Klimamodell
Ein Klimamodell ist ein Computer-Modell zur Berechnung und Vorhersage des Klimas für eine bestimmten Zeitabschnitt. Das Modell basiert in der Regel auf einem Meteorologiemodell, wie es auch zur numerischen Wettervorhersage verwendet wird. Dieses Modell wird jedoch für die Klimamodellierung erweitert, um alle Erhaltungsgrößen korrekt abzubilden. In der Regel wird dabei ein Ozeanmodell, ein Schnee- und Eismodell für die Kryosphäre und ein Vegetationsmodell für die Biosphäre angekoppelt.
Mathematisch entsteht dadurch ein gekoppeltes System von nicht-linearen, partiellen und gewöhnlichen Differentialgleichungen, sowie einige algebraischen Gleichungen. Die numerische Berechnung dieses Gleichungssystems erfordert eine sehr grosse Rechenleistung, wie sie von Supercomputern wie dem Earth Simulator bereit gestellt wird.
Es werden globale Klimamodelle (sogenannte GCMs, global circulation models) und regionale Klimamodelle unterschieden. Der Hauptunterschied liegt zum einen darin, dass ein globales Klimamodell die gesamte Troposphäre beinhaltet, während ein regionales Modell in der Regel die gleiche Modellphysik abbildet, dies allerdings nur auf einen bestimmten geographischen Ausschnitt der Erde anwendet.
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Allgemeines
Klimamodelle stellen die komplexesten und rechenaufwendigsten Computermodelle dar, welche bisher entwickelt wurden. Die „Voraussagen“ der Klimamodelle sind naturgemäß unsicherer als die der Wettermodelle, da hier wesentlich größere Zeiträume in Betracht gezogen und eine große Zahl zusätzlicher Parameter berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grunde spricht man bei diesen Einzelmodellen auch von Klimaszenarien und nicht von Klimavorhersagen. Eine Wettervorhersage beruht auf Datenmaterial, welches es ermöglicht, innerhalb einer Zeitspanne von derzeit bis zu einer Woche, die Entwicklung der chaotischen Dynamik innerhalb der Erdatmosphäre mit einer hohen Wahrscheinlichkeit vorherzusagen. Die Unsicherheit der Vorhersage steigt dabei jedoch exponentiell mit dem Vorhersagezeitraum an und ist selbst unter anderem von der Wetterlage abhängig. Zwar spielen auch bei Wettermodellen die Erfahrung und die Einschätzung der Anwender in Form einer Kontrollinstanz zwischen dem reinen Computermodell und der letztendlichen Voraussage eine entscheidende Rolle, jedoch ist der Charakter eines Klimamodells hiervon trotzdem grundsätzlich verschieden.
Sie dienen dem Auffinden möglicher Trends in der Entwicklung des Klimas und der Gewichtung einzelner Klimafaktoren. Wesentlich ist das es sich um Forschungsmodelle und nicht um Anwendungsmodelle handelt. Sie beruhen auf einer Vielzahl von Annahmen und Methoden, beispielsweise zur Entwicklung der zukünftigen Treibhausgasemissionen oder einzelnen klimatologischen Rückkopplungsmechanismen. Zudem besitzen sie im Gegensatz zu den Wettermodellen nicht auf einer feststehenden Dynamik und sind deswegen nicht lediglich durch deren chaotischen Charakter und die Begrenzung der Rechenleistung eingeschränkt. Viele Rückkopplungen sind unbekannt und auch aus der Klimageschichte können zu diesen meist keine Aussagen getroffen werden. Einerseits, da die Datenlage zur Klimageschichte selbst zu gering ist, andererseits jedoch auch, weil die Geschwindigkeit des prognostizierten Klimawandels und die Interaktion zwischen Mensch und Klima bzw. Umwelt eine Art „Neuland“ mit unvorhersehbaren Folgen für zukünftige Entwicklung des Weltklimas darstellt. Die für die Modellierung notwendigen Voraussetzungen sind daher nur teilweise bekannt und müssen in der Regel mehr oder weniger willkürlich festgelegt werden, wobei man ein Set dieser Festlegungen und die hierauf basierende Modellierung als Klimaszenario bezeichnet. Der Unterschied zwischen einer Klimaprognose und einem Klimaszenario ist nun, dass man für ersteres eine Vielzahl verschiedener Szenarien modelliert, einerseits mit anderen Modellen und andererseits mit anderen Vorwegannahmen. Eine Klimaprognose basiert also auf der Auswertung verschiedener Modellierungsversuche und ist auch aufgrund der schwierigen Vergleichbarkeit zwischen diesen nur sehr schwer zu erstellen. Da die einzelnen Szenarien, welche sich auch in der Struktur der Intergovernmental Panel on Climate Change widerspiegeln, unterschiedliche Endresultate aufweisen, kann auch eine darauf basierende Klimaprognose nur eine Spannweite von Möglichkeiten aufzeigen. Im Falle der globalen Erwärmung entspricht diese Spannweite einer möglichen Erwärmung der durchschnittlichen, globalen und bodennahen Lufttemperatur von 1,4 bis 5,8 °C zum Jahr 2100 (IPCC 2001). Ähnliche Schwankungsbereiche zeigen sich jedoch bei nahezu allen aus Klimamodellen abgeleite Prognosen.
Globale Klimamodelle - GCM (general circulation model)
Ein globales Klimamodell beschreibt die wichtigsten klimarelevanten physikalischen Vorgänge in der Erdatmosphäre, den Ozeanen und auf der Erdoberfläche. Die Prozesse sind dabei aber sehr vereinfacht abgebildet. Vor allem die Prozesse in der Biosphäre werden im Augenblick noch als Größen und Parameter vorgegeben. Dieses Größen sind aber Systemgrößen und sollten sich während der Simulation dem globalen Wandel anpassen können, um realistische Projektionen auf die Zukunft abgeben zu können. Solche Rückkopplungsprozesse von gekoppelten Systemen sind im Augenblick die große Herausforderung in der Modellierung. Die Modelle sind so umfangreich, dass sie nur in sehr grober Auflösung (mehrere hundert Kilometer Gitterweite) betrieben werden können.
Regionale Klimamodelle
Regionale Klimamodelle betrachten lediglich einen Ausschnitt auf der Erde und benötigen deshalb zur Simulation geeignete Randbedingungen an den Rändern des Modellgebietes. Diese Randbedingungen stammen aus Szenarien der globalen Klimamodelle. Man sagt deshalb, ein regionales Klimamodell wird durch ein globales Klimamodell angetrieben. Man bezeichnet dies aus als "dynamic down scaling", also das Herunterskalieren der globalen Antriebsdaten auf eine sehr feine regionale Auflösung (bis zu einem Kilometer Gitterweite).
Beispiele regionaler Modelle sind:
- RegCM (ICTP Triest)
- CLM (Deutscher Wetterdienst)
- REMO (MPI Hamburg)
- MM5 (NCAR/NOAA USA).
Klimamodellierung in Deutschland
In Deutschland beschäftigt sich hauptsächlich das Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg mit der Klimamodellierung. Dort wurden die globalen Klimamodelle ECHAM-4 und ECHAM-5 entwickelt und auf großen parallelen Vektorrechnern betrieben. Die regionale Klimamodellierung wird hauptsächlich in den großen Forschungsinstituten mit verschiedenen regionalen Modellen durchgeführt. Zu diesen Forschungszentren gehört das Forschungszentrum Karlsruhe, das Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) und einige Universitäten.