Komplexe Atmosphäre-Ozean-Modelle

Im Laufe der 1970er Jahre wurden die schon bestehenden Wettervorhersagemodelle auch für die Klimaforschung eingesetzt. In der Weiterentwicklung entstanden die heutigen komplexen Modelle für die sogenannte „allgemeine Zirkulation“ von Atmosphäre und Ozean.

Komplexe Atmosphäre-Ozean-Modelle

Komplexität und Kopplung

Bei den komplexen Klimamodellen, die heute dazu benutzt werden, Projektionen für das Klima des 21. Jahrhunderts zu erstellen oder vergangene und heutige Klimazustände nachzubilden, handelt es sich um sehr komplizierte und rechenaufwändige Computermodelle. Sie stellen die einzelnen Subsysteme des Klimasystems (die Atmosphäre, den Ozean, Eis und Schnee, die Vegetation und den Boden) oder sogar einzelne Komponenten der Subsysteme in getrennten Modellen dar, die dann miteinander gekoppelt werden. Atmosphäre und Ozean sind dabei die wichtigsten Komponenten des Klimasystems. Klimamodelle, die diese Prozesse für unseren gesamten Planeten abbilden, werden als Globale oder Allgemeine Zirkulationsmodelle, abgekürzt: GCMs (nach engl.: General Circulation Models), bezeichnet. Ein globales Atmosphärenmodel wird in der englischsprachigen Abkürzung als AGCM (Atmosphere General Circulation Model), ein globales Ozeanmodell als OGCM, ein gekoppeltes Atmosphären-Ozean-Model als AOGCM bezeichnet.

Schema eines gekoppelten Ozean-Atmosphäremodells mit weiteren angegliederten Modellen

Ein Atmosphärenmodell berechnet die atmosphärischen Parameter wie ein- und ausgehende Strahlung, Lufttemperatur, Luftdruck, spezifische Feuchte, Wind usw. Es berechnet Prozesse wie z. B. Wolkenbildung und –bedeckung näherungsweise und über die Dynamik der Atmosphäre die Wechselwirkungen zwischen allen Parametern.
Ein Ozeanmodell simuliert z.B. die Wassertemperatur, den Salzgehalt sowie biogeochemische Prozesse und berechnet somit u.a. die Meeresströmungen. Über den Austausch von Energie (Strahlung sowie fühlbare und latente Wärmeflüsse), Impuls (Windschub) und Stoffflüsse (z.B. Verdunstung und Niederschlag) sind beide Modellkomponenten miteinander verbunden. Diese müssen möglichst realitätsnah berechnet werden, um die Wechselwirkungen zwischen Ozean und Atmosphäre korrekt abzubilden.

Die Kopplung dieser Systeme stellt eine besondere Herausforderung dar. So war die Kopplung zwischen dem trägen Ozean und der sich schnell ändernden Atmosphäre für die Modellierer lange Zeit ein ungelöstes Problem, das man über fast 30 Jahre lang mit einer unphysikalischen Korrektur der Austauschflüsse zwischen beiden Systemen, einer sog. Flusskorrektur, notdürftig überbrückte. Dank höherer Computerleistungen sind heute jedoch nahezu alle GCMs in der Lage, auf die Flusskorrektur zu verzichten.1; 2

Auflösung und Parametrisierung

Um das einem Klimamodell zugrundeliegende gekoppelte System von Differentialgleichungen numerisch lösen zu können, bedarf es nun sehr viel an mathematischem Können (Numerik). Die Erde wird mit einem dreidimensionalen Gitter überzogen, d.h. Atmosphäre und Ozean werden „in Gitterzellen zerlegt“, und es werden alle Vorgänge auf diesem numerischen Gitter beschrieben. Zwischen den benachbarten Gitterpunkten werden von Zeitschritt zu Zeitschritt der Austausch an Masse und Energie mit Hochleistungsrechnern realisiert. Aufgrund der limitierten Rechenkapazität können alle diese Prozesse in Klimamodellen jedoch natürlich nicht in beliebig kleiner räumlicher Auflösung dargestellt werden.
Europa und der Nordatlantik bei unterschiedlicher Modellauflösung
Wie gut auf diese Weise das wirkliche Klima simuliert wird, hängt unter anderem von der Maschenweite des Gitternetzes ab, die wiederum eine Folge der verfügbaren Computerleistung ist. Für den letzten Bericht des Weltklimarates IPCC von 2007 wurden die meisten globalen Modelle mit einer Auflösung von ungefähr 200x200 km gerechnet, für den nächsten Bericht, der 2014 erscheinen soll, wird eine Auflösung von weniger als 100x100 km angestrebt. Meist werden die physikalischen Gleichungen in der Atmosphäre auf 20–30 vertikalen Schichten bis in die Stratosphäre gerechnet, wobei die untere Troposphäre besser aufgelöst ist. Abb. 3 zeigt die Maschenweite typischer Klimamodelle, die für die Klimazustandsberichte des IPCC verwendet wurden.

Aufgrund der begrenzten Auflösung können die kleinräumig ablaufenden Prozesse mit räumlichen und zeitlichen Skalen unterhalb der Modellauflösung, wie etwa die Bildung und Auflösung von Wolkentröpfchen, nicht direkt dargestellt werden. Solche Prozesse müssen daher näherungsweise durch physikalische Parametrisierungen berechnet werden; d.h. ihre Effekte auf die berechneten Prozesse müssen geschätzt werden. Beispielsweise ist die Physik der Tröpfchenbildung in der Meteorologie sehr gut verstanden und auch im Detail modellierbar. Jedoch würde die explizite Berücksichtigung dieses Prozess jedes Klimamodell "sprengen“. Folglich wird die Niederschlagsbildung in Wolken durch meteorologische Größen des Modells wie z.B. relative Feuchte und/oder Vertikalwind beschrieben (parametrisiert). In die Parametrisierung fließen auch die Ergebnisse von Messungen mit ein.

Anmerkungen:
1.
IPCC (2007): Climate Change 2007, Working Group I: The Science of Climate Change, 1.5.3.
2. Stocker, T. (2008): Einführung in die Klimamodellierung, Universität Bern, Vorlesung 2008

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