Klima-Modellierung: die Arbeitschritte

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Um eine Prognose über die Entwicklung des Klimas abgeben zu können, sind zahlreiche Arbeitsschritte erforderlich. Welches die wichtigsten sind, stelle ich  in der Bonus-TV-Doku „Zahlen und Zeichen – Von der Gleichung zur Visualisierung: die sieben wichtigsten Arbeitschritte der Klimamodellierung“ vor. Das wesentliche Wort dabei gehört Jörn Behrens, der als Mathematiker am Klima-Excellenzcluster in Hamburg vor allem numerische Methoden in den Geowissenschaften erforscht.

(1) Grundgleichungen der Prozesse

Alles beginnt mit dem Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse, die im Labor oder mit anderen Beobachtungsdaten lokaler Messstationen  und von Erdbeobachtungssatelliten validiert werden.

(2) Mathematische Modellbildung

Aus den Grundgleichungen entsteht durch Abstraktion, also Vereinfachung der Gleichungen, das Erdsystem-Modell. Streng genommen ist es ein Aggregat von mehreren Teilmodellen. Auch diese Teilmodelle werden anhand historischer Daten validiert.

(3) Entwicklung von Szenarien

Will man im Erdsystemmodell die mögliche künftige Entwicklung mit abbilden – beispielsweise die  Wirkungen des vom Menschen gemachten Klimawandels -, dann braucht es noch ein weiteres wichtiges Element: die Projektion in die Zukunft. Doch die Zukunft ist nicht vorhersehbar. Prognosen lassen sich daher mathematisch nicht berechnen. Diese Entwicklung ist nur in unterschiedlichen Szenarien zu erfassen. Auch diese müssen dann allerdings über sozioökonomische Modellierung abgeschätzt und damit quantifiziert werden. Sie erfassen Größen wie die Veränderung der Bevölkerungszahl, die weltweiten Emissionen von CO2 oder auch die Entwicklung der Landwirtschaft mit den von der menschlichen Gesellschaft erzeugten Treibhausgasen von Methan bis zu den Stickstoffen.

(4) Diskretisierung des kontinuierlichen Modells

Der nächste Schritt ist die sogenannte Diskretisierung der Gleichungen des Gesamtmodells. Sie erlaubt es, die physikalisch kontinuierlichen Prozesse auf der Zeitachse in einem Raster mit endlichem Aufwand zu berechnen. In diesem Arbeitsschritt werden auch die  sogenannten parametrisierten Daten als Funktion für jeden Raster- und Zeitpunkt näherungsweise erfasst. Die Parametrisierung bildet in den groben Rastern der globalen Klimamodelle die kleinskaligen physikalischen und chemischen Prozesse und Wechselwirkungen ab, die sich weit unterhalb der Auflösung des Berechnungsrasters abspielen und daher nicht simuliert werden können. Dazu gehören  beispielsweise die Aerosolbildung, die Wolkenentstehung oder der Niederschlag. Aber ebenso gehen auch die sozioökonomischen Zukunfts-Szenarien mit solchen parametrisierten Daten in die Klimamodelle mit ein. Solche Parametrisierungen können übrigens auch von Werten in der jeweiligen Zelle gesteuert werden, beispielsweise von der Temperatur oder der Dichte.

(5) Algorithmen für die Programmierung

Erst an dieser Stelle kommen nun die Algorithmen ins Spiel, die für die Simulation das Zusammenspiel aller Elemente über die Zeit so beschreiben, dass sie programmierbar werden.

(6) Programmierung der Simulation

Alles zusammen wird nun in eine viele Millionen von Zeilen bestehende Software programmiert, die alle Teilmodelle und Parametrisierungen erfasst. Die Ursprünge dieser unterschiedlichen Programme für die globale Klimamodellierung reichen bis in die neunziger Jahre zurück. Sie wurden im Lauf der Jahrzehnte weiterentwickelt und dabei auch mit neuen Teilmodellen ergänzt. Dabei der Trend heute: Die Integration von kleinskaligen Phänomenen in globale Klimamodelle, an denen die Wissenschaft heute arbeitet. Sie erlauben es, die nur parametrisiert vorliegenden Prozesse innerhalb der Gitter im Modell zu berechnen – und so die Ergebnisse und Projektionen weiter zu präzisieren. Auf einem Supercomputer kann nun die Simulation mit den Projektionen in die Zukunft berechnet werden.

(7) Visualisierung der Daten

Der Computer spuckt als Simulation lange Zahlenreihen aus. Selbst für den Wissenschaftler sind sie nicht ohne „Übersetzung“ interpretierbar. Deshalb kommt zuletzt der Schritt der Visualisierung, mit der die Simulations-Ergebnisse visuell erfassbar sind und interpretiert werden können.

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

14 Kommentare

  1. Und dann kommt die Realität. Die dafür zuständigen Mitarbeiter im sächsischen Landesamt für Umwelt und Geologie haben vor 20 Jahren von der Tendenz zur Versteppung Nordsachsens im Zusammenhang mit der weltweiten Klimaänderung gesprochen. Nun wird 2021 das Ende der Thujahecken in Leipzig-Leutsch bringen. Man sieht es deutlich.

  2. Die Klima-Modellierung mit den hier dargestellten Arbeitsschritten hat sich über mehrere Jahrzehnte entwickelt. Das erste auf einem Computer laufende allgemeine Zirkulations-Klimamodell (GCM= general circulation model) entstand in den späten 60er Jahren, also noch zu einer Zeit als einige Klimawissenschaftler vor einer zukünftigen Eiszeit warnten, waren doch die 60er Jahre von einer wahrscheinlich durch die vielen Abgase verursachten, leichten globalen Abkühlung bestimmt. Entstehungsort war die National Oceanic and Atmospheric Administration der USA und ja, die USA waren damals oder fühlten sich damals für die ganze Welt verantwortlich und Pioniere aus den USA wie Charles David Keeling, Wallace Smith Broecker und später James Hansen machten die Klimawissenschaft in den USA und weltweit bekannt. Der deutsche Bundeskanzler und spätere Zeit-Redaktor Helmut Schmidt schrieb in den frühen 2000er Jahren noch, nur US-Bürger/Wissenschaftler könnten wohl auf die Idee kommen, der Mensch könne das Klima verändern. Doch bereits der Erdgipfel in Rio 1992 machte die Treibhausgase zum Thema und empfahl der Welt eine Reduktion ihres Ausstosses. Doch seit 1992, also seit dem Gipfel von Rio, haben die Treibhausgasemissionen weltweit um mehr als 60% zugenommen. Und das obwohl die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas bereits im 19. Jahrhundert die Industrien in Grossbritannien, Europa und den USA bestimmte.

    Doch erst die grosse Globalisierungswelle im späten 20. Jahrhundert führte auch zur Industrialisierung der ganzen Welt und damit zur weltweiten Verbreitung von Kohle, Erdöl und Erdgas, was dann die 60-prozentige Zunahme des Treibhausgasaustosses seit 1992 erklärt.

    Eines wird jedenfalls durch die langen Zeiträume, in denen bereits von der Klimaerwärmung gesprochen wird und in der die Treibhausgase trotzdem immer angestiegen sind klar: Das Klima- und Treibhausproblem ist keine Sache von ein paar Jahren oder auch nur Jahrzehnten. Es wird uns mit Sicherheit noch das gesamte 21. Jahrhundert begleiten – und wahrscheinlich such etwas darüber hinaus.

    Ich kann mir gut vorstellen, dass zukünftige Generationen ganz anders auf das Klimaproblem, auf unser Klimaproblem, zurückschauen. Einerseits werde sie sich wundern, dass man das Problem so lange verschleppte, andererseits könnte es gut sein, dass die Menschen der nächsten Generationen uns beneiden werden – beneiden dafür, dass unser grösstes Problem ein so einfach zu lösendes war wie das Klimaproblem. „Wenn die wüssten was noch auf sie zukommt, dann hätten sie ganz anders gelebt“ werden vielleicht einige unserer Enkelkinder einmal sagen.

    Nun ja, die nächste Generation weiss es immer besser. Oder nicht?

    • Bis heute fehlt es an einer weltweit gemeinsam getragenen Einsicht, dass Klimaforschung nötig ist … ja, es wird noch lange dauern. Überhaupt: Noch nie hat es die Menschheit geschafft, eine von allen Völkern der Erde getragene Einsicht zu irgend etwas zu entwickeln. Warum soll das also bei der Klimabetrachtung anders sein.

  3. Das oben im 2. Schritt genannte Erdsystem-Modell besteht ja, wie bekannt, aus nicht einer einzigen kugelförmigen Erde, sondern aus sehr vielen Elementen “quadratischen” Elementen, die mithilfe eines Gitters von 500 x 500 km erzeugt werden.
    Eine Studie mit dem Titel “A round Earth for climate models”
    https://www.pnas.org/content/116/39/19330
    hat nun festgestellt, dass diese 500 x 500 km großen Elemente in den Modellen als flach angesehen werden, obwohl diese doch im “Original” gewölbt sind. Durch diese fehlende Wölbung entstehen Fehler bei der Berechnung der von der Sonne eintreffenden Strahlung und Wärme und ebenso bei der Abstrahlung und der Kühlungswirkung durch Aerosole.
    Die Studie versucht die Differenz zu berechnen und findet einen Wert (2 W⋅m−2) , der fast der Gleiche ist, wie der von der Klimaforschung berechnete Wert der Änderung der Strahlungsintensität seit Beginn der Industrialisierung.
    In den conclusions fragen die Verfasser:
    “Does an additional global 2 W⋅m−2 out of a total heating of 240 W⋅m−2 matter? Since climate models can clearly detect the climate change caused by similar levels of human forcing (41), the shift in climate caused by flat atmosphere errors should be obvious. Also, 2 W⋅m−2 is typical of the model-to-model differences in atmospheric heating (42). The spherical corrections, even for the flat atmosphere mass, are not uniform and thus may cause much larger corrections in the stratosphere and winter poles.”

    Modelle gerade des Erdklimas stellen immer Vereinfachungen dar, das geht nicht anders. Doch es stellt sich dann auch die Frage, was bei Vereinfachungen weggelassen werden kann und was für das Ergebnis sehr wichtig ist. Das scheint laut dieser Studie bei der gemachten Vereinfachung einer “flachen Erde” bisher nicht klar zu sein.

    • So weit ich das überblicke, sind das genau die Fragen, die Klimaforscher heute versuchen zu lösen. Es gibt erhebliche Aktivitäten zum Thema Up- und Downscaling (da habe ich dazu eine eigene Sendung gemacht, die hier aber noch nicht veröffentlicht ist). Dass es durch solche “Unschärfen” tatsächlich zu Abweichungen kommt, stellen seriöse Klimaforscher heute auch nicht in Frage. Sie sind aber überzeugt, dass diese kleinskaligen Prozesse vor allem regionale, nicht aber globale Wirkung haben. Ich muss allerdings auch sagen, dass ich über dieses ganz spezielle Phänomen eines flachen Rasters nicht en detail mit ihnen gesprochen habe. Kann also leider direkt nichts Vernünftiges dazu sagen.

    • @Wolfgang Richter (Zitat):

      Das oben im 2. Schritt genannte Erdsystem-Modell besteht ja, wie bekannt, aus nicht einer einzigen kugelförmigen Erde, sondern aus sehr vielen Elementen “quadratischen” Elementen, die mithilfe eines Gitters von 500 x 500 km erzeugt werden.

      Antwort: Stimmt für die Klimamodelle im letzten Jahrhundert/Jahrtausend, nicht aber für die neuesten Klimamodelle, die mit 200×200 km Auflösung oder feiner rechnen. Im Artikel Komplexe Klimamodelle (GCMs) liest man dazu:

      Für den vierten Bericht des Weltklimarates IPCC von 2007 wurden die meisten globalen Modelle mit einer Auflösung von ungefähr 200 km x 200 km (ca. 2 Grad) gerechnet. Die Modellsimulationen für den fünften Bericht des IPCC, der 2013 erschienen ist, zeigen eine nur moderat höhere Auflösung. Sie liegt für die Atmosphäre zwischen 100 km und 200 km. Dafür sind die Modelle deutlich komplexer geworden, indem sie mehr Komponenten des Klimasystems auf verbesserte Art und Weise abbilden (s. Erdsystemmodelle). Bei Regionalmodellen hat sich die typische Auflösung von 50 km auf rund 25 km, z.T. sogar auf 10 km und weniger, deutlich erhöht. Die physikalischen Gleichungen in der Atmosphäre werden auf 30-90 vertikalen Schichten bis in die Stratosphäre gerechnet, wobei die untere Troposphäre höher aufgelöst ist. Für den Ozean werden 30-60 Schichten berechnet (IPCC WG1, 2013, 9.1.3.3). Die folgende Abbildung zeigt die Maschenweite typischer Klimamodelle, die für die Klimazustandsberichte 1-4 des IPCC verwendet wurden.

        • @Martin Holzherr
          Danke für den Link und die dort zu findende Information.

          Irgendwie passt nun etwas nicht zueinander, denn die Studie ist von 2019 und laut den Informationen unter dem Link gab es die mit 200 x 200 km höher auflösenden Modelle schon für den IPCC-Bericht 2007.

      • Ergänzung betreffend Auflösung von Klimamodellen
        Auf der verlinkten Website findet man folgende Aussagen zu den verwendeten Grössen/Auflösungen der Gitterzellen, welche in den Klimamodellen der Klimaberichte des Weltklimarates die Erdoberfäche inklusive Atmosphäre modellieren:

        Klimamodelle aus der Mitte der 1990er Jahre verwendeten typischerweise Gitter ähnlich wie T42, das Gitterzellen von etwa 200 mal 300 km (120 mal 180 Meilen) in mittleren Breiten hat. Die T85-Auflösung ist typisch für die Modelle, die im Vierten Sachstandsbericht des IPCC (AR4) verwendet werden; ihre Gitterzellen haben eine Größe von etwa 100 x 150 km (60 x 90 Meilen) in den mittleren Breiten. Die T170- und T340-Gitter stellen zukünftige Richtungen in der Modellierung dar, wenn in den kommenden Jahren neue, leistungsfähigere Supercomputer in Betrieb genommen werden. Solche Modelle werden in der Lage sein, Projektionen für das regionale Klima zu erstellen, die viel feiner sind als die, die wir derzeit erstellen können.

        Denken Sie daran, dass atmosphärische Modelle (einschließlich Klimamodelle) auch Gitterzellen in vertikaler Richtung haben, die die Variationen darstellen, die mit der Höhe in der Erdatmosphäre einhergehen. Die hier gezeigten Bilder zeigen nur die Auflösung in Richtung der Breiten- und Längengrade.

        Fazit: im AR4, dem vierten Sachstandsbericht des Weltklimarates waren die einzelnen Gitterzellen 100 x 150 km gross. Allerdings nur in den mittleren Breiten, den Breiten, die zwischen Polarkreis und 40 Grad Breite liegen (Marseille hat 43 Grad Breite). Das heisst 100 x 150 km war die feinste Auflösung der verwendeten Gitterzellen im Sachstandsbericht des Weltklimarates.

  4. Martin Holzherr,
    Nicht nur das Klima ändert sich, auch die Atmosphäre ändert sich. Sie finden heute kaum noch einen Platz, wo es nicht “stinkt”.
    Die Städte stinken aber man merkt dies nicht mehr, weil die industrialisierte Landwirtschaft auch das freie Land stinken lässt. Es riecht entweder nach Düngemittel, nach Pflanzenschutzmittel, nach Traktoren. Hat schon mal jemand kontrolliert wieviel Schadstoffe ein 200 PS Traktor ausstößt ?

    Und wann kommt mal jemand auf die Idee den Sauerstoffgehalt der Atemluft zu kontrollieren ? Wenn in Brasilien der Regenwald abgeholzt wird , in Australien die Wälder brennen, dann muss sich doch das in einem Mangel an Sauerstoff bemerkbar machen. Und wie steht es mit den Kreuzfahrtschiffen. Die verbrennen Schweröl dass es Gott erbarmt.

    • @hwied (Zitat): Sie finden heute kaum noch einen Platz, wo es nicht “stinkt”.
      In den bereits entwickelten Ländern (wie Deutschland) ist es bereits wieder besser geworden. Global gesehen ist es aber in der Tat viel schlechter geworden. Und das alles in den letzten 30 oder 40 Jahren, denn in dieser Zeit hat sich beispielsweise China industrialisiert.

    • Einen Teil der Erwärmung bei “uns” erklärt oder zumindest erklärte man vor Jahren durch die großen Verbesserungen der Luftqualität. Der umgangssprachlich “Dreck” genannte in der Luft, die Aerosole, hatten eine kühlende Wirkung.
      Ich halte diese Erklärung zumindest für Europa als durchaus passend, denn hier gab es bisher die stärkste Erwärmung mit 2,17 °C seit 1880, wie man hier sehr schön interaktiv darstellen kann:
      https://www.ncdc.noaa.gov/cag/
      Nordamerika hat nur eine Erwärmung um 1,04 °C, wo sich (meine Vermutung) die Luftverbesserung infolge der großen Landmasse wohl deutlich weniger ausgewirkt hat.
      Wieviel Anteil der Erwärmung global und regional nun auf die Luftverbesserung, wieviel aufs CO2, wieviel auf die FCKW-Gase und das Methan und wieviel auf die natürlichen Variationen zurückzuführen sind, das ist bisher noch nicht geklärt, da hat die Klimaforschung noch viel zu tun.
      Wenn das dann auch noch in den Modellen berücksichtig werden wird, werden die Berechnungen immer genauer werden.

      • @Wolfgang Richter (Zitat):

        Wieviel Anteil der Erwärmung global und regional nun auf die Luftverbesserung, wieviel aufs CO2, wieviel auf die FCKW-Gase und das Methan und wieviel auf die natürlichen Variationen zurückzuführen sind, das ist bisher noch nicht geklärt, da hat die Klimaforschung noch viel zu tun.

        70% der Erdoberfläche ist Wasser/Ozean und dort gibt es weniger regionale Einflüsse. Die globale Erdoberflächen-Erwärmung lässt sich deshalb am zuverlässigsten an der Zunahme der Ozeanoberflächentemperatur, global gemittelt, feststellen. Zudem gibt die Temperaturzunahme des Ozeans über seine gesamte Tiefe Auskunft über die zusätzliche Wärmemenge, die im Erdsystem gespeichert wurde. Allerdings sind die Temperaturerhöhungen im Ozean deutlich geringer als an Land was an der grossen Wassermenge liegt in der sich die deponierte Wärme verteilt. Relativ genaue und detaillierte Messungen der Ozeanoberflächentemperatur gibt es seit Beginn der Satellitenmessungen 1967. Seit Beginn der Satellitenmessungen steigen die Ozeantemperaturen Jahr für Jahr. Die vom ymenschen verursachte Luftverschmutzung betrifft zwar auch die Atmosphäre über dem Ozean, aber deutlich weniger als über dem Land wo ja die meisten Emissionsquellen stationiert sind.

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