3. Wie werden Klimamodelle validiert? Wie werden sie getestet?

Klimamodelle werden durch Vergleich von Modellvorhersagen mit realen Beobachtungen getestet. Zu diesem Zweck werden Klimamodelle über einen historischen Zeitraum von etwa 1850 bis zur Gegenwart berechnet, wobei beste Schätzungen für die historischen Forcings in diesem Zeitraum verwendet werden (siehe auch „Was sind die Inputs und Outputs eines Klimamodells?“). Diese „Hindcasts“ des vergangenen Klimas (z.B. Oberflächentemperaturen) werden dann mit tatsächlich aufgezeichneten Klimabeobachtungen verglichen (Abb. 1c). Je genauer der Hindcast des vergangenen Klimas ist, desto zuverlässiger ist das Klimamodell, auch bei der Vorhersage des zukünftigen Klimas.

Diese historischen Hindcast Rekonstruktionen können auch verwendet werden, um den menschlichen Einfluss auf den Klimawandel zu bestimmen, die sogenannte „Attribution“. Zu diesem Zweck werden Modelle entweder nur mit natürlichen Forcings (z. B. Variationen in der Sonneneinstrahlung und vulkanische Aktivität) oder mit anthropogenen (durch den Menschen verursachte) Forcings (z.B. Treibhausgasen und Aerosolen) als Modell Input berechnet (Fig. 1a, b). Diese Graphen zeigen, dass natürliche Forcings allein das Verhalten des Klimas nicht erklären können. Nur wenn wir auch anthropogene Forcings berücksichtigen, können wir die beobachteten Klimamuster erklären.


Abb. 1: Vergleich der Modellergebnisse mit aufgezeichneten Klimabeobachtungen: (a) Klimamodell mit nur natürlichen Forcings als Input, (b) Klimamodell mit nur anthropogenen Forcings als Input, (c) Klimamodell mit natürlichen und anthropogenen Forcings als Input (https://www.ipcc.ch/report/ar3/wg1/summary-for-policymakers/spmfig04/).

Darüber hinaus können große Störungsereignisse wie Vulkanausbrüche verwendet werden, um die Performance von Klimamodellen zu testen. Modellprojektionen können mit aufgezeichneten kurzfristigen Reaktionen des Klimas nach einem Ausbruch verglichen werden. Studien, die den Ausbruch des Pinatubos untersuchen, zeigen, dass Klimamodelle Veränderungen in Temperatur (Hansen et al., 1996) und atmosphärischem Wasserdampf (Soden et al., 2002) genau projizieren können.

Um zuverlässigere Voraussagen für das Klima des 21. Jahrhunderts zu erhalten, werden Klimamodelle auch anhand von Paläoklimadaten getestet (die bis zu 21.000 Jahre zurückreichen). Diese Paläoklimadaten zeigen größere Klimaveränderungen als die Beobachtungsdaten der letzten 150 Jahre, anhand derer Klimamodelle normalerweise evaluiert werden. Eiskerne, marine Archive (z. B. marine Sedimente) und terrestrische Archive (z.B. Baumringe) liefern Informationen über Umweltreaktionen auf vergangene Klimaveränderungen. Diese Aufzeichnungen können verwendet werden, um Schätzungen über das Klima abzuleiten, d.h. Paläo-Proxys für das vergangene Klima (z.B. Paläotemperaturen) bereitzustellen. Somit bieten geologische Archive eine einzigartige Möglichkeit, die Modell Performance über den Vergleich mit kurzfristigen Beobachtungsaufzeichnung hinaus zu testen. Die Auswertung von Modellsimulationen im Vergleich zu Paläodaten zeigt, dass Modelle die Richtung und die großräumigen Muster vergangener Klimaveränderungen reproduzieren, obwohl sie das Ausmaß regionaler Veränderungen tendenziell unterschätzen (Braconnot et al., 2012).

Quellen

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

https://skepticalscience.com/climate-models-intermediate.htm

Braconnot, P., Harrison, S. P., Kageyama, M., Bartlein, P. J., Masson-Delmotte, V., Abe-Ouchi, A., . . . Zhao, Y. (2012). Evaluation of climate models using palaeoclimatic data. Nature Climate Change, 2(6), 417-424.

Hansen, J., Sato, M., Ruedy, R., Lacis, A., Asamoah, K., Borenstein, S., . . . Campbell, M. (1996). A Pinatubo climate modeling investigation. In The Mount Pinatubo Eruption (pp. 233-272): Springer.

Soden, B. J., Wetherald, R. T., Stenchikov, G. L., and Robock, A., 2002, Global Cooling After the Eruption of Mount Pinatubo: A Test of Climate Feedback by Water Vapor: Science, v. 296, no. 5568, p. 727-730.

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