1. Was ist ein Klimamodell?

Global climate models (Globale Klimamodelle) oder General Circulation Models (GCMs) (Globale Zirkulationsmodelle) sind die komplexesten und präzisesten Modelle zum Verständnis des Klimasystems und zur Vorhersage des Klimawandels. Diese Modelle zielen darauf ab, das Klimasystem der Erde auf der Grundlage von physikalischen Gesetzen (z.B. dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik oder dem Stefan-Boltzmann-Gesetz), von Fluidbewegung (z.B. den Navier-Stokes-Gleichungen) und von chemischen Grundprinzipien mathematisch zu beschreiben. Es werden mathematische Gleichungen verwendet, um beobachtbare Prozesse des Erdsystems zu quantifizieren, d.h. zu charakterisieren, wie Energie und Materie in verschiedenen Teilen der Atmosphäre, der Landoberfläche, des Ozeans und des Meereises interagieren und transportiert werden (Abb. 1).

Die atmosphärische Komponente des Klimamodells simuliert Wolken, Aerosole und den Transport von Wärme und Wasser rund um den Globus. Die Landoberflächenkomponente simuliert Oberflächeneigenschaften wie Vegetation, Schneedecke, Bodenwasser, Flüsse und Kohlenstoffspeicherung, während die Ozeankomponente Ozeanströmungen, Vermischung von Wassermassen und Ozeanbiogeochemie simuliert. Durch die Meereiskomponente werden die Absorption von Sonnenstrahlung, die Luft-Meer-Wärme und der Wasseraustausch reguliert.

Um ein komplexes globales Klimamodell zu erstellen, das all diese Komponenten enthält, muss die Erdoberfläche in dreidimensionale Gitterzellen unterteilt werden (Abb. 1). Die Größe dieser Gitterzellen definiert die räumliche Auflösung des Modells (typischerweise etwa 100 km x 100 km x 30 vertikale Lagen). Klimamodelle berücksichtigen auch die Dimension der Zeit, gemessen in Zeitschritten. Die zeitliche Auflösung bezieht sich auf die Größe dieser Zeitschritte (normalerweise etwa 30 Minuten), die im Modell verwendet werden. Leistungsstarke Supercomputer lösen iterativ die mathematischen Gleichungen für jede einzelne räumliche Gitterzelle und für mehrere aufeinanderfolgende Zeitpunkte, um ein genaues Klimamodell für ein bestimmtes Zeitintervall zu erstellen. Modelle mit kleineren Gitterzellen sowie kleineren Zeitschritten führen zu einer besseren Auflösung, benötigen aber auch erheblich mehr Rechenleistung.


Abb. 1: Schematische Darstellung eines Globalen Zirkulationsmodells (GCMs) (https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/).

Quellen

https://www.climate.gov/maps-data/primer/climate-models

http://eo.ucar.edu/staff/rrussell/climate/modeling/climate_model_resolution.html

https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work

https://www.gfdl.noaa.gov/climate-modeling/

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