Einfache Klimamodelle

Energiebilanzmodelle

Einfache oder besser „konzeptionelle Klimamodelle“ simulieren das Klima unter sehr vereinfachten Annahmen. Sie sind nicht in der Lage, den Gesamtzustand des Klimas quantitativ abzubilden. Vielmehr werden einfache Modelle nur für grundlegende Untersuchungen des Klimasystems, für das Studium bestimmter Prozesse oder zu Lehrzwecken eingesetzt.

Unsere Erde mit ihrer Atmosphäre gewinnt Energie durch die Sonneneinstrahlung (kurzwellige Strahlung). Aber sie verliert auch wieder Energie, indem sie, abhängig von ihrer Temperatur, Wärme abstrahlt (langwellige Strahlung). Die Ausstrahlung des Gesamtsystems Erde-Atmosphäre hängt auch von der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre ab. Mit einem konzeptionellen Klimamodell lässt sich aus der Bilanz von Ein- und Ausstrahlung die Temperatur der Erde (global gemittelt) in Bodennähe berechnen oder auch, um wie viel sich die bodennahe Temperatur bei einer Verdoppelung des CO₂-Gehalts erhöhen würde. Ein solches Modell, das nur Strahlungsprozesse in der Atmosphäre und an der Erdoberfläche berücksichtigt, wird als Energiebilanzmodell bezeichnet.

Abb. 2: Beispiel eines Boxenmodells. Der Ozean wird hier in zwei Gebiete (Boxen) mit je einer Temperatur (T1, T2) und einem Salzgehalt (S1, S2) aufgeteilt, die für hohe und niedere Breitengrade stehen. Die Pfeile oberhalb der Boxen kennzeichnen hier die Wärme- und Süßwasserflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre, die Pfeile im Inneren die Richtung der Zirkulation mit der Oberflächenströmung oben und der Tiefenströmung unten.

Boxmodelle

Zum Verständnis der allgemeinen Zirkulation im Ozean wurde in den 1960er Jahren ein anderer einfacher Modelltyp entwickelt, das so genannte Boxmodell. Boxmodelle sind numerische Konstrukte zur konzeptionellen Vereinfachung komplexer Systeme. Der Ozean wird hier in zwei Gebiete (Boxen) aufgeteilt. Eine Box repräsentiert den Ozean in nördlichen Breitengraden, die andere den Ozean in Äquatornähe. In den Boxen herrscht daher eine jeweils unterschiedliche Temperatur, ein unterschiedlicher Salzgehalt und damit auch eine unterschiedliche Dichte. Durch den Dichteunterschied (Dichtegradient) streben beide Boxen danach, „sich auszutauschen“ (durch sogenannte „Flüsse“).

Es handelt sich hier also um ein Gittermodell mit nur zwei Gitterzellen und nur wenigen Prozessen. Je nach Salzgehalt und Temperatur, die auch durch den Austausch mit der Atmosphäre beeinflusst werden (Niederschlag und Verdunstung oder „Evaporation“), wird Wasser zwischen den Boxen ausgetauscht. Damit kann auf stark vereinfachte Weise die Wirkung großräumiger Zirkulationssysteme wie z.B. die meridionale Umwälzzirkulation im Nordatlantik, bei der der Golfstrom und der Nordatlantikstrom die Oberflächenströmung bilden, modelliert werden.

Wettervorhersagemodelle und Klimamodelle

Die atmosphärischen Klimamodelle wurden Anfang der 1970er Jahren weiterentwickelt, parallel zur Entwicklung der Computer. In ihnen wurde zunächst die horizontale Struktur der Atmosphäre mit Hilfe von zonalen (also entlang eines Breitengrades in West-Ost-Richtung entstandenen) Mittelwerten beschrieben, während die meridionalen Transporte in Nord-Süd-Richtung mittels dieser zonalen Mittelwerte umschrieben (parameterisiert) wurden. Diese Modelle waren also noch nicht fähig, das Klima entlang der Breitenkreise (früher auch als "Breitengrade" bezeichnet) zu beschreiben.

Die Forschungen auf dem Gebiet der Wettervorhersage und dem des Klimas verliefen eine Zeit lang wegen der unterschiedlichen Fragestellungen unabhängig voneinander. Während in der Klimaforschung die globale Energiebilanz, wie zuvor erwähnt, im Zentrum des Interesses steht, ist das Wettergeschehen, vor allem in den mittleren Breiten, durch die Verlagerung von Hoch- und Tiefdruckgebieten bestimmt. Bei kurzen Vorhersagezeiträumen (bis 2 Tage) dominieren die Druckfelder, während die Temperaturverteilung eine untergeordnete Rolle spielt. Erst mit der Zunahme der Rechnerkapazitäten konnte dann auch die Thermodynamik, insbesondere auch die Rolle der Feuchtigkeit, in die Wettervorhersagemodelle mit eingebaut werden. Schließlich wurden im Laufe der 1970er Jahre die Wettervorhersagemodelle auch für die Klimaforschung eingesetzt. In der Weiterentwicklung entstanden die heutigen komplexen Modelle für die sogenannte „allgemeine Zirkulation“ (der Begriff „allgemein“ steht hier für „global“, auf Englisch: General Circulation Models oder kurz: GCMs). Ihre Basis liegt also in den frühen Arbeiten auf diesem Gebiet und in der stetig erfolgreich weiterentwickelten numerischen Wettervorhersage.