E7 Interne Variabilität des gekoppelten Systems

Thema

Die interne Variabilität des Klimasystems ist die spontane Schwankung, die das Klimasystem selbst bei unveränderten äußeren Einflüssen erzeugt. Diese interne Variabilität ist eine Folge der nichtlinearen und chaotischen Natur des Klimasystems selbst: Die Gleichungen, die die Bewegung geophysikalischer Fluide – der Luft in der Atmosphäre und des Wassers im Ozean – beschreiben, reagieren extrem empfindlich auf ihre Anfangsbedingungen. Dieses Phänomen wird als deterministisches Chaos bezeichnet. Dabei führen zwei nahezu identische Anfangsbedingungen im Laufe der Zeit zu zwei völlig unterschiedlichen Entwicklungen des Klimasystems. Diese Empfindlichkeit gegenüber den Anfangsbedingungen setzt der Vorhersagbarkeit des Klimasystems eine fundamentale Grenze, die durch keine zukünftige Verbesserung der Beobachtungsqualität oder der Rechenleistung vollständig beseitigt werden kann.

Diese interne Variabilität des Klimasystems ist kein rein ungeordnetes Rauschen: Sie ist in erkennbare Muster organisiert, von denen jedes eine charakteristische Zeitskala aufweist. Zu diesen erkennbaren Mustern der internen Klimasystemvariabilität gehört die El Niño-Southern Oscillation (ENSO), die über einige Jahre schwankt; Die Pazifische Dekadenoszillation (PDO) schwankt über mehrere Jahrzehnte; die Atlantische Multidekadenoszillation (AMTO) schwankt ebenfalls über mehrere Jahrzehnte, jedoch im Atlantikbecken und nicht im Pazifik.

Die Trennung externer Antriebe von dieser internen Klimavariabilität erfordert fortgeschrittene statistische Methoden, darunter den Vergleich großer Simulationsreihen desselben Klimamodells. Jede Simulation einer solchen Reihe startet mit leicht unterschiedlichen Anfangsbedingungen, reagiert aber auf denselben externen Antrieb. Daher bleibt das durch diesen gemeinsamen externen Antrieb hervorgerufene Signal in allen Simulationen gleich, während sich die Simulationen im Rauschen der internen Klimavariabilität unterscheiden. Jede Simulation entwickelt dieses Rauschen unabhängig von der geringfügigen Anfangsdifferenz, dank der bereits beschriebenen Sensitivität gegenüber den Anfangsbedingungen.

Die eingangs beschriebene fundamentale Grenze der Vorhersagbarkeit liegt bei etwa zwei Wochen für die deterministische Vorhersage des täglichen Zustands der Atmosphäre. Nach Ablauf dieser zwei Wochen führt die Sensitivität gegenüber den Anfangsbedingungen dazu, dass die ursprüngliche Vorhersage nicht mehr erkennbar ist. Auf klimatischen Zeitskalen beruht die Vorhersagbarkeit des Klimasystems jedoch nicht mehr primär auf den Anfangsbedingungen, sondern vielmehr auf der externen Antriebskraft selbst: Obwohl der genaue tägliche Zustand der Atmosphäre nicht mehrere Jahre im Voraus vorhergesagt werden kann, lässt sich das durch die externe Antriebskraft hervorgerufene Signal innerhalb desselben Zeitraums vorhersagen. Dies liegt daran, dass dieses Antriebssignal den Teil des Klimasystems darstellt, der – über die interne Variabilität des Klimasystems hinaus – durch die externe Antriebskraft vorhersagbar bestimmt wird. Der Ozean trägt dank seiner thermischen Trägheit ebenfalls zur Vorhersagbarkeit auf saisonalen und dekadischen Zeitskalen bei. Dieselbe thermische Trägheit macht ihn im gekoppelten Klimasystem zu einem thermischen Puffer gegen Störungen im gesamten Klimasystem.

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