Klimamodelle

Schema eines gekoppelten Ozean-Atmosphäremodells mit weiteren angegliederten Modellen

Was sind Klimamodelle?

Der durch den Menschen verursachte Klimawandel hat ein starkes gesellschaftliches und politisches Interesse an einer quantitativen Abschätzung der zukünftigen Klimaänderung hervorgerufen. Das wichtigste Instrument, das dafür heute zur Verfügung steht, sind hoch entwickelte Klimamodelle. Nur sie erlauben es, das Klimasystem einigermaßen adäquat abzubilden und seine Veränderungen durch äußere Antriebe, wie z.B. die Emission von Treibhausgasen, quantitativ zu berechnen. Die Ergebnisse von Klimamodellrechnungen sind daher zur wichtigsten Grundlage für gesellschaftliche und politische Entscheidungen über die Vermeidung eines gefährlichen künftigen Klimawandels geworden.

Wie alle Modelle sind auch Klimamodelle vereinfachte Abbildungen der Wirklichkeit. Sie sind daher weit davon entfernt, das Klimasystem und seine Veränderungen vollständig zu repräsentieren. Dennoch sind sie in der Lage, wichtige Erkenntnisse über die Folgen von natürlichen und menschlichen Ursachen für das Klimasystem zu liefern und dessen grundlegende Prozesse zu verstehen. Klimamodelle beruhen im Kern auf mathematischen Gleichungen, die grundlegende physikalische Gesetze ausdrücken, so die Gesetze der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung. Klimamodelle können unterschiedlichen Zwecken dienen, zum Beispiel dem Verständnis bestimmter Gesetzmäßigkeiten des Klimasystems, der Simulation (Wiedergabe) des vergangenen Klimas oder der Projektion künftiger Klimazustände. Je nach Anwendung werden Modelle unterschiedlicher Komplexität eingesetzt.

Die Motivation für die Verwendung von Klimamodellen ist einfach zu verstehen: In keinem Labor kann die Kompliziertheit des Klimasystems annähernd hergestellt werden, etwa um zu klären, wie sich das Verhalten der Menschen in Zukunft auf die Erde auswirken würde. Tatsächlich wird der menschliche Eingriff in das Klimasystem oft als ein „Experiment“ bezeichnet. Es handelt sich jedoch nicht um ein Experiment, dass mit einem Laborversuch vergleichbar wäre, da keine kontrollierten Bedingungen herrschen, das „Experiment“ nicht wiederholbar und das „Labor“ die Erde selber ist. Nur Klimamodelle ermöglichen es, Erkenntnisse über den Ausgang des „Experiments“ mit der Erde zu gewinnen – bevor es zu spät ist.

Welche Klimamodelle gibt es?

Je nach Fragestellung werden heute Modelle unterschiedlicher Komplexität gebraucht, von den einfachen Modellen über die Modelle mittlerer Komplexität bis hin zu den äußerst komplexen Ozean-Atmosphäre-Modellen. Was ist damit jeweils gemeint?

Einfache Modelle

Beispiel eines Boxenmodells. Der Ozean wird hier in zwei Gebiete (Boxen) mit je einer Temperatur und einem Salzgehalt aufgeteilt, die für hohe und niedere Breiten stehen. Die Pfeile an der Oberfläche kennzeichnen hier Wärme- und Süßwasserflüsse, die Pfeile im Inneren die Richtung der Zirkulation.

Einfache Klimamodelle stellen lediglich eine bestimmte Eigenschaft des Klimas in mathematisch möglichst simpler Weise dar. Sie sind nicht in der Lage, den Gesamtzustand des Klimas quantitativ abzubilden. Vielmehr werden mit einfachen Modellen nur bestimmte Eigenschaften des Klimasystems oder auch zugrunde liegende Konzepte simuliert. So kann man mit einem einfachen Klimamodell ausrechnen, wie hoch die Temperatur an der Erdoberfläche im Mittel (also über die ganze Erde und alle Zeiten gemittelt) ist oder um wie viel sie sich bei einer Verdoppelung des CO2-Gehalts erhöhen würde. Ein solches Modell wird als Energiebilanzmodell bezeichnet.

Ein anderer, für Strömungsfragen im Ozean verwendeter, Typ ist das so genannte Boxenmodell. Es handelt sich dabei um ein Gittermodell mit nur sehr wenigen (meist 2 oder 3) Gitterzellen und nur wenigen Prozessen, z.B. einer Box für die höheren Breiten und einer für die niedrigen Breiten. Je nach Salzgehalt und Temperatur, die durch den Austausch mit der Oberfläche beeinflusst werden, strömt das Wasser an der Oberfläche in hohe Breiten und unten zurück oder umgekehrt. Damit ist auf einfache Weise die meridionale Umwälzzirkulation im Nordatlantik dargestellt.

Komplexe Klimamodelle

Bei den Modellen, die heute dazu benutzt werden, das Klima des 21. Jahrhunderts zu projizieren oder auch das des 20. Jahrhunderts oder der letzten 1000 Jahre nachzurechnen, handelt es sich um sehr komplexe Klimamodelle, die zu den kompliziertesten und rechenaufwändigsten Computermodellen gehören, welche bisher entwickelt wurden. Sie stellen die einzelnen Subsysteme des Klimasystems (die Atmosphäre, den Ozean, Eis und Schnee, die Vegetation, Boden und Gestein) oder sogar einzelner Komponenten der Subsysteme in getrennten Modellen dar, die bei Bedarf miteinander gekoppelt werden. Dabei werden die dynamischen Prozesse in den Subsystemen und zwischen ihnen so genau wie möglich abgebildet, und zwar auch geographisch. Atmosphäre und Ozean gelten als die wichtigsten Subsysteme des Klimasystems, in denen und zwischen denen hochdynamische Zirkulationsprozesse ablaufen. Klimamodelle, die diese Prozesse global abbilden, werden als globale oder allgemeine Zirkulationsmodelle, abgekürzt GCMs nach engl. General Circulaiton Models bezeichnet, ein globales Atmosphärenmodel in der englischsprachigen Abkürzung als AGCM (Atmosphere General Circulation Model), ein globales Ozeanmodell als OGCM, ein gekoppeltes Atmosphären-Ozean-Model als AOGCM.

Ein Atmosphärenmodell versucht etwa die zahlreichen Komponenten der Atmosphäre wie Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Windsysteme, Wolken usw. und deren Dynamik und Wechselwirkungen rund um den Globus abzubilden. Ein Ozeanmodell erfasst z.B. die Wassertemperatur des Oberflächenwassers und die der tieferen Wasserschichten, den Salzgehalt und die Meeresströmungen. Die Kopplung bzw. Integration dieser Modelle steht vor der Aufgabe, die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre möglichst realitätsnah zu berechnen. Bei dem Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre sind Wasserflüsse (Verdunstung und Niederschlag), Impulsflüsse (Windschub) und Energieflüsse (Strahlung sowie fühlbare und latente Wärmeflüsse) zu unterscheiden und in den Modellen zu berücksichtigen. Zunehmend werden heute weitere Subsysteme und Komponenten modelliert, z.B. die Biosphäre, die Spurenstoffkreisläufe oder die Chemie der Atmosphäre. Die Kopplung dieser Systeme stellt eine besondere Herausforderung dar. So war die Kopplung zwischen dem trägen Ozean und der sich schnell ändernden Atmosphäre lange Zeit ein ungelöstes Problem, das man über fast 30 Jahre lang mit einer unphysikalischen Korrektur der Austauschflüsse zwischen beiden Systemen, einer sog. Flusskorrektur, notdürftig überbrückte. Dank höherer Computerleistungen sind heute jedoch nahezu alle GCMs in der Lage, auf die Flusskorrektur zu verzichten.

Eine höhere Computerleistung bedeutet vor allem, dass die Modelle mit einer immer höheren Auflösung gerechnet werden können. In Klimamodellen kann nicht jedes Luft- und jedes Wasserteilchen an jedem Punkt der Erde dargestellt werden. Daher wird die Erde mit einem dreidimensionalen Gitter überzogen, d.h. Atmosphäre und Ozean werden in Gitterzellen zerlegt, und nur für die Dynamik an den Gitterpunkten Gleichungen erstellt. Wie gut auf diese Weise das wirkliche Klima simuliert wird, hängt von der Maschenweite des Gitternetzes ab, die wiederum eine Folge der verfügbaren Computerleistung ist. Für den letzten Bericht des Weltklimarates IPCC von 2007 wurden die meisten globalen Modelle mit einer Auflösung von ungefähr 200x200 km gerechnet, für den nächsten Bericht, der 2014 erscheinen soll, wird eine Auflösung von weniger als 100x100 km angestrebt.

Europa und der Nordatlantik bei unterschiedlicher Modellauflösung. Verglichen werden hier die vier Berichte des IPCC, die im Abstand von einigen Jahren erschienen sind. Die Kürzel stehen dabei für First, Second und Third Assessment Report, sowie Assessment Report 4.

Die begrenzte Auflösung verursacht bei der Modellierung besondere Schwierigkeiten. Viele kleinräumige Prozesse wie etwa die Bildung und Auflösung von Wolkentröpfchen können nicht dargestellt werden. Solche Prozesse müssen daher parametrisiert werden; d.h. ihre Effekte auf die berechneten Prozesse müssen geschätzt werden. Gerade bei Wolken ist das eine ziemlich kritische Angelegenheit. Wolken bedecken 60 % der Erdoberfläche. Sie beeinflussen die Strahlung, erzeugen Niederschläge und verändern die kleinräumige Zirkulation. Wolken sind für Zweidrittel der planetaren Albedo, d.h. der Reflexion der Solarstrahlung durch die Erdoberfläche, von 30 % verantwortlich. Würde diese Albedo auch nur auf 29 % gesenkt, würde sich dadurch die Temperatur um 1 °C erhöhen. Dennoch sind das Ausmaß und sogar das Vorzeichen der Wirkung von Wolken bei einer Klimaänderung immer noch höchst unsicher. Die unterschiedliche Behandlung von Wolken erklärt daher einen Großteil der Differenzen verschiedener Modellsimulationen bei ein und demselben Szenario.

Inzwischen werden Allgemeine Zirkulationsmodelle auch genutzt, um die Folgen des Klimawandels auf die gesamte Natur und die Gesellschaft zu ermitteln, und dienen damit zunehmend als Instrumente in der politischen Entscheidungsfindung. Angestrebt wird eine Entwicklung zu einem Modell des "Systems Erde", das möglichst alle Komponenten des Klimasystems einschließlich ihrer Rückkopplungen und der externen Störungen simuliert. Ein solches "Erdsystemmodell", das enorm viel Rechenkapazität erfordert, soll künftig auch die Folgen z.B. auf marine und terrestrische Ökosysteme und die Rückwirkungen auf die menschliche Gesellschaft darstellen. Tatsächlich gibt es sogar bereits Modelle, die menschliches Handeln (etwa als Reaktion auf Klimaveränderungen) idealisiert in Form mathematischer Gleichungen enthalten. Die Unsicherheiten derartiger Prognosen dürften die der rein naturwissenschaftlichen Modelle jedoch deutlich übersteigen.

Modelle mittlerer Komplexität

Zwischen den einfachen und den komplexen Klimamodellen stehen die Modelle mittlerer Komplexität, nach der englischen Bezeichnung „Earth system Models of Intermediate Complexity“ auch EMICs genannt. EMICs beschreiben das Klimasystem in geringerer räumlicher und zeitlicher Auflösung als GCMs und enthalten häufiger Prozesse in parametrisierter Form. Man kann daher mit ihnen längere Zeitabschnitte simulieren und mehrere Modellläufe gleichzeitig ablaufen lassen. EMICs werden heute vielfach angewandt für Aufgaben, die mit GCMs bei heutiger Computerleistung nicht zu bearbeiten sind und haben dazu beigetragen das Funktionieren des Klimasystems besser zu verstehen.

Die Fragestellungen für EMICs entstehen häufig aus der Erforschung von Klimaänderungen über längere Perioden in der Vergangenheit, aber auch im Hinblick auf einen langfristigen Klimawandel in der Zukunft. So wurden die Klimaänderungen der letzten 10 000 Jahre zuerst mit EMICs untersucht und dabei eine relativ plötzliche Änderung der Vegetation der Sahara vor …Jahren festgestellt. Außerdem sind die durch die Veränderung der Erdbahnparameter angestoßenen Zyklen zwischen Warm- und Kaltzeiten ein wichtiger Untersuchungsgegenstand. Zukünftige Klimaänderungen werden mit EMICs bis über 1000 Jahre und mehr untersucht – mit GCMs nur über maximal die nächsten 200 Jahre. So wurde mit Hilfe der Modelle mittlerer Komplexität auch der Frage nachgegangen, ob sich der Beginn der nächsten Eiszeit aufgrund der anthropogenen Erwärmung verzögern wird. Da die Computerleistung sich ständig verbessert, können Fragen, die heute mit EMICs untersucht werden in Zukunft aber auch von GCMs gelöst werden.

Wie funktionieren Globale Klimamodelle?

Chronologie der Klimamodellentwicklung

Klimamodelle simulieren das Klimasystem der Erde und seine Veränderungen auf der Grundlage von physikalischen Gesetzen durch mathematische Gleichungen, die in einem dreidimensionalen Gitternetzsystem rund um den Globus gelöst werden. Diese Gleichungen bilden, soweit möglich, die einzelnen Komponenten des Klimasystems und ihre komplexen Wechselwirkungen ab. Wie alle Modelle stellen auch Klimamodelle komplexe Vorgänge vereinfacht dar und sind damit nur ein vergröbertes Abbild der Realität, dienen aber gerade dadurch auch dem Verständnis hochdifferenzierter dynamischer Systeme. Ziel gegenwärtiger Klimamodelle ist es, durch die Einbeziehung möglichst vieler relevanter Prozesse die Wirklichkeit so realitätsnah wie möglich abzubilden. Globale Klimamodelle werden nach ihrer Auflösung und den Subsystemen, die sie mit einbeziehen, unterschieden. Als zur Anfangszeit der GCMs in den 60er Jahren noch wenig Rechenkapazität zur Verfügung stand, simulierten diese Modelle nur die Atmosphäre. Die Einflüsse, denen die Atmosphäre unterworfen ist wie z.B. die Meeresoberflächentemperaturen, Bodeneigenschaften und Luftbestandteile, wurden vorgeschrieben. Diesselbe Vorgehensweise galt für Ozeanmodelle, die die Ozeanzirkulation aus den atmosphärischen Einflüssen berechneten. Später wurde es aber technisch möglich, Modelle miteinander zu koppeln, das heißt Ozean und Atmosphäre konnten miteinander wechselwirken und sich so gegenseitig beeinflussen. Inzwischen ist es möglich (aber längst nicht für jede Fragestellung sinnvoll), zusätzlich Biosphären-, Kryosphären- und Chemiemodelle anzukoppeln.

Regionale Klimamodelle

• Hauptartikel: Regionale Klimamodelle

Globale Vorhersagen sagen wenig über die Klimaänderungen in Staaten oder Regionen aus, da ihre Auflösung nicht ausreicht. Für eine Abschätzung von Klimafolgen, wie etwa der Veränderung der Vegetationsdecke oder der Zunahme von Überschwemmungen infolge höherer regionaler Starkniederschläge, sind realistische regionale und lokale Klimaprognosen unerlässlich. Vor allem an solchen Klimaprognosen sind schließlich die politischen Entscheidungsträger interessiert. Selbst die aktuellsten globalen gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modelle besitzen aber für regionale und lokale Prognosen, die eine Auflösung von deutlich unter 100 km erfordern, immer noch eine zu große Maschenweite. Da allein eine Verdopplung der horizontalen Auflösung eine achtfache Steigerung des erforderlichen Rechenaufwandes bedeutet, sind hier aus Kostengründen und von der Computerleistung her Grenzen gesetzt.

Sollen nun Aussagen über mögliche regionale oder lokale Klimaänderungen und ihre Auswirkungen getroffen werden, so muss die Brücke zwischen der globalen Klimaänderungsberechnung und den Auswirkungen auf die Region geschlagen werden. Hierzu werden regionale Klimamodelle mit viel Detailinformation aus der Region und ihrer Umgebung in die globalen Modelle eingebettet. Wie mit einer Lupe kann dann das Klima der Region im Detail untersucht werden.

Wo liegen die Grenzen von Klimamodellen?

Bei der Interpretation der Ergebnisse der aktuellen Klimamodellrechnungen in die Zukunft muss zunächst berücksichtigt werden, dass es sich nicht um Prognosen über einen bestimmten zukünftigen Verlauf lokaler oder globaler Klimata handelt, sondern um Szenarien, welche ausgewählte mögliche Verläufe auf Grund von Vorannahmen über zukünftige Entwicklungen, wie zum Beispiel über die Emissionen von Treibhausgasen und die Landnutzung, ergeben.

Die Grenzen der Modelle liegen in den verwendeten mathematischen Gesetzen selbst und in der begrenzten Anzahl der berücksichtigten Einflussfaktoren. Leistungsfähigere Rechner ermöglichen dabei die Entwicklung komplexerer Modelle mit höherer räumlicher Auflösungen und einer zunehmenden Anzahl von Einflussfaktoren auf das Klima. Bei nur mäßig verstandenen physikalischen Grundlagen, was gegenwärtig etwa der Fall bei der Dynamik von Eisschilden oder der Rolle von Aerosolen und Wolken ist, können Klimamodelle entsprechend nur vergleichsweise unsichere Ergebnisse liefern.

Obwohl Klimamodelle die Vorstellung, die die Menschen vom Klima haben, stark erweitert haben, sollte man sich also bewusst sein, dass ihre Ergebnisse im Detail keine sicheren Vorhersagen sind, sondern schlicht Rechenergebnisse, die nur so gut sein können, wie die zugrundegelegten Annahmen. Prozesse, die in der Natur nicht genau verstanden sind, können auch von keinem Klimamodell angemessen berechnet werden.

Um ein gewisses Vertrauen in ein Modell haben zu können, muss es zunächst getestet (validiert) werden. Validiert werden solche Modelle durch die Simulation des gegenwärtigen und des vergangenen Klimas. Nur wenn die Simulation mit den Beobachtungen in ausreichendem Maße übereinstimmt, wird das Modell für weitere Experimente benutzt. Von grundlegender Bedeutung ist dabei die zunehmende Datenmenge über das gegenwärtige und vergangene Klima, die in die Modelle eingeht, denn je mehr Kenntnisse man über das Klima der Vergangenheit hat, desto besser lässt sich abschätzen, wie realistisch die Modelle diese Vergangenheit simulieren.

Hier deutet sich aber bereits ein Problem an, das es ratsam erscheinen lässt, Modellergebnisse mit Vorsicht zu interpretieren: Die Modelle werden an den Beobachtungsdaten geeicht, das heißt sie werden gezielt so eingestellt, dass sie die Vergangenheit möglichst treffend wiedergeben. Dies heißt aber nicht, dass sie die Verhangenheit auch aus den richtigen Gründen richtig wiedergeben, denn sie sind zu komplex um das immer genau beurteilen zu können. Ein Modell, welches die Vergangenheit gut wiedergibt, kann daher bei Prognosen auch einmal daneben liegen. Das "perfekte Klimamodell" kann man zudem allein deshalb nicht konstruieren, weil die Wetterereignisse sowohl in Modellen als auch in der Natur nur durch Statistiken gekennzeichnet sind, d.h. sie kommen gewissen Wahrscheinlichkeiten folgend scheinbar zufällig vor. Würde ein solches perfektes Modell existieren, könnte man es als solches nicht einmal erkennen, denn auch die beobachtete Realität ist nur eine Realisierung von vielen Möglichkeiten. Dieses Unterfangen käme dem Versuch gleich, zu beweisen, dass 2 Würfel genau identisch sind. Da nicht beide dieselbe Reihenfolge an Zahlen würfeln, sondern nur dieselbe Wahrscheinlichkeit für jede Zahl aufweisen, müsste man unendlich oft würfeln, um eine eindeutige Statistik zu bekommen. Angesichts der recht kurzen Zeit, seit der man überhaupt detaillierte Messungen durchführt, ist es also nur begrenzt möglich, die Qualität eines Modells anhand von Beobachtungen zu bestimmen.

Es muss aber angemerkt werden, dass trotz solcher Validierungsprobleme und Unsicherheiten in etlichen Details die generelle Abschätzung des anthropogenen Einflusses auf die globale Temperatur eindeutig ist. So ist zwar nicht exakt bekannt, wie stark die bodennahe Lufttemperatur im Mittel steigen wird, denn hierin unterscheiden sich die Modelle (und natürlich auch die Szenarien). Dass sie aufgrund des anthropogenen Treibhauseffekts steigen wird ist jedoch so gut wie sicher, wie es der vierte Sachstandsbericht des IPCC ausdrückt.

Siehe auch

• Klimaszenarien
• Regionale Klimamodelle

Unterricht

• Daten zum Klimawandel: Auf dieser Seite hat man die Möglichkeit, wissenschaftliche Daten zum Klimawandel selbständig aufzuarbeiten und auszuwerten.

• Deutsches Klimarechenzentrum GmbH (DKRZ): DKRZ Galerie: Visualisierungen von Simulationsdaten

Weblinks

• Hadley Center: Infoseite über eigene Klimamodelle (engl.)
• Max-Planck-Institut für Meteorologie: Infoseite über eigene Klimamodelle (engl.)
• Deutsches Klimaforschungsprogramm des BMBF (DEKLIM)
• CLM-Projekt
• O. Walkenhorst & M. Stock: Regionale Klimaszenarien für Deutschland. Eine Leseanleitung - über regionale Szenarien und Modelle