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26.08.2014

Globale Klimamodellierung Hoch entwickelte Klimamodelle versuchen, das Klima so realitätsnah wie möglich abzubilden und Aussagen über seine künftigen Veränderungen zu machen.

Ein Ensemble an Modellen

Die Modellierung des vergangenen und vor allem des gegenwärtigen Klimas dient nicht zuletzt dazu, die Qualität der Modelle zu verbessern. Je besser ein Modell die komplexen räumlichen Muster sowie die saisonalen Zyklen des gegenwärtigen Klimas simuliert, desto mehr kann man davon ausgehen, dass alle relevanten Prozesse in dem Modell adäquat repräsentiert sind.

In der Regel gehen die Modellierer bei der Simulation des Klimas der nahen Vergangenheit so vor:

Es wird ein Klimalauf unter konstanten Bedingungen der Einstrahlung und Landnutzung und der vorindustriellen Treibhausgaskonzentration (z.B. Jahr 1850) gestartet und über mehrere hundert Jahre unter diesen konstanten Bedingungen gerechnet.

Nach ca. 20-40 Jahren stellt sich nach einer Einschwingzeit dann ein Gleichgewicht zwischen Ozean–Biosphäre–Kryosphäre und Atmosphäre ein. Dieser sogenannte Kontrolllauf spiegelt die für das Klimasystem typische natürliche Variabilität wider. Mit ihm werden dann die Klimasimulationen unter bestimmten variablen Randbedingungen verglichen. Eine dieser variablen Randbedigungen ist z.B. der Anstieg der Treibhausgasemissionen von Beginn der Industrialisierung (1850) bis heute.

Will man also, um bei diesem Beispiel zu bleiben, das Klima der nahen Vergangenheit (1850 bis 2000) simulieren, setzt man nun einen weiteren Klimalauf auf diesem sogenannten „Kontrolllauf“ auf. Das heißt, man nimmt als Anfangswerte alle meteorologischen Größen und sonstigen physikalischen Parameter zu einem beliebigen Zeitpunkt nach der Einschwingphase und startet dann eine neue Simulation. Dabei werden gleichzeitig die in diesen 160 Jahren nach und nach angestiegenen globalen Treibhausgaskonzentrationen (die man aus Beobachtungen kennt) im Modell nun berücksichtigt (und nicht wie im Kontrolllauf auf dem Wert für ein bestimmtes Jahr konstant gehalten).

© NASA GSFC - Abschmelzraten des grönländischen Eisschildes

© NASA GSFC - Abschmelzraten des grönländischen Eisschildes

Das Resultat ist EINE Realisierung des Klimas bis zum Jahr 2000. Setzt man nun noch eine weitere Simulation auf einem ganz anderen beliebigen Jahr des Kontrolllaufs auf – also unter unterschiedlichen Anfangsbedingungen –, so erhält man eine andere Realisierung des Klimas bis zum Jahr 2000. Die unterscheidet sich von der ersten Realisierung im Schwankungsbereich der natürlichen, internen Variabilität des Klimasystems. Aber sie gibt dennoch ein vergleichbares Klima wider (und z.B. nicht eines mit einer ganz anderen Eisbedeckung in der Arktis o.ä.). Ein Ensemble vieler solcher Klimaläufe, das dann gemittelt wird, beschreibt das tatsächlich beobachtete Klima und seine Schwankungsbreite schon relativ gut. Eine einzige Realisierung ist sozusagen nur ein „Zufallstreffer“.

Das Mittel einer Vielzahl von Modellergebnissen (sog. Ensemble) gibt also ein realistischeres Klima wieder als das Ergebnis einer einzigen Simulation. Oft mittelt man auch die Ergebnisse unterschiedlicher Klimamodelle (sogenannte Multi-Modell-Ensemble-Simulationen), weil Ensemble-Simulationen eines einzigen Modells nicht vorliegen. Die Abweichungen zwischen einzelnen Simulationen eines einzigen Modells voneinander spiegeln die natürliche, interne Variabilität des Klimasystems wider. Diese wird mit dem Modell nachgebildet, indem man die Anfangsbedingungen, von denen aus die Rechnungen starten, geringfügig voneinander abweichen lässt (wie oben beschrieben).

In internationalen Modell-Vergleichsprojekten werden seit einigen Jahren darüber hinaus Multi-Modell-Ensemble-Simulationen durchgeführt, d.h. ähnliche Modellrechnungen mit mehreren Modellen. So wurde für den 5. Sachstandsbericht des IPCC von der internationalen Klimaforschungsgemeinschaft in dem Modellvergleichsprojekt CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project - Phase 5) standardisierte Klimasimulationen mit weitgehend vorgegebenen Randbedingungen gerechnet. Daran beteiligt waren über 20 Modellierungsgruppen weltweit mit über 50 Modellen. Zum einen wurden damit langfristige Klimaänderungen von der Mitte des 19. Jahrhunderts bis 2100 und darüber hinaus berechnet. Die Projektionen in die Zukunft werden durch die neuen RCP-Szenarien angetrieben und berücksichtigen damit auch politische Klimaschutzentscheidungen. Zum anderen wurden kurzfristige Experimente über 10-30 Jahre durchgeführt, mit deren Hilfe eine sogenannte "Klimavorhersage" bis 2035 geleistet werden soll (Taylor, K.E., Stouffer, R.J., Meehl, G.A., 2012).