Klimamodelle verstehen und beurteilen

Wie lässt sich untersuchen, was über Jahrzehnte oder Jahrhunderte mit dem Klima geschehen könnte? Das gesamte Klimasystem mit Atmosphäre, Ozean und Erdoberfläche kann nicht vollständig in einem Labor nachgebaut werden. Viele Prozesse wirken außerdem über sehr unterschiedliche Räume und Zeitspannen zusammen.

Klimamodelle schaffen deshalb eine vereinfachte Versuchsumgebung im Computer. Forschende können damit unter anderem:

• grundlegende Prozesse und Wechselwirkungen untersuchen,
• vergangene Klimazustände simulieren,
• mögliche zukünftige Klimazustände projizieren,
• Folgen natürlicher und menschlicher Einflüsse vergleichen.

Ein Modell ist dabei weder eine Kopie der Erde noch eine bloße Vermutung. Es verbindet ausgewählte, physikalisch begründete Zusammenhänge zu einer berechenbaren Darstellung.

Ein numerisches Modell übersetzt grundlegende physikalische Gesetze in mathematische Gleichungen. Besonders wichtig sind die Erhaltung von Masse, Impuls und Energie. Vereinfacht gesagt darf beispielsweise Energie nicht grundlos entstehen oder verschwinden.

Für die Berechnung wird der betrachtete Raum in ein dreidimensionales Gitter unterteilt. An den Gitterpunkten oder in den Gitterzellen beschreibt das Modell Größen wie Temperatur, Luftdruck und Feuchte.

Die Simulation läuft schrittweise ab:

1. Das Modell beginnt mit einem festgelegten Ausgangszustand.
2. Es berechnet mithilfe der Gleichungen die Veränderungen während eines kurzen Zeitschritts.
3. Der berechnete Zustand dient als Ausgangspunkt für den nächsten Zeitschritt.
4. Durch viele Wiederholungen entsteht eine zeitliche Entwicklung.

Dabei können unter anderem Strahlung, Luft- und Wasserbewegungen, Energietransporte, turbulenter Austausch und Wechselwirkungen an Oberflächen berücksichtigt werden.

Je kleiner die Gitterzellen und Zeitschritte sind und je mehr Prozesse gekoppelt werden, desto mehr Berechnungen sind gewöhnlich nötig. Ein historisches technisches Beispiel nennt etwa 300 × 300 Kilometer große horizontale Gitterbereiche und Zeitschritte von ungefähr 30 Minuten. Diese Angaben beschreiben ein konkretes Modellniveau und sind kein allgemeiner Maßstab für jedes Klimamodell.

Klimamodelle unterscheiden sich in räumlicher Darstellung, einbezogenen Prozessen und Rechenaufwand. Mehr Komplexität ist nicht automatisch besser: Für eine begrenzte Frage kann ein einfacheres Modell geeigneter sein.

Energiebilanzmodell

Ein Energiebilanzmodell betrachtet, wie eingehende und ausgehende Energie mit der mittleren Erdoberflächentemperatur zusammenhängen. Eine sehr einfache Form unterscheidet keine Orte. Erweiterte Formen können beispielsweise geografische Breiten berücksichtigen.

Solche Modelle eignen sich vor allem für konzeptionelle Untersuchungen langfristiger Zusammenhänge. Regionale Einzelheiten können sie nicht darstellen.

Strahlungs-Konvektions-Modell

Ein ein- oder zweidimensionales Strahlungs-Konvektions-Modell bildet den vertikalen Aufbau und gegebenenfalls Unterschiede zwischen Breitenzonen ab. Es untersucht damit mehr räumliche Struktur als ein nulldimensionales Energiebilanzmodell, aber keine vollständige dreidimensionale Zirkulation.

Atmosphärisches und gekoppeltes Zirkulationsmodell

Ein dreidimensionales atmosphärisches Zirkulationsmodell beschreibt Bewegungen und Zustände in der Atmosphäre. Ein gekoppeltes Zirkulationsmodell verbindet zusätzlich Atmosphäre und Ozean. Dadurch lassen sich ihre gegenseitigen Einflüsse untersuchen.

Die Kopplung ist anspruchsvoll: Ozeanische und atmosphärische Bewegungen haben sehr unterschiedliche räumliche Ausdehnungen und zeitliche Dauern. Lange Ozeansimulationen können Modellzeiträume von mehreren Tausend Jahren umfassen und benötigen einen hohen Rechenaufwand.

Regionales Klimamodell

Ein regionales Klimamodell untersucht ein begrenztes Gebiet mit höherer räumlicher Auflösung als ein globales Modell. Es nutzt globale Veränderungen als Rahmen und berücksichtigt regional genauer festgelegte Bedingungen, etwa Landnutzungsformen.

Statistisches Klimamodell

Ein statistisches Klimamodell beschreibt Beziehungen aus verfügbaren Daten. Es kann dabei Mittelwerte, Trends, Schwankungen und weitere statistische Größen berücksichtigen. Anders als ein physikalisch-numerisches Modell muss es nicht jeden Zusammenhang aus Erhaltungsgesetzen und Prozessgleichungen herleiten.

Eine Simulation zeigt, wie sich ein im Modell dargestelltes System unter festgelegten Bedingungen entwickelt. Wird damit ein möglicher zukünftiger Klimazustand untersucht, spricht man von einer Projektion.

Zu den Bedingungen einer Untersuchung können natürliche Einflüsse sowie menschliche Einflüsse gehören, zum Beispiel Landnutzungsänderungen, die Verbrennung fossiler Energieträger oder Emissionen von Spurengasen. Ändern sich solche Annahmen, kann auch die berechnete Entwicklung anders ausfallen.

Das unterscheidet eine Projektion von einer unbedingten Behauptung:

• Projektion: Unter den angenommenen Bedingungen berechnet das Modell eine bestimmte Entwicklung.
• Sichere Vorhersage: Die Entwicklung werde unabhängig von Annahmen genau so eintreten.

Die zweite Formulierung wäre für eine Klimaprojektion unangemessen.

Jedes Klimamodell lässt Teile der Wirklichkeit weg. Grenzen entstehen unter anderem durch:

• die Auswahl der berücksichtigten Prozesse,
• die räumliche Auflösung des Gitters,
• die Länge der Rechenzeitschritte,
• die gewählten Ausgangs- und Randbedingungen,
• die schwierige Kopplung verschiedener Raum- und Zeitskalen,
• den verfügbaren Rechenaufwand.

Eine begrenzte Auflösung bedeutet beispielsweise, dass Vorgänge unterhalb der Größe einer Gitterzelle nicht räumlich im gleichen Detail dargestellt werden können. Daraus folgt aber nicht, dass das gesamte Modell wertlos ist. Entscheidend ist, ob seine Darstellung für die konkrete Frage ausreicht.

Eine einzelne Zahl oder Kurve genügt nicht, um eine Klimaprojektion zu beurteilen. Nutze stattdessen diese fünf Prüffragen:

1. Fragestellung: Welcher Prozess oder welche Entwicklung wird untersucht?
2. Modelltyp: Passt die räumliche und zeitliche Darstellung zur Frage?
3. Bedingungen: Welche Einflüsse, Annahmen und Randbedingungen gehen ein?
4. Reichweite: Für welchen Raum und welchen Zeitraum gilt die Aussage?
5. Grenzen: Welche Prozesse oder Einzelheiten bildet das Modell nur vereinfacht ab?

Du kannst ein Klimamodell nun als Werkzeug einordnen: Es berechnet Entwicklungen aus ausgewählten physikalischen Zusammenhängen und Bedingungen. Seine Ergebnisse werden besonders aussagekräftig, wenn du zugleich erkennst, wofür das Modell gebaut wurde und wo seine Grenzen liegen.