Klimamodelle

Unter einem Klimamodell versteht man ganz allgemein eine Nachbildung bestimmter Aspekte des Klimasystems. Diese Nachbildung kann im Prinzip rein mathematisch auf dem Papier erfolgen, physikalisch (also ein anfassbares Konstrukt) sein oder in einem Computerprogramm bestehen. Modelle können unterschiedlichen Zwecken dienen, zum Beispiel dem Verständnis, der Simulation (Wiedergabe) oder der Vorhersage bestimmter Aspekte des Klimas.

Welche Klimamodelle gibt es?

Komplexe Globale Klimamodelle (GCMs)

Ein GCM („General Circulation Model“, neuerdings auch „Global Climate Model“) ist ein komplexes Computer-Modell zur Simulation des Klimas in einem bestimmten Zeitabschnitt. Solche Klimamodelle gehören zu den komplexesten und rechenaufwändigsten Computermodellen, welche bisher entwickelt wurden. Sie basieren auf den physikalischen Erhaltungssätzen für Impuls, Masse und Energie, d.h. den grundlegendsten Gesetzen und nicht etwa daraus abgeleiteten Gesetzen. Dies dient dem Zweck, dass möglichst viele in der Natur vorkommenden Prozesse berücksichtigt werden können.

Die Motivation für solche komplexen Modelle 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 ins Klimasystem oft als ein „Experiment“ bezeichnet. Es ist jedoch anzumerken, dass im Gegensatz zu Laborversuchen keine kontrollierten Bedingungen herrschen und das „Experiment“ niemals wiederholbar ist. Der ursprüngliche Klimazustand kann schließlich niemals wieder hergestellt werden und der Ausgang des Versuchs ist damit nicht interpretierbar.

Daher bleibt nur die Möglichkeit, Experimente mit der Erde in Form von Computermodellen durchzuführen. So gelingt es, die Eigenschaften des natürlichen Klimas wie seine Variabilität (Veränderlichkeit) und auch mögliche Folgen des menschlichen Handelns abschätzen zu können.

Um solche "Vorhersagen" machen zu können, ist es nötig, die komplexen Wechselwirkungen des Klimasystems zu verstehen und möglichst genau in Modellen abzubilden, da nur so die Folgen einer Störung des Systems z.B. durch anthropogene Treibhausgasemissionen richtig eingeschätzt werden können. Aufgrund der Komplexität und Nichtlinearität des Klimasystems können solche Modelle nur mit Hilfe der leistungsfähigsten Computer erfolgversprechende Prognosen über den Ausgang des Klimaexperiments mit der Erde machen.

Um ein gewisses Vertrauen in ein Modell haben zu können, muss es zunächst getestet (validiert) werden. Getestet werden solche Modelle durch die Simulation des gegenwärtigen und des vergangenen Klimas. 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 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 leicht daneben liegen.

Es muss aber angemerkt werden, dass trotz solcher Validierungsprobleme und Unsicherheiten die generelle Abschätzung des anthropogenen Einflusses auf das Klimasystem eindeutig ist. So ist zwar nicht exakt bekannt, wie stark die bodennahe Lufttemperatur im Mittel steigen wird, denn hier 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.

Inzwischen werden Computermodelle 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.

Wie funktionieren Globale Klimamodelle?

Schema eines gekoppelten Ozean-Atmosphäremodells mit weiteren angegliederten Modellen

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

Einbettung von dynamischen regionalen Klimamodellen in globale Modelle

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 dynamische 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. Das regionale Modell basiert auf den gleichen Gesetzen wie das globale, löst aber die regionalen Eigenschaften besser auf. Dies ist möglich, weil nur ein kleiner Teil der Erde berechnet wird. Am Rand des Modellgebiets müssen daher die Ergebnisse ständig mit denen des globalen Modells übereinstimmen, was einige methodische Schwierigkeiten bereitet. Zwar soll das Modell durchaus seine eigenen Resultate gewinnen, am Rand aber trotzdem zu jeder Zeit dem globalen Modell folgen!

Auflösung von Klimamodellen

Europa und der Nordatlantik bei unterschiedlicher Modellauflösung

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. Die begrenzte Auflösung verursacht bei der Modellierung übrigens Schwierigkeiten, die weit über die mangelnde Genauigkeit hinausgehen. Viele Prozesse wie etwa der turbulente Austausch von Lufteigenschaften durch Wirbel oder die Bildung von Regentropfen laufen auf so kleinen Skalen ab, dass man sie durch das grobe Gitter der Klimamodelle niemals beschreiben könnte. Trotzdem haben diese scheinbar winzigen Effekte einen entscheidenden Einfluss auf das Klimasystem und die Entwicklung des Klimas. Da man diese Phänomene selbst nicht auflösen kann, muss man versuchen, ihre Auswirkungen, die sie auf die großen Prozesse haben, zu beschreiben. Diese Vorgehensweise wird Parametrisierung genannt und ist ein wichtiger Bestandteil aller Klimamodelle und einer der Hauptgründe für die bestehenden Unsicherheiten. Je nach Auflösung des Modells kann die angemessenste Parametrisierung jeweils eine andere sein. Mit anderen Worten: Die Physik im Modell hängt davon ab, wie genau man hinsieht. Räumlich oder gar zeitlich veränderbare Gitterweiten oder –formen sind daher in der Meteorologie und Klimaforschung kaum in Gebrauch.

Wo liegen die Grenzen von Klimamodellen?

Bei der Interpretation der Ergebnisse der aktuellen Klimamodellrechnungen in die Zukunft muss 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 Modellen 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.

Siehe auch

• Klimaszenarien

Weblinks

• Hadley Center: Infoseite über eigene Klimamodelle (engl.)
• Max-Planck-Institut für Meteorologie: Infoseite über eigene Klimamodelle (engl.)
• Deutsches Klimaforschungsprogramm des BMBF (DEKLIM)
• Deutsches Klimarechenzentrum GmbH (DKRZ)
• CLM-Projekt