Einfache und mittlere Modelle

Je nach Fragestellung werden heute Modelle unterschiedlicher Komplexität eingesetzt, von den einfachen Modellen über die Modelle mittlerer Komplexität bis hin zu den äußerst komplexen Ozean-Atmosphäre-Modellen. Was ist damit jeweils gemeint?

Einfache und mittlere Modelle

Einfache Modelle

Einfache Klimamodelle stellen lediglich eine bestimmte Eigenschaft des Klimas in mathematisch möglichst simpler Weise dar. Sie sind nicht in der Lage, den Gesamtzustand des Klimas quantitativ abzubilden. Vielmehr werden mit einfachen Modellen nur bestimmte Eigenschaften des Klimasystems oder auch zugrunde liegende Konzepte simuliert. So kann man mit einem einfachen Klimamodell ausrechnen, wie hoch die Temperatur an der Erdoberfläche im Mittel (also über die ganze Erde und alle Zeiten im Durchschnitt) ist oder um wie viel sie sich bei einer Verdoppelung des CO2-Gehalts erhöhen würde.1 Ein solches Modell wird als Energiebilanzmodell bezeichnet.

 Boxmodell

Abb. 1: Beispiel eines Boxenmodells. Der Ozean wird hier in zwei Gebiete (Boxen) mit je einer Temperatur (T1, T2) und einem Salzgehalt (S1, S2) aufgeteilt, die für hohe und niedere Breitengrade stehen. Die Pfeile oberhalb der Boxen kennzeichnen hier die Wärme- und Süßwasserflüsse zwischen Ozean und Atmosphäre die Pfeile im Inneren die Richtung der Zirkulation mit der Oberflächenströmung oben und der Tiefenströmung unten.

 

Ein anderer, für Strömungsfragen im Ozean verwendeter, Typ ist das so genannte Boxenmodell (Abb. 2). Es handelt sich dabei um ein Gittermodell mit nur sehr wenigen (meist zwei oder drei) Gitterzellen und nur wenigen Prozessen, z.B. einer Box für die höheren Breiten und einer für die niedrigen Breiten. Je nach Salzgehalt und Temperatur, die durch den Austausch mit der Oberfläche beeinflusst werden, wird Wasser zwischen den Boxen ausgetauscht (Abb. 2). Damit kann auf stark vereinfachte Weise die Wirkung großräumiger Zirkulationssysteme wie z.B. die meridionale Umwälzzirkulation im Nordatlantik, bei der der Golfstrom und der Nordatlantikstrom die Oberflächenströmung bilden, nachgestellt werden.

Klimamodelle mittlerer Komplexität

EMICs beschreiben das Klimasystem in geringerer räumlicher und zeitlicher Auflösung als GCMs und enthalten bewusst vereinfachende Darstellungen physikalischer Prozesse, also in „parametrisierter“ Form. Man kann daher mit ihnen längere Zeitabschnitte simulieren oder mehrere Modellexperimente gleichzeitig ablaufen lassen. EMICs werden heute vielfach für sehr lange Simulationen von mehreren Hunderten bis Tausenden von Jahren eingesetzt, die mit GCMs bei heutiger Computerleistung nicht zu bewältigen sind, und haben dazu beigetragen, wichtige Funktionen des Klimasystems besser zu verstehen.

Die Fragestellungen für EMICs betreffen überwiegend die Erforschung von Klimaschwankungen über längere Perioden in der Vergangenheit, aber auch einen langfristigen Klimawandel in der Zukunft.

So untersuchten die Forscher die Klimaänderungen der letzten 10 000 Jahre zuerst mit EMICs, wobei sie beispielsweise eine relativ rasche Änderung der Vegetation der Sahara vor 6.000 Jahren entdeckten. Außerdem sind die durch die Veränderung der Erdbahnparameter angestoßenen Zyklen zwischen Warm- und Kaltzeiten ein wichtiger Untersuchungsgegenstand.

Zukünftige Klimaänderungen werden mit EMICs bis über die nächsten 1000 Jahre und mehr projiziert – Simulationen mit GCMs sind derzeit nur über maximal die nächsten 200 Jahre realisierbar. Da die Computerleistung sich ständig verbessert, könnten Fragen, die heute mit EMICs untersucht werden, in Zukunft vermutlich aber auch von GCMs gelöst werden.2

Anmerkungen:
1.
IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 8.8.2

2. Weber, S.L. (2010): The utility of Earth system Models of Intermediate Complexity (EMICs), WIREs Climate Change 1, 243-252; IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 8.8

Autor: