Grenzen der Klimamodellierungen

Do, 06.12.2018 - 15:47 — Carbon Brief

Man kann es nicht oft genug wiederholen: Klimamodelle bieten keine völlig korrekte Darstellung des Erdklimas und sind dazu auch nicht in der Lage. Das Klima ist ja von Natur aus chaotisch, eine Simulation mit 100% iger Genauigkeit daher nicht möglich. Dennoch können Modelle das globale Klima ziemlich gut wiedergeben. Wo und welche Probleme noch bestehen und welche Lösungen man erarbeitet, beschreibt der folgende Artikel , Teil 7 einer umfassenden, leicht verständlichen Serie "Q&A: How do climate models work?", die von der britischen Plattform Carbon Brief stammt (Teile 1 -6[1, 2, 3, 4, 5, 6].*

Wie genau Klimaprognosen ausfallen, hängt auch von der Qualität der Annahmen ab, die in die Modelle einfließen.

• Beispielsweise wissen Wissenschaftler ja nicht, ob die Treibhausgasemissionen sinken werden - sie nehmen daher Schätzungen vor, die auf verschiedenen Szenarien einer zukünftigen sozioökonomischen Entwicklung basieren. Dies erhöht die Unsicherheit der Klimaprojektionen.
• Ebenso gibt es künftige Aspekte, für die - auf Grund ihres in der Erdgeschichte so seltenen Auftretens - nur äußerst schwer Voraussagen gemacht werden können. Ein Beispiel dafür betrifft die Eisschilde: wenn diese abschmelzen könnten sie instabil werden und den erwarteten Anstieg des Meeresspiegels beschleunigen.

Klimamodelle werden immer komplizierter und anspruchsvoller - dennoch gibt es immer noch Aspekte des Klimasystems, die Modelle nicht so gut erfassen können, wie es die Wissenschaftler wünschen.

Das Problem Wolken

Eine der wesentlichen Einschränkungen der Klimamodelle liegt darin, wie gut sie Wolken darstellen können.

Wolken sind Klimaforschern ein ständiger Dorn im Auge. Sie bedecken jeweils rund zwei Drittel der Erdoberfläche, doch einzelne Wolken können sich innerhalb weniger Minuten bilden und auflösen, Wolken können den Planeten sowohl wärmen als auch kühlen; die hängt von der Art der Wolke ab und der Tageszeit. Dazu kommt, dass Wissenschaftler keine Aufzeichnungen darüber besitzen, wie Wolken in der fernen Vergangenheit beschaffen waren - damit wird es schwieriger festzustellen, ob und wie sie sich in der Zwischenzeit verändert haben.

In Hinblick auf die Schwierigkeiten beim Modellieren von Wolken tritt als besonderer Aspekt die Konvektion hervor. Dies ist der Prozess, bei dem die warme Luft an der Erdoberfläche durch die Atmosphäre emporsteigt, sich abkühlt und die darin enthaltene Feuchtigkeit dann zu Wolken kondensiert.

An heißen Tagen erwärmt sich die Luft schnell, was die Konvektion fördert. Dies kann zu heftigen Regenfällen von kurzer Dauer führen, die häufig von Donner und Blitzen begleitet werden.

Abbildung 1. Konvektionsströmung, die zu Wolkenbildung führt und auch zu Gewittern. Credit: Niccolò Ubalducci / Flickr (CC BY-NC-ND 2.0)

Durch Konvektion verursachte Niederschläge können kurzfristig und stark lokalisiert auftreten. Um solche Niederschlagsereignisse zu erfassen, verfügen globale Klimamodelle über eine ungenügende, zu grobe Auflösung.

Wissenschaftler verwenden stattdessen „Parametrisierungen“ [6], welche die mittleren (durchschnittlichen) Auswirkungen der Konvektion über eine einzelne Gitterzelle darstellen. Dies bedeutet, dass Globale Klimamodelle (GCMs) keine individuellen Stürme und lokale Starkregenereignisse simulieren. Dies erklärt Dr. Lizzie Kendon, leitende Wissenschaftlerin für Klimaextreme am Met Office Hadley Center Carbon Brief gegenüber:

„GCMs sind nicht in der Lage, die Intensitäten der Niederschläge im Stundenraster und extreme Niederschläge im Sommer zu erfassen. Bei der groben Auflösung der globalen Modelle wäre die Verlässlichkeit stündlicher Regenprognosen oder konvektiver Extrema sehr niedrig“.

Um diesem Problem beizukommen, haben Wissenschaftler besonders hochauflösende Klimamodelle entwickelt. Diese haben Gitterzellen, die weniger als einige zehn Kilometer breit sind. Diese „Konvektion-berücksichtigenden“ Modelle können größere Konvektionsstürme simulieren, ohne dass eine Parametrisierung erforderlich ist.

Allerdings ist das ein Kompromiss: mehr in Details zu gehen bedeutet, dass die Modelle noch nicht den gesamten Globus abdecken können. Auch, wenn die Oberfläche kleiner geworden ist und Supercomputer verwendet werden, benötigen derartige Simulationen immer noch sehr lange Laufzeiten, vor allem, wenn Wissenschaftler viele Variationen des sogenannten Modell-Ensembles ausführen möchten. (zu Modell-Ensembles:siehe [4]).

Beispielsweise verwenden Simulationen, die Teil des Projekts IMPALA "Future Climate For Africa" ​​("Verbesserung von Modellprozessen für afrikanisches Klima") sind, Modelle, welche die Konvektion berücksichtigen und dies für ganz Afrika. Allerdings geschieht dies nur für einen Part des Ensembles, so Kendon. In ganz ähnlicher Weise wird das nächste Set der UK-Klimaprojektionen, das im nächsten Jahr fällig wird („UKCP18“) durchgeführt und zwar für 10 Ensemble-Modelle, jedoch nur für Großbritannien.

Es liegt aber noch ein weiter Weg vor uns, um Modelle, die Konvektion berücksichtigen, auf die globale Dimension ausdehnen zu können. Kendon drückt dies explizit so aus: "Es wird wahrscheinlich viele Jahre dauern, bis wir uns [die Rechenleistung für] konvektionsfähige globale Klimasimulationen leisten können, insbesondere für mehrere Simulationen eines Ensembles."

Die doppelte ITC Zone (innertropische Konvergenzzone)

Ähnlich wie das Wolken-Problem in den globalen Klimamodellen ist auch die "doppelte innertropische Konvergenzzone" zu sehen. Bei der innertropische Konvergenzzone (ITCZ) handelt es sich um einen riesigen Tiefdruckgürtel, der die Erde in Äquatornähe umgibt (Abbildung 2). Diese Zone regelt die jährlichen Niederschlagsmuster in einem Großteil der Tropengebiete und ist daher für Milliarden von Menschen ein äußerst wichtiges Klimaelement.

Abbildung 2. Die Innertropische Konvergenzzone (ITCZ) und die wesentlichen globalen Zirkulationssysteme in der Erdatmosphäre – Strömungen, die zwischen der warmen Luft in den Tropen und der kalten Luft in den Polgebieten ausgleichen. Dazu zählen die tropische Passatzirkulation (Hadley Zelle) zwischen 30^oNord und 30^o Süd, in der in Bodennähe Nordost-Passate oder Südostpassate in Richtung Äquator und polwärts - wegen der Corioloskraft - westlich gerichtete Winde wehen. In der Polarzelle treffen die entgegengesetzt strömenden Luftmassen von Polarluft und subtropischer Warmluft zusammen. (Quelle: Kaidor; CC BY-SA 3.0 from Wikimedia Commons)

Die ITC Zone ​​verschiebt sich während des Jahres über die Tropen hin nach Norden und Süden und folgt dabei grob dem Sonnenstand in den Jahreszeiten. Globale Klimamodelle erzeugen die ITCZ ​​in ihren Simulationen - sie entsteht als Folge der Wechselwirkung zwischen den einzelnen physikalischen Prozessen, die im Modell eingegeben sind. Wie jedoch US-Wissenschaftler vom Caltech erläutern, gibt es einige Gebiete, in denen Klimamodelle Schwierigkeiten haben, die Position der ITCZ ​​korrekt darzustellen (https://doi.org/10.1175/JCLI-D-15-0328.1):

“Im östlichen Pazifik liegt die ITCZ ​​ den Großteil des Jahres über nördlich des Äquators und mäandriert einige wenige Breitengrade um den sechsten Breitengrad. Für einen kurzen Zeitraum im Frühjahr spaltet sich die Zone jedoch in zwei ITCZs auf beiden Seiten des Äquators auf. Die derzeitigen Klimamodelle übertreiben diese Aufspaltung in zwei ITCZs, was zur bekannten Doppel-ITCZ-Verzerrung der Modelle führt“.

Die meisten Globalen Klimamodelle zeigen zu einem gewissen Grad das doppelte ITCZ-Problem; dies führt dazu, dass sie für einen Großteil der Tropen der südlichen Hemisphäre zu viel Regen simulieren und für den Pazifik am Äquator manchmal zu wenig Regen.

Die doppelte ITC Zone ​​"ist vielleicht der wichtigste und permanenteste systematische Fehler in aktuellen Klimamodellen", sagt Dr. Baoqiang Xiang, ein leitender Wissenschaftler am Geophysical Fluid Dynamics Laboratory der National Oceanic and Atmospheric Administration in den USA. Daraus ergibt sich vor allem: Modellierer halten Vorhersagen, wie sich die ITC Zone ​​im Verlauf der Klimaerwärmung ändern könnte, für weniger verlässlich. Es gibt aber auch weitere Beeinflussungen, sagt Xiang zu Carbon Brief:

„Zum Beispiel prognostizieren die meisten aktuellen Klimamodelle einen abgeschwächten Passatwind und eine Abschwächung der Walker-Zirkulation (d.i. ein Strömungskreislauf der Luft über dem äquatorialem Pazifik; Anm. Redn). Die Existenz des doppelten ITCZ-Problems könnte zu einer Unterschätzung dieses geschwächten Passatwinds führen."

(Passatwinde sind annähernd konstante östliche Winde, welche beiderseits des Äquators um die Erde zirkulieren.)

Darüber hinaus legt eine 2015 erschienen Studie (in Geophysical Research Letters) nahe, dass die doppelte ITCZ die Rückkopplungen von Wolken und Wasserdampf in Modellen beeinflusst und daher für die Klimasensitivität^# eine Rolle spielt. Man fand heraus, "dass Modelle mit einer starken doppelten ITC Zone ​​einen niedrigeren Wert für die Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS) aufweisen, was darauf hindeutet, dass „die meisten Modelle die ECS unterschätzt haben“. Wenn Modelle aber die ECS unterschätzen, wird sich als Reaktion auf vom Menschen verursachte Emissionen das Klima stärker erwärmen, als es die aktuellen Prognosen vermuten lassen.

Die Ursachen für die doppelte ITCZ ​​in Modellen sind komplex und waren Gegenstand zahlreicher Studien, erklärt Xiang gegenüber Carbon Brief. Nach seiner Meinung gibt es eine Reihe von ursächlichen Faktoren, einschließlich der Art und Weise, wie Konvektion in Modellen parametrisiert wird.

Beispielsweise kam ein 2012 veröffentlichter Artikel (in den Proceedings der National Academy of Sciences) zu dem Schluss, dass das Problem daher rührt, dass die meisten Modellen nicht genügend dicke Wolken über dem "oft bedeckten Südozean" erzeugen. Dies führt dann zu höheren Temperaturen über der Südhemisphäre als üblich und auch zur Verschiebung der tropischen Niederschläge nach Süden.

Fragt man danach, wann Wissenschaftler dieses Problem lösen werden können, so lässt sich darauf laut Xiang nur schwer eine Antwort finden:

„Meiner Meinung nach werden wir dieses Problem in den kommenden zehn Jahren möglicherweise nicht vollständig lösen können. Mit dem verbesserten Verständnis der Modell-Physik, der Erhöhung der Modellauflösung und verlässlicheren Beobachtungen haben wir jedoch bedeutende Fortschritte erzielt.“

Jetstreams (Strahlströme)

Ein weiteres allgemeines Problem bei Klimamodellen betrifft schließlich die Position von Jetstreams in den Klimamodellen. Jet Streams sind mäandrierende Flüsse von Hochgeschwindigkeitswinden, die hoch in der Atmosphäre strömen. Sie können Wettersysteme von Westen nach Osten über die ganze Erde fließen lassen.

Abbildung 3. NASA Visualisierung des Europäischen Jetstream (screenshot). Dieser wird durch das Zusammentreffen kalter absinkender Luftmassen aus der Arktis und aufsteigender warmer Luft aus den Tropen erzeugt - es ist ein strömendes Band aus westlichen Winden, das rund um den Planeten mäandriert. Die Visualisierung verwendet Wetter-und Klimabeobachtungen des NASA MERRA Daten Modell. Video 1:23 min. https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=Xybvt-J-7Og (Credit: NASA's Scientific Visualization Studio. The Blue Marble data is courtesy of Reto Stockli (NASA/GSFC)

Wie es auch bei der ITC Zone der Fall ist, ​​erzeugen Klimamodelle Jetstreams aufgrund der in ihrem Code enthaltenen grundlegenden physikalischen Gleichungen.

Jetstreams scheinen jedoch in Modellen oft zu "zonal" zu sein - mit anderen Worten, sie fallen zu stark und zu geradlinig aus, erklärt Dr. Tim Woollings, Dozent für physikalische Klimawissenschaft an der Universität Oxford und ehemaliger Leiter der gemeinsamen Met Office/Universities Process Evaluierungsgruppe on Blocking and Storm Tracks. Er sagt Carbon Brief:

„In der realen Welt schert der Jet etwas nach Norden aus, wenn er den Atlantik überquert (und ein Stück den Pazifik). Weil Modelle dies unterschätzen, ist der Jet im Durchschnitt oft zu weit in Richtung Äquator orientiert.“

Dies führt dazu, dass Modelle nicht immer korrekt auf den Bahnen - den sogenannten Sturmbahnen - liegen, welche Niederdruck-Wetter einschlagen. In Modellen sind Stürme oft zu träge, sagt Woollings, und sie erreichen nicht die ausreichende Stärke und klingen zu schnell ab. Es gibt Möglichkeiten, dies zu verbessern, und einige sind zielführender als andere. Im Allgemeinen kann es hilfreich sein, wenn man die Auflösung des Modells erhöht sagt Woollings:

„Wenn wir beispielsweise die Auflösung erhöhen, werden die Gipfel der Berge etwas höher und dies trägt dazu bei, die Jets etwas nach Norden abzulenken. Es passieren auch kompliziertere Dinge; wenn wir bessere, aktivere Stürme simulieren können, kann dies einen Dominoeffekt auf den Jet-Stream haben, der teilweise von den Stürmen angetrieben wird.“

(Mit zunehmender Auflösung des Modells werden Berggipfel höher, da das Modell durch die größeren Details mehr vom Berg "sehen" kann, wenn er sich nach oben hin verengt.)

"Eine weitere Option besteht darin , dass man verbessert, wie das Modell die Physik der Atmosphäre in seinen Gleichungen darstellt," fügt Woollings hinzu und zwar "mittels neuer, cleverer Formen, um die Strömungsmechanik im Computercode zu approximieren".

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# Klimasensitivität: Die Erwärmung, die wir erwarten können, wenn das Kohlendioxid in der Atmosphäre doppelt so hoch ist wie vor der industriellen Revolution. Es gibt zwei Arten Klimasensitivität zu definieren: Der Transient Climate Response (TCR) ist die Erwärmung an der Erdoberfläche, die wir zum Zeitpunkt der CO2-Verdoppelung erwarten können, die Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS) ist dagegen die gesamte Erwärmung, wenn die Erde Zeit gehabt hat sich an das zusätzliche Kohlendioxid anzupassen.

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* *Der Artikel ist der Homepage von Carbon Brief: "Q&A: How do climate models work?" entnommen (https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work). Unter dem Titel" What are the main limitations in climate modeling at the moment?" ist es die Fortsetzung einer, von mehreren Autoren stammenden Serie, die am 15. Jänner 2018 online gestellt wurde. Die unter einer cc-by-nc-nd 4.0 Lizenz stehenden Artikel wurden im Einverständnis mit Carbon Brief möglichst wortgetreu von der Redaktion aus dem Englischen übersetzt und von Carbon Brief freigegeben.

Carbon Brief - https://www.carbonbrief.org/ - ist eine britische Website, welche die neuesten Entwicklungen in den Bereichen Klimawissenschaft, Klimapolitik und Energiepolitik abdeckt. Die Seite bemüht sich um klare Daten-basierte Artikel und Illustrationen, um mitzuhelfen das Verstehen des Klimawandels von Seiten der Wissenschaft und auch der Politik zu verbessern . Im Jahr 2017 wurde Carbon Brief bei den renommierten Online Media Awards als"Best Specialist Site for Journalism" ausgezeichnet.

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Weiterführende Links

Informationen zu Carbon Brief: https://www.carbonbrief.org/about-us

Carbon Brief: What's causing global warming? Video 1:22 min. (14.12.2017)

David Attenborough: Climate Change - Britain Under Threat Video 1:00:14 (2013)

Max-Planck-Gesellschaft: Klimamodelle - die Welt im Computer (26.10.2015), Video 5:05 min. Standard YouTube Lizenz.

CarbonBrief im ScienceBlog

[1] Teil 1 (19.04.2018): Was Sie schon immer über Klimamodelle wissen wollten – eine Einführung

[2] Teil 2 (31.05.2018): Klimamodelle: von einfachen zu hoch komplexen Modellen

[3] Teil 3 (21.06.2018): Klimamodelle: Rohstoff und Produkt — Was in Modelle einfließt und was sie errechnen

[4] Teil 4 (23.8.2018): Welche Fragen stellen Wissenschaftler an Klimamodelle , welche Experimente führen sie durch?

[5] Teil 5 (20.09.2018).: Wer betreibt Klimamodellierung und wie vergleichbar sind die Ergebnisse?

[6] Teil 6 (1.11.2018): Klimamodelle: wie werden diese validiert?