Klimamodell

Ein Klimamodell ist ein komplexes numerisches Simulationsmodell, das physikalische, chemische und biologische Prozesse in der Atmosphäre, den Ozeanen, der Erdoberfläche und der Kryosphäre abbildet. Ziel eines Klimamodells ist es, das Klima der Erde über unterschiedliche Zeiträume hinweg zu analysieren, vergangene Entwicklungen zu rekonstruieren sowie künftige Klimaveränderungen unter verschiedenen Annahmen zu prognostizieren. Die Modelle beruhen auf den Grundprinzipien der Physik, insbesondere den Erhaltungssätzen für Energie, Impuls und Masse. Sie werden auf leistungsfähigen Computern ausgeführt, da sie eine Vielzahl von Gleichungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung lösen müssen.

Es gibt verschiedene Typen von Klimamodellen, die sich in ihrer Komplexität unterscheiden. Globale Klimamodelle (General Circulation Models, GCMs) berechnen die klimatischen Prozesse auf der gesamten Erde. Regionale Klimamodelle (Regional Climate Models, RCMs) bieten eine höhere Auflösung für bestimmte geografische Gebiete und basieren auf den Ergebnissen der globalen Modelle. Zudem existieren vereinfachte Modelle wie Energiebilanzmodelle, die zur Untersuchung grundlegender Zusammenhänge zwischen Strahlungsantrieb und Temperatur verwendet werden.

Klimamodelle werden regelmäßig durch Vergleich mit gemessenen Daten validiert. Dabei werden zum Beispiel Temperaturverläufe, Niederschlagsmengen oder Meereis-Ausdehnungen mit Modellrechnungen verglichen. Durch diese Überprüfung lassen sich die Modelle weiterentwickeln und verbessern. Dennoch sind sie mit Unsicherheiten behaftet, insbesondere aufgrund unvollständiger Kenntnisse über einzelne Prozesse, begrenzter Datenlage und Unsicherheiten in den künftigen Emissionsszenarien. Um mit diesen Unsicherheiten umzugehen, wird häufig eine Vielzahl von Modellläufen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt (Modellensembles).

Anwendungsbereiche und Bedeutung

Klimamodelle dienen als zentrales Instrument in der Klimaforschung. Sie ermöglichen es, verschiedene Szenarien der zukünftigen Entwicklung des Erdklimas unter Annahme bestimmter Treibhausgasemissionen zu berechnen. Solche Projektionen sind für politische Entscheidungsprozesse sowie für Anpassungsstrategien in Landwirtschaft, Wasserwirtschaft, Städtebau und Katastrophenschutz von zentraler Bedeutung. Internationale Klimaberichte, wie die des Weltklimarats (IPCC), basieren zu großen Teilen auf Ergebnissen aus umfangreichen Modellrechnungen.

Ein wesentliches Einsatzfeld von Klimamodellen ist die Analyse des anthropogenen Einflusses auf das Klimasystem. Mithilfe von Modellläufen mit und ohne menschliche Emissionen lässt sich der Einfluss menschlicher Aktivitäten, wie etwa der Verbrennung fossiler Brennstoffe, auf die globale Erwärmung quantifizieren. Klimamodelle tragen außerdem zur Untersuchung von Rückkopplungsprozessen bei, etwa durch das Schmelzen von Eisflächen oder die Veränderung von Wolkenbedeckung.

Neben der Prognose zukünftiger Entwicklungen werden Klimamodelle auch zur Rekonstruktion früherer Klimaperioden eingesetzt, etwa der letzten Eiszeit oder des Holozäns. Solche Modellierungen helfen, das Verhalten des Klimasystems unter unterschiedlichen Bedingungen besser zu verstehen. Auch die Bewertung von Geoengineering-Maßnahmen, etwa die gezielte Beeinflussung der Sonneneinstrahlung, erfolgt auf Basis von Klimasimulationen.

Die Weiterentwicklung von Klimamodellen ist ein interdisziplinäres Feld. Sie erfordert die enge Zusammenarbeit von Meteorologie, Ozeanographie, Physik, Chemie, Biologie, Informatik und weiteren Disziplinen. Durch den Einsatz wachsender Rechenleistung, verbesserter Beobachtungsdaten und fortschreitender Modellierungstechniken werden Klimamodelle zunehmend detaillierter und genauer. Trotz verbleibender Unsicherheiten bilden sie heute die wichtigste wissenschaftliche Grundlage für das Verständnis und die Bewertung des Klimawandels.

Weblinks

• umweltbundesamt.de - Klimamodellierung
• deutsches-klima-konsortium.de - Klimamodelle