Klimamodelle werden immer präziser – und damit vielfältig überprüfbar

23.März 2011

Klimamodelle sind ein sehr wichtiges Werkzeug der Klimaforscher. Die Lösung der physikalischen Grundgleichungen der Fluidphysik beschreibt die zeitliche Entwicklung der Atmosphäre ausgehend von einem bestimmten Anfangszustand. Nicht nur die Vorhersage des zukünftigen Klimas ist damit möglich,  auch die Klimavaeränderungen der Vergangenheit können analysiert und erklärt werden. Durch Variation der Randbedingungen, z.B. eine erhöhte Sonneneinstrahlung oder erhöhte CO2 Werte können die Sensibilitäten auf diese Parameter bestimmt und für die verschiedenen Einflüsse  spezifische “Fingerabdrücke” identifiziert werden. Für die CO2 verursachte Klimaerwärmung ist die Abkühlung der Stratosphäre so ein spezifischer Fingerabdruck.

Die Modellierungsrechnungen haben jedoch wegen der enormen Ausdehnung der gesamten Atmosphäre und des Ozeans eine begrenzte Genauigkeit. Auch die grössten Rechner erlauben Berechnungen mit nur einer relativ groben Auflösung. Im letzten IPCC Bericht war die Auflösung im Bereich 100 km. Damit können viele Wetterphänomene wie Wolken oder Wirbelstürme nicht richtig modelliert werden, man behilft sich dafür einer näherungsweisen “Parametrisierung” dieser kleinräumigen Phänomene.

An der Verbesserung der Genauigkeit der Modellierungen wird auf zwei Wegen intensiv gearbeitet. Einerseits werden die Parametrisierungsmethoden verbessert (siehe dazu unseren früheren Beitrag  Wolken im Fokus weltweiter Spitzenforschung). Andererseits wird an der Erhöhung der Auflösung bei den Modellierungen gearbeitet. Modellierungen mit 50 und 25 km Auflösung sind zur Zeit möglich. Das Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der NOAA, das von Isaac Held geleitet wird, hat dabei eine führende Stellung. Isaac Held informiert über seine Forschung in einem neuen Blog. In einem der ersten Beiträge “Hurricane-like vortices” zeigt er, dass mit der ständigen Verfeinerung der Klimamodelle immer mehr Details der Atmosphäre nachgebildet werden können – ohne dass die erwähnten Parametrisierungen benutzt werden müssen. Der folgende Film ist eine Visualisierung solcher Rechenergebnisse. Durch Grautöne wird die Windstärke in der unteren Troposphäre sichtbar gemacht.

Der Film ist schon rein visuell den Wetteraufnahmen von Satelliten sehr ähnlich. Die Bildung und das Mäandrieren von Hoch- und Tiefdruckgebieten und die Jet-Streams sind gut erkennbar. Es ist faszinierend, welche Details diese Berechnungen wiedergeben. Damit bieten sich jetzt vielfältige Ãœberprüfungsmöglichkeiten mit den beobachteten Daten an. Isaac Held hat im Detail die in dem Film erkennbaren kleinen Wirbel in den Subtropen genauer untersucht (in einer Arbeit zusammen mit Ming Zhao, S.-J. Lin, Gabe Vecchi ) und mit Messdaten verglichen, um herauszufinden, ob diese Rechenergebnisse der Bildung von Wirbelstürmen entsprechen – obwohl die Auflösung in den Rechnungen für die Hurrikane selber immer noch zu grob ist. Für diese Untersuchung hat er die Meerestemperaturen nicht wie in den vollständigen Global Climate Models (GCM) berechnet, sondern die gemessenen Meerestemperaturen eingesetzt. Die folgenden zwei Bilder zeigen einen Vergleich der gemessenen und auf diese Weise berechneten Hurrikan-Trajektorien sowie einen Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Häufigkeiten von Wirbelstürmen.

Das obere Bild zeigt die gemessenen Hurrikan-Trajektorien, das untere Bild die mit Klimamodellen berechneten.

Die rote Kurve zeigt die in verschiedenen Jahren gemessene Anzahl von Hurrikanen im Nordatlantik, die rote Kurve das Ergebnis der Modellierungen.

Diese Ergebnisse zeigen die enormen Fortschritte bei der Klimamodellierung. Zwar müsste für echte Vorhersagen der Wirbelsturmhäufigkeit auch die Meerestemperatur berechnet werden. Bis dies mit den verfeinerten Klimamodellen möglich wird, ist eine weitere massive Erhöhung der Rechenleistung nötig. Die ausgezeichnete Übereinstimmung von Messung und Rechnung ist jedoch eine weitere hervorragende Bestätigung der Klimamodelle durchs Experiment.

Anhand dieser verfeinerten Modellierungen lässt sich gut der viel diskutierte Unterschied zwischen Wetter- und Klima-Vorhersage erklären. Für das Wetter an einem bestimmten Ort ist die momentane Lage der Hoch- und Tiefdruckgebiete, der Winde, Wolken entscheidend. Deren zeitliche Entwicklung hängt extrem empfindlich von kleinen Unterschieden der Ausgangslage ab. Diese Empfindlichkeit begrenzt die Genauigkeit der Wettervorhersage grundsätzlich auf einige Tage. Für die Klimaentwicklung hingegen ist die genaue Lage der Hoch- und Tiefdruckgebiete nicht wichtig sondern eine genügend genaue Beschreibung der mittleren Charakteristika des Wetters wie z.B. die Häufigkeit der Hoch- und Tiefdruckgebiete in verschiedenen Breitengraden. Oder am Beispiel der Wirbelstürme: für die Wettervorhersage in der Karibik ist die genaue Trajektorie eines Wirbelsturms in der Gegend dort entscheidend. Für den Einfluss der Wirberlstürme aufs Klima jedoch deren mittlere Anzahl in einer bestimmten Gegend. Die verblüffende Übereinstimmung der beiden Bilder mit den Trajektorien ist eine sehr schöne Bestätigung der Leistungsfähigkeit der verfeinerten Klimamodelle. Isaac Held betont dabei in seinem Blogbeitrag, dass diese eindrücklichen Resultate ein Ergebnis der Strömungsgleichungen sind, ohne jede weiteren Annahmen oder Parametervorgaben. Ein Resulat nur der reinen physikalischen Gesetze.

Autor: Klaus Ragaller

Artikel gespeichert unter: Klima

bisher 2 Kommentare Eigenen Kommentar schreiben

  • 1. Klimablog » Neueste&hellip  |  13.Oktober 2011 at 09:49

    [...] die Fortschritte bei der Klimamodellierung berichtet: (neue Ära der Klimamodellierung.,  Klimamodelle im präziser., Klimamodelle immer leistungsfähiger). Die Besucherstatistik zeigt, dass für diese [...]

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