D6 Klimamodelle und -projektionen

Thema

Klimamodelle sind mathematische Darstellungen des Klimasystems, die es ermöglichen, dessen Entwicklung im Laufe der Zeit zu simulieren. Die detailliertesten Modelle unterteilen Atmosphäre und Ozean in ein dreidimensionales Gitter aus Zellen und lösen die physikalischen Gleichungen, die ihr Verhalten innerhalb dieser Zellen beschreiben. Benachbarte Zellen tauschen Masse, Energie und Impuls aus, wodurch die kombinierte Darstellung atmosphärischer und ozeanischer Zirkulationsmuster auf planetarischer Ebene ermöglicht wird.

Allgemeine Zirkulationsmodelle sind eines der wichtigsten Werkzeuge für diese Simulationen. In der Atmosphäre lösen sie die Grundgleichungen, die die Erhaltung von Masse, Impuls und Energie ausdrücken und dabei die Auswirkungen der Erdrotation, den Zusammenhang zwischen Luftdruck, Temperatur und Dichte sowie die Erhaltung des Wasserdampfgehalts berücksichtigen. Die atmosphärische Komponente ist zudem mit Modellen des Ozeans, des Meereises und der Landoberfläche gekoppelt, sodass sich Änderungen in den einzelnen Komponenten während der Simulation auf die anderen auswirken.

Die typische räumliche Auflösung dieser Modelle liegt sowohl in der Atmosphäre als auch im Ozean im Bereich von mehreren zehn Kilometern, und sie nutzen zahlreiche vertikale Ebenen. Viele wichtige Prozesse, wie Konvektion, Wolkenbildung, Oberflächenturbulenzen und bestimmte atmosphärische Wellen, finden jedoch auf Skalen statt, die kleiner als eine Zelle sind. Da sie nicht explizit aufgelöst werden können, werden ihre Auswirkungen durch Parametrisierungen berücksichtigt: vereinfachte Darstellungen, die ihren durchschnittlichen Einfluss auf die vom Modell berechneten Variablen abschätzen.

Erdsystemmodelle erweitern diese Darstellung durch die Einbeziehung biogeochemischer Prozesse und insbesondere eines interaktiven Kohlenstoffkreislaufs. In diesen Modellen ergibt sich die atmosphärische Kohlendioxidkonzentration aus dem Gleichgewicht zwischen Emissionen und Absorption durch terrestrische Ökosysteme und den Ozean. Dies ermöglicht die Darstellung von Wechselwirkungen zwischen Klima und Kohlenstoffkreislauf: Bei gleichem Emissionsniveau führt eine stärkere terrestrische oder ozeanische Absorption zu einer geringeren CO₂-Anreicherung in der Atmosphäre, während der Klimawandel wiederum die Aufnahmekapazität dieser Speicher verändern kann.

Am weniger komplexen Ende des Spektrums befinden sich Energiebilanzmodelle. Anstatt ein dreidimensionales Gitter des Planeten explizit darzustellen, beschreiben sie die Klimareaktion mithilfe weniger Gleichungen. Ein Beispiel ist das Zwei-Boxen-Modell, das eine Oberflächen- und eine Tiefseekomponente darstellt, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird. Seine Parameter ermöglichen es, die Temperaturreaktion auf eine gegebene Anregung zu untersuchen und zwischen der transienten und der Gleichgewichtsreaktion zu unterscheiden. Diese Modelle erlauben die Analyse globaler Eigenschaften des Klimasystems mit deutlich geringerem Rechenaufwand als dreidimensionale Simulationen.

Zwischen diesen beiden Extremen befinden sich die Modelle mittlerer Komplexität. Sie erhalten einen Teil der räumlichen Struktur des Klimasystems, einschließlich der geografischen Verteilung von Kontinenten und Ozeanen, vereinfachen aber zahlreiche Prozesse, die in allgemeinen Zirkulationsmodellen detaillierter dargestellt werden. Sie können auch einige biogeochemische Kreisläufe integrieren, wenn auch weniger umfassend als Erdsystemmodelle.

Energiebilanzmodelle, Modelle mittlerer Komplexität, allgemeine Zirkulationsmodelle und Erdsystemmodelle bilden somit ein kontinuierliches Spektrum an Werkzeugen. An einem Ende stehen Modelle mit wenigen Gleichungen, die schnell und nützlich sind, um grundlegende Mechanismen und globale Klimareaktionen zu verstehen; am anderen Ende dreidimensionale Modelle, die die physikalischen und biogeochemischen Wechselwirkungen des Planeten detailliert darstellen. Die Wahl hängt von der zu untersuchenden Problemstellung ab: Für die Untersuchung von Mechanismen oder die Durchführung zahlreicher Simulationen kann ein einfaches Modell ausreichen, während für eine detaillierte Analyse regionaler Muster, Wechselwirkungen zwischen Komponenten oder Rückkopplungen im Kohlenstoffkreislauf Modelle von größerer physikalischer, räumlicher und rechnerischer Komplexität erforderlich sind.

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