abgerufen am 23.11.2010

NESTA: What is a climate model?. http://www.windows2universe.org/earth/climate/cli_models2.html, abgerufen am 23.11.2010

NOAA: The first climate model. http://celebrating200years.noaa.gov/breakthroughs/climate_model/welcome.html, abgerufen am 23.11.2010

Randall D.A., Wood R.A., Bony S., Colman R., Fichefet T., Fyfe J., Kattsov V., Pitman A., Shukla J., Srinivasan J., Stouffer R.J., Sumi A., Taylor K.E. (2007): Climate models and their evaluation. In: Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. (Hg.): Climate change 2007: The physical science basis. Cambridge, New York: Cambridge University Press, ISBN 9780521705967, 589–662

Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M.,  Averyt K.B., Tignor M., Miller H.L. (Hg.) (2007): Climate change 2007. The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, New York: Cambridge University Press, 996 Seiten, ISBN 9780521705967

von Storch H., Güss S., Heimann M. (1999): Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einführung. Berlin: Springer, 255 Seiten, ISBN 978-3-540-65830-6

Washington W.M., Parkinson C.L. (2005): Introduction to three-dimensional climate modeling. 2. Aufl. Mill Valley: University Science Books, 380 Seiten, ISBN 978-1-891389-35-1

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