Die Entwicklung globaler Klimamodelle

Die Entwicklung globaler Klimamodelle

Die Entwicklung der globalen Zirkulationsmodelle ist wesentlich an die Entwicklung der Computerkapazitäten gebunden. Erst die Fortschritte in der Rechenleistung großer Computeranlagen haben es ermöglicht, dass sich die Komplexität der Modelle, die Länge der Simulation und die räumliche Auflösung steigern ließen. Die ersten Modellrechnungen wurden mit reinen Atmosphärenmodellen durchgeführt, die aus Wettermodellen abgeleitet wurden. Seit den 1960er Jahren wurden Atmosphären- und Ozeanmodelle miteinander gekoppelt, zunächst mit einem flachen Ozean ohne Ozeandynamik. In den folgenden Jahren wurden Modelle der Atmosphäre und des Ozeans getrennt weiterentwickelt. Bei der späteren Kopplung mit einem vollständigen Ozeanmodell gab es spezifische Schwierigkeiten. Die Modelle gaben den Energie-, Wasser- und Bewegungsfluss zwischen Ozean und Atmosphäre nicht korrekt wieder, was zu einem Abdriften des gekoppelten Modells in einen unrealistischen Zustand führte. Aus diesem Grund führte man eine sog. Flusskorrektur ein, die dieses Problem auf künstliche Weise behob. Seit dem 3. Bericht des Weltklimarates IPCC von 2001 wurden dann zunehmend Modelle benutzt, die keine Flusskorrektur mehr benötigten.1

Chronologie der Klimamodellentwicklung
Abb. 1:
Chronologie der Klimamodellentwicklung2

Seit den 1990er Jahren wurden immer mehr Komponenten des Klimasystems miteinbezogen und die Modelle wurden immer komplexer (Abb. 1). So wurden Anfang der 1990er Jahre Modellrechnungen durchgeführt, die auch die Wirkung der in der Summe abkühlend wirkenden Aerosole berücksichtigten. Außerdem wurden Modelle für den ozeanischen und terrestrischen Kohlenstoffkreislauf entwickelt und in gekoppelten Simulationen für den Bericht des Weltklimarates IPCC von 2007 genutzt. Eine dynamische Vegetation und die Chemie der Atmosphäre sind weitere Bausteine der Modellentwicklung. Besonders die Einbeziehung einer dynamischen Landvegetation, die mit der Atmosphäre in Wechselwirkung steht, ist ein bedeutender Schritt hin zu einem sog. Erdystemmodell (Abb. 2), auch als ESM bezeichnet.2 In jüngster Zeit sind verbesserte biogeochemische Kreisläufe und dynamische Eisschilde,die mit Klimaänderungen in Wechselwirkung stehen, hinzugekommen.3

Damit konnten die Wechselwirkungen wichtiger geophysischer und geochemischer Prozesse im Klimasystem modelliert und Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre , Lithosphäre (die Gesteinsschicht), Kryosphäre und die Anthroposphäre (die durch den Menschen bestimmten Aktivitäten und Veränderungen) mit ihren Treibhausgasemissionen verbunden werden. Die Vorbereitungen zu dem neuen IPCC-Bericht 20121 zeigen allerdings, dass in vielen Bereichen noch erhebliche Bedarfe zur Verbesserung der Modellkonzeption und der Rechenkapazitäten bestehen.4 Angestrebt wird die Entwicklung zu einem Modell des "Systems Erde", das möglichst alle Komponenten des Klimasystems einschließlich ihrer Rückkopplungen und der externen Störungen simuliert. Ein solches Erdsystemmodell, das enorm viel Rechenkapazität erfordert, könnte künftig auch die Wechselwirkungen mit der menschliche Gesellschaft darstellen.

Darstellung eines Erdsystemmodells mit den dazugehörigen Komponenten

Abb. 2: Konzept eines Erdsystemmodells

Anmerkungen:
1. IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 1.5
2. Levis, S. (2010): Modeling vegetation and land use in models of the Earth System, WIREs Climate Change 1, 840-856
3. Nowicki, S. M. J., Payne, A., Larour, E., Seroussi, H., Goelzer, H., Lipscomb, W., Gregory, J., Abe-Ouchi, A., and Shepherd, A. (2016): Ice Sheet Model Intercomparison Project (ISMIP6) contribution to CMIP6, Geosci. Model Dev., 9, 4521–4545, https://doi.org/10.5194/gmd-9-4521-2016
4. Eyring, V., P.M. Cox, G.M. Flato et al. (2019): Taking climate model evaluation to the next level. , 9, no. 2, 102-110, doi:10.1038/s41558-018-0355-y.

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