Lexikon der Geowissenschaften: Klimamodelle
Klimamodelle, mathematische Hilfsmittel zur Vorhersage der zukünftigen Entwicklung des globalen Klimas auf einer Zeitskala von Dekaden bis Jahrhunderten. Für eine solche Prognose wird neben dem eigentlichen Klimamodell auch die Kenntnis über die zeitliche Entwicklung verschiedener, das Klima beeinflussender Faktoren benötigt. Hierzu zählen beispielsweise die Veränderung in der Zusammensetzung der Atmosphäre, mögliche Schwankungen der Sonnenaktivität und der Vulkanismus.
Klimamodelle sind wesentlich aufwendiger und physikalisch reichhaltiger als Wettervorhersagemodelle, da zum einen deutlich längere Zeitskalen betrachtet werden und zum anderen alle Bestandteile des sehr komplexen Klimasystems der Erde mit in Betracht gezogen werden müssen. Obwohl die meisten der das Klima charakterisierenden Größen wie Niederschlag und Temperatur atmosphärische Zustandsvariablen sind, läßt sich das Klima nicht alleine über die Atmosphäre beschreiben. Die Vorgänge in der Gashülle unseres Planeten sind sehr eng mit Prozessen und Abläufen in den Ozeanen, den vereisten Gebieten der Erde (Kryosphäre) und den mit verschiedener Vegetation bedeckten Landoberflächen (Biosphäre) verknüpft. Innerhalb und zwischen den einzelnen Sphären existieren eine ganze Reihe von Rückkopplungsmechanismen auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen, die alle in ihrer Größenordnung und Wirkung realitätsnah erfaßt werden müssen, wenn eine Vorhersage mit einem Klimamodell belastbare Aussagen liefern soll.
Für Prozeßstudien oder auch zur Abschätzung von Teilaspekten des globalen Klimas können stark vereinfachte Klimamodelle herangezogen werden. So wird bei den Energiebilanzmodellen lediglich eine Klimavariable, die globale Temperatur T, betrachtet und die Veränderung von T aufgrund der Variation eines äußeren Parameters wie der Albedo oder der Solarkonstanten studiert. Grundlage für Modelle dieser Art ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik, der einen Gleichgewichtszustand zwischen dem veränderten Antrieb und der dazu passenden inneren Energie des Systems (globale Mitteltemperatur) beschreibt. Diese einfachen Modelle können schrittweise erweitert werden, und über eindimensionale Modelle, bei denen beispielsweise die Variation der Einstrahlungsbedingungen in Abhängigkeit von der geographischen Breite berücksichtigt wird, den zweidimensionalen Modellen, bei denen zusätzlich noch die vertikale Temperaturverteilung berechnet werden kann, gelangt man schließlich zu den dreidimensionalen Zirkulationsmodellen (GCM), die eine realistische Beschreibung des globalen Klimas erlauben.
Das mathematische Grundgerüst eines globalen Zirkulationsmodelles besteht aus einem Satz von Erhaltungs- und Bilanzgleichungen der Thermo- und Hydrodynamik. Dazu gehören der erste Hauptsatz der Thermodynamik, die Bewegungsgleichungen, die Kontinuitätsgleichung und Gleichungen, die den Wasserhaushalt der Atmosphäre beschreiben. Diese Gleichungen sind alle nicht linear und enthalten eine ganze Reihe von Rückkopplungen auch zu den anderen Komponenten des Klimasystems. Die Lösung eines solchen nicht linearen, komplexen Gleichungssystems ist nur noch numerisch möglich. Zu diesem Zwecke wird über die Erde ein Gitternetz gelegt, dessen Kreuzungspunkte etwa 200-500 km auseinander liegen. Durch die Anordnung solcher Gitter in mehreren Lagen übereinander kann die Atmosphäre bis in große Höhen aufgelöst werden. Für die Prognose in die Zukunft werden Zeitschritte von 30-60 Minuten verwendet.
Das Gleichungssystem eines GCM wird nur an den Kreuzungspunkten des Rechengitters gelöst. Prozesse, die eine kleinere räumliche Auflösung als die Maschenweite von einigen hundert Kilometern haben, können nicht explizit aufgelöst werden, und hierfür sind Parametrisierungen erforderlich. Beispiele für solche Prozesse sind Konvektion, Bewölkung und Niederschlag.
Während Wettervorhersagemodelle für die nächsten 1-4 Tage recht zuverlässige Vorhersagen über die Entwicklung des globalen und des regionalen Wetters liefern, ist eine Vorhersage mit Klimamodellen über einen Zeitraum von 30-100 Jahren prinzipiell nicht möglich, sondern die Simulationen werden als Szenarienrechnungen konzipiert. Dabei wird beispielsweise die Entwicklung des CO2-Gehalts der Atmosphäre für einen längeren Zeitraum vorgegeben, und die Auswirkungen dieser fest vorgegebenen Einflußgröße auf das Klimasystem mit den Ergebnissen eines Kontrollaufs verglichen. Üblich sind derzeit verschiedene Szenarien, die von einer ungebremsten CO2-Freisetzung (Szenario A) bis zu einer starken Begrenzung aufgrund drastischer Einschränkungen (Szenario D) reichen. In Abhängigkeit von dem gewählten Szenario wird eine globale Temperaturveränderung von einigen Grad in den nächsten 100 Jahren berechnet.
Es handelt sich bei diesem Rechenergebnis allerdings um einen theoretischen Wert und nicht um eine exakte Vorhersage. Für eine genaue Vorhersage müßte die Kenntnis der zeitlichen Entwicklung aller Einflußgrößen auf das Klima bekannt sein. So gibt es aber beispielsweise keine Möglichkeit Vulkanausbrüche in den nächsten 100 Jahren mit ihren einschneidenden Auswirkungen auf das Klimageschehen vorherzusagen und damit zu berücksichtigen. Erschwerend kommt noch hinzu, daß andere Faktoren, die völlig unabhängig vom Klima sind, in der Zukunft wichtig für das Klimageschehen werden können. Hierzu zählen technologische Innovationen, Änderungen beim Individualverkehr, kulturelle Trends, Freizeitverhalten und der Umgang mit fossilen Brennstoffen (Ölpreisentwicklung, erneuerbare Energien). Einflußfaktoren dieser Art werden bei den heutigen Klimamodellen nicht berücksichtigt und können für längere Zeiträume auch nicht prognostiziert werden.
Trotz aller Einschränkungen können Klimamodelle die wesentlichen physikalischen, biologischen und chemischen Vorgänge im globalen Klimasystem erfassen und die Auswirkungen anthropogener Aktivitäten auf die Entwicklung des Klimas in Form von Szenarien realistisch beschreiben. Aufgrund von Unterschieden im Entwicklungsstand der einzelnen Modelle, der verwendeten Parametrisierungen und der räumlichen Auflösung werden für das gleiche Szenario bezüglich der Emission von Treibhausgasen unterschiedliche Ergebnisse berechnet. In den Abbildungen sind die Bandbreiten der von 31 Klimamodellen berechneten zonal gemittelten Temperaturen ( Abb. 1 ) und Niederschlägen ( Abb. 2 ) gezeigt. Bei der Temperatur unterscheiden sich die Modellergebnisse im Bereich von 60ºS bis 60ºN nur sehr wenig. Erst in den Polargebieten der beiden Hemisphären werden größere Unterschiede berechnet. Bei dem modellierten Niederschlag fallen die Unterschiede schon deutlicher aus, da sich bei der Berechnung dieser meteorologischen Größe die gewählte Parametrisierung der Wolken- und Niederschlagsbildung stark bemerkbar macht.
Unabhängig von den einzelnen Modellen liefern aber alle Prognosen beispielsweise bei einer angenommenen Verdoppelung des Äquivalent-CO2-Gehaltes der Atmosphäre einen sehr ähnlichen Trend mit einer Temperaturerhöhung von etwa 1,5-2,5 K in den nächsten 100 Jahren. statistische Klimamodelle. [GG]
Klimamodelle 1: Bandbreite (grauer Bereich) der von 31 Klimamodellen berechneten zonal gemittelten Temperaturen im Vergleich zu Beobachtungen. Klimamodelle 1:
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Klimamodelle 2: Bandbreite (grauer Bereich) der von 31 Klimamodellen berechneten zonal gemittelten Niederschläge im Vergleich zu Beobachtungen. Klimamodelle 2:
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