Ozean- und Klimamodellierung

Bild: Geomar, Kiel

Was sind numerische Modelle?

Numerische Ozean- oder Klimamodelle sind physikalische Gleichungen (Energieerhaltung, Massenerhaltung, Impulserhaltung, …) die den Zustand des Ozeans oder des Klimasystems beschreiben. Änderungen verschiedener Größen (z. B. Temperatur, Salzgehalt, Druck, usw.) werden auf einem dreidimensionalen Gitter von Zeitschritt zu Zeitschritt von Großrechnern berechnet. Dieses Gitter kann man sich wie Pixel in einem Digitalfoto vorstellen. Modelle liefern eine vereinfachte Abbildung der Wirklichkeit. Trotzdem ermöglichen Modelle wichtige Erkenntnisse über die Folgen von natürlichen und menschlichen Einflüssen auf das Klimasystem, und helfen dessen grundlegende Prozesse zu verstehen. Modellsimulationen haben beispielsweise nachgewiesen, dass die globale Erwärmung der letzten Jahrzehnte durch menschliche Emissionen von Treibhausgasen bedingt ist.

Modellsimulationen zeigen dass der global beobachtete Temperaturanstieg nur durch den menschlichen Ausstoß von Treibhausgasen erklärbar ist. Schwarz: Beobachtungen, blau: Modellsimulationen, die nur natürliche Effekte berücksichtigen, rot: Modellsimulationen mit menschlichen und natürlichen Effekten. Bild: 4. Sachstandsbericht des Weltklimarats

Wofür werden Modelle angewendet?

  • Simulation zukünftiger Veränderungen
    Die gesellschaftlich wichtigste Anwendung von Modellen ist die Simulation zukünftiger Veränderungen durch den Klimawandel. Modelle liefern z. B. Erkenntnisse zum Meeresspiegelanstieg, zu Veränderungen der Meeresströmungen und zu Auswirkungen auf marine Ökosysteme. Dadurch sind Modelle essentielle Werkzeuge, um Adaptionsmaßnahmen zu entwickeln.
  • Ozean und Klimasystem verstehen
    Mit Modellen können Prozesse und Wechselwirkungen im Ozean und Klimasystem, sowie deren Ursachen und Auswirkungen untersucht werden. Beispiele sind der Schmelzwasserzufluss vom Grönland-Eisschild und Auswirkungen auf die Meeresströmungen, regionale Auswirkungen von Schwankungen der Meeresströmungen, oder die Rolle von Änderungen im Treibhausgasausstoß für den Meeresspiegelanstieg.
  • Unterstützung von zeitlich und räumlich begrenzten Beobachtungen
    Ozeanmessungen sind aufwändig und teuer und daher nur begrenzt verfügbar. Die Atlantische Umwälzzirkulation wird seit den 1990er Jahren an einigen Schlüsselstellen mit verankerten Messinstrumenten direkt erfasst. Modelle können Messdaten zeitlich und räumlich erweitern, und damit zur Interpretation beitragen. So können beispielsweise Veränderungen des Ozeans über die letzten Jahrzehnte festgestellt werden.
  • Zuverlässigkeit der Modelle verbessern
    Durch Modellierung vom vergangenen Zustand von Ozean und Klima und durch den Vergleich mit Beobachtungen kann die Qualität von Modellsimulationen getestet und verbessert werden. Dies nennt man retrospektive Vorhersagen. Nur wenn ein Modell vergangene Ereignisse realitätsnah abbilden kann, kann man davon ausgehen, dass eine Zukunftsprojektion des Modells zuverlässig sein wird.

Infos, wie RACE-Teilprojekte Modelle einsetzen, hier: TP1.4, TP2.3, TP2.4, TP3.1, TP3.2, TP3.3, TP3.4

Wie funktioniert ein Ozeanmodell?

1. Ein Ozeanmodell besteht aus physikalischen Gleichungen für:

  • Wechselwirkungen des Ozeans mit der Atmosphäre und dem Land (z. B. einfallende Sonnenstrahlung und abgestrahlte Wärme, Verdunstung und Niederschlag, Eintrag von Flüssen, Generation von Wellen und Strömungen durch Wind, …)
  • Bewegungen des Ozeans (z. B. horizontale Strömungen und vertikale Konvektion)
  • Dreidimensionale Vermischungs– und Dissipationsprozesse auf Skalen von Molekülen bis zu Ozeanbecken

2. Randbedingungen an den Begrenzungen des Ozeans:

Die Modellgleichungen können nur innerhalb der Begrenzungen des Ozeans gelöst werden. Randbedingungen eines Ozeanmodells legen fest, wie der Ozean an seinen Begrenzungen mit der Umwelt interagiert. Die Begrenzungen sind:

  • Ozeanbeckengeometrie
  • Bodentopographie
  • Schnittstelle zur Atmosphäre an der Oberfläche

3. Anfangszustand des Ozeans:

Anfangswerte für Temperaturen, Salzgehalte und Strömungsgeschwindigkeiten auf dem dreidimensionalen Modellgitter müssen eingesetzt werden.

4. Antriebe, die den Zustand des Ozeans verändern:

Für den nächsten Zeitschritt im Modell werden folgende Änderungen auf den Anfangszustand des Ozeans angewendet:

  • Kurzwellige und langwellige Strahlung, sowie Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre an der Meeresoberfläche ändern die Wassertemperatur
  • Verdunstung und Niederschlag an der Meeresoberfläche ändern den Salzgehalt des Ozeans
  • Oberflächenabfluss vom Land (z. B. Schmelzwasser, Flusswasser, Regenwasser) an den Ozeanrändern ändert den Salzgehalt des Ozeans
  • Wind bewegt Oberflächenströmungen des Ozeans
  • Gezeitenbewegung des Ozeans

Der neu berechnete Zustand des Ozeans bildet wieder die Anfangsbedingungen für den jeweils nächsten Zeitschritt.

Auf den Ozean einwirkende Faktoren bilden den Antrieb eines Ozeanmodells. Bild: L. Sanguineti, Universität Bremen

Klimamodelle

Das Klimasystem besteht aus fünf Komponenten, die in Wechselwirkung miteinander stehen:

  • Atmosphäre
  • Hydrosphäre (Ozeane, Flüsse, Seen)
  • Kryosphäre (alle gefrorenen Komponenten des Erdsystems)
  • Landoberfläche
  • Biosphäre (der von Organismen bewohnbare Raum der Erde)

Schematische Darstellung des Klimasystems. Bild: 4. Sachstandsbericht des Weltklimarats

Um das Klimasystem in einem Modell darzustellen, werden mehrere einzelne Modelle miteinander gekoppelt – typischerweise ein Atmosphärenmodell, ein Ozeanmodell, ein Landmodell und ein Meereismodell.


Schema eines Klimamodells. Bild: L. Sanguineti, Universität Bremen

In der Regel wird mit Modellen die Klimaentwicklung bis 2100 simuliert. Die Entwicklung des Klimas der nächsten Jahrzehnte ist jedoch vor allem davon abhängig, wie sich der Ausstoß menschlicher Treibhausgase entwickeln wird. Zukunftsprojektionen vom Weltklimarat berücksichtigen deshalb die Emissionen und Konzentrationen von Treibhausgasen, Aerosolen und chemisch aktiven Gasen sowie Landbewirtschaftung und Flächenbedeckung in verschiedenen Modellszenarien. Die Szenarien werden Repräsentative Konzentrationspfade (engl. Representative Concentration Pathways – RCPs) genannt. Sie decken das Spektrum von einer starken Verringerung der Treibhausgasemissionen (RCP2.6) zu einem unvermindert steigenden Treibhausgasausstoß bis Ende des 21. Jahrhunderts (RCP8.5) ab. Folgende Projektionen der globalen Erwärmung wurden im Sonderbericht über den Ozean und die Kryosphäre veröffentlicht:

Globale Erwärmung (°C)
Mittelwert (Schwankungsbreite)
Szenario2031 – 20502081 – 2100
RCP2.61.6 (1.1 – 2.0)1.6 (0.9 – 2.4)
RCP4.51.7 (1.3 – 2.2)2.5 (1.7 – 3.3)
RCP6.01.6 (1.2 – 2.0)2.9 (2.0 – 3.8)
RCP8.52.0 (1.5 – 2.4)4.3 (3.2 – 5.4)

Einschränkungen von Modellen

Simulationen von modernen Klimamodellen beanspruchen beträchtliche Ressourcen von Großrechnern. Deshalb müssen für Klimaprojektionen Kompromisse in 3 Bereichen eingegangen werden:

1. Modellauflösung
Die räumliche Auflösung eines Modells ist die Größe seiner Gitterzellen in Grad der geographischen Länge und Breite, oder in Kilometern. Die zeitliche Auflösung ist der Zeitschritt des Modells. Räumlich und zeitlich hochaufgelöste Modelle bieten viel detaillierte Informationen und realistischere Simulationen, brauchen dafür aber sehr viel mehr Rechenkapazität. Eine Verdopplung der Modellauflösung erfordert etwa das zehnfache an Rechenschritten. Vom Weltklimarat genutzte Klimamodelle haben eine räumliche Auflösung von 1 – 2 Grad für die Atmosphäre und von 1 Grad für den Ozean.
Prozesse wie Ozeanwirbel oder Wolken sind zu klein um in Klimamodellen abgebildet zu werden. Solche Prozesse werden „parametrisiert“, d. h. ihr Effekt wird durch einen vereinfachten Prozess im Modell dargestellt. Parametrisierungen sind wichtig für realistische Modellsimulationen. Ohne Parametrisierungen könnte sich ein Modellozean im Falle einer schwachen Meeresströmung durch Wärmeaufnahme lokal weiter und weiter aufheizen, während im realen Ozean die Wärme durch Diffusion verteilt werden würde.

Unterschied zwischen einem hochaufgelösten Klimamodell (oben) und einem Regionalen Klimamodell (unten). Bild: 5. Sachstandsbericht des Weltklimarats.
Verbesserungen der Auflösung von Klimamodellen seit 1990.
Bild: 4. Sachstandsbericht des Weltklimarats

Um regionale Auswirkungen des Klimawandels realistischer zu simulieren ohne dass der Rechenaufwand zu groß wird, werden hochaufgelöste regionale Modelle in globale Klimamodelle integriert. Mit fortschreitender Entwicklung werden regionale Modelle für mehr und mehr Regionen verfügbar.

2. Komplexität des Klimasystems
Das Klimasystem umfasst zahlreiche Prozesse, deren Bedeutung vom Betrachtungszeitraum abhängt. Kurzfristig wird das Klima z. B. von Vulkanausbrüchen beeinflusst. Im Zeitraum von Tagen bis tausend Jahren bestimmen Ozean und Atmosphäre das Klima. Über Jahrmillionen hinweg spielen die Lage der Kontinente und die Form der Ozeanbecken eine wichtige Rolle. Komplexität eines Klimamodells erhöht die benötigte Rechenkapazität und somit Kosten, daher können nicht alle im realen Klimasystem vorgehenden Prozesse in einem Klimamodell erfasst werden. Durch den technischen Fortschritt werden moderne Klimamodelle aber zunehmend komplexer.

In den letzten 40 Jahren sind mehr und mehr Komponenten in Klimamodelle integriert worden. Die zunehmende Komplexität der einzelnen Komponenten wird durch wachsende Zylinder illustriert. Bild: 5. Sachstandsbericht des Weltklimarats

3. Ensemble Simulationen
Eine einzelne Modellsimulation bildet nur einen von vielen möglichen Pfaden ab, dem das Klimasystem folgen könnte. Kleinste Abweichungen in der Modellformulierung oder den Anfangsbedingungen können deshalb in der Klimamodellierung beträchtliche Auswirkungen haben. Der Mittelwert einer Vielzahl von Modellrechnungen stimmt oft besser mit Beobachtungen überein als das Ergebnis eines einzelnen Modelllaufs, da sich Fehler teilweise gegenseitig aufheben. Daher ist es notwendig, mehrere Modellläufe eines Modells mit leicht unterschiedlichen Anfangsbedingungen (beispielsweise geringen Temperaturabweichungen) zu rechnen (Ensemble-Simulationen) und den Mittelwert zu bilden. Eine andere Möglichkeit ist eine Reihe von Simulationen mit verschiedenen Modellen durchzuführen (Multi-Modell-Ensemble-Simulationen), und die Ergebnisse anschließend zu mitteln. Beide Methoden erhöhen den Rechenaufwand.

Anforderungen an Ozeanmodelle für realistische Klimaprojektionen

Um den Klimawandel richtig zu simulieren, muss die Ozeankomponente eines Klimamodells folgende Eigenschaften erfüllen:

Datenassimilation

In der Datenassimilation werden Beobachtungsdaten mit Modellrechnungen kombiniert um eine optimale Abschätzung des Zustands eines Systems zu bekommen. Die Modellsimulationen werden dabei mit Hilfe der Beobachtungsdaten korrigiert. Eine Analogie für Datenassimilation ist: „Fahren mit geschlossen Augen, und alle 10 Sekunden die Augen öffnen um den Bewegungspfad zu korrigieren“ (Alan O’Neill, ESA). Datenassimilation wurde zuerst für Wettervorhersagen entwickelt. Um realistische Vorhersagen zu machen brauchen Wettermodelle Anfangszustände, die dem aktuellen Zustand der Atmosphäre so ähnlich wie möglich sind. Heute wird Datenassimilation auch genutzt, um einen bestmöglichen Anfangszustand für Klimamodelle bereit zu stellen.

Zukunftsprojektionen

Modellprojektionen aus dem neuen Sonderbericht über den Ozean und die Kryosphäre vom Weltklimarat zeigen die Risiken von verzögertem Handeln zur Reduktion von Treibhausgasen. Die globale Erwärmung durch menschliche Treibhausgasemissionen liegt bereits bei 1°C über vorindustriellem Level. Dies resultiert schon jetzt in tiefgehenden Konsequenzen für Menschen und Ökosysteme:

  • Die Ozeane sind wärmer, säurehaltiger, und weniger produktiv.
  • Gletscher, Eisschilde und Permafrost schmelzen.
  • Die Meeresspiegel steigen und verursachen massivere Extremereignisse an den Küsten.

Wie stark sich der Klimawandel auswirken wird ist abhängig von der weiteren Entwicklung der Treibhausgaskonzentrationen. Die Modellprojektionen zeigen dass sich schnelle und effektive Maßnahmen zu einer nachhaltigen Entwicklung auszahlen. Mehr Infos hier

Vergangene und zukünftige Veränderungen in Ozeanen und der Kryosphäre (alle gefrorenen Komponenten des Erdsystems) für niedrige (blau) und hohe (rot) Treibhausgasemissionen (Bild: Weltklimarat)