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Mit aufwändigen Berechnungen wird das künftige Klima abgeschätzt, doch wie funktionieren eigentlich Klimamodelle?

Für viele von uns sind Klimamodelle eine Black Box. Man nimmt die Ergebnisse der Klimaforschung besorgt zu Kenntnis, ohne wirklich nachvollziehen zu können, wie Entwicklungen über Jahrzehnte hinweg abgeschätzt werden. Ein prinzipielles Verständnis ihres Aufbaus hilft, die Aussagen der Modellrechnungen besser einzuordnen.

Im Gegensatz zum Wirtschaftsleben fußen die Vorgänge in der Natur auf bekannten physikalischen Grundgesetzen, wie beispielsweise den Newtonschen Axiomen, den Gesetzen der Strahlungsübertragung oder den thermodynamischen Hauptsätzen. Aus diesen Gesetzen lassen sich sog. Entwicklungsgleichungen ableiten, welche die zeitlichen Änderungen der klimatologischen Größen wie Temperatur, Luftdruck, Wind oder auch Meeresströmungen beschreiben.

Diese Größen beeinflussen sich in der Regel jedoch gegenseitig, so dass zu deren Beschreibung ein komplexes System von untereinander abhängigen Gleichungen nötig ist. Zudem sollten diese Gleichungen möglichst weit in die Zukunft reichen und an möglichst vielen für das Klimageschehen wichtigen Orten gelöst werden, um ein verlässliche Abschätzungen zu erhalten.

Selbst die schnellsten Superrechner sind mit solchen Anforderungen natürlich bei weitem überfordert. In der Praxis werden die Gleichungen an einzelnen Punkten in einem räumlichen Gitter gelöst. Die Abstände zwischen diesen Gitterpunkten betragen in der Regel etwa 100 bis 300 km in der Horizontalen und etwa 1 km in der Vertikalen und reichen bis in 30 km Höhe. Die Zeitabstände, innerhalb derer Lösungen der Entwicklungsgleichungen berechnet werden, betragen in der Regel etwa 30 Minuten.

Nun gibt es aber viele Vorgänge im Klimasystem, wie beispielsweise Gewitter, die sehr kleinräumig sind und sprichwörtlich durch die Maschen dieses Modellgitters fallen. Die  relevanten Prozesse wie Strahlung, Wolkenphysik oder Niederschlagsbildung müssen statistisch beschrieben, also möglichst gut abgeschätzt werden, man spricht hier auch von Parametrisierung. Die hierfür notwendigen Kenntnisse stammen aus speziellen Messkampagnen.

Die Klimaprojektionen sind auch davon abhängig wie viele Treibhausgase künftig in die Atmosphäre gelangen, was sich schwer abschätzen lässt. Man bedient sich unterschiedlicher Szenarien, die mögliche künftige Entwicklungen berücksichtigen. Diese Szenarien unterscheiden sich beispielsweise in der Entwicklung der Weltbevölkerung, der wirtschaftlichen Zusammenarbeit der einzelnen Länder oder dem Einsatz regenerativer Energien in den kommenden Jahrzehnten.

Die Klimamodelle werden mit den Daten aus diesen Szenarien gefüttert und rechnen nun ähnlich wie Wettermodelle in die Zukunft. Nur sind für Klimaentwicklungen im Zeitraum von Jahrzehnten zusätzliche Informationen beispielsweise über sich ändernde Meeresströmungen, Eisbedeckungen oder Änderungen der Vegetation notwendig, die für das Wettergeschehen in den kommenden Tagen zu vernachlässigen sind.

Es werden bei diesen Klimaprojektionen (nicht Vorhersagen) noch weitaus mehr Prozesse simuliert, als bei einer Wettervorhersage. Deswegen brauchen selbst die leistungsfähigsten Großrechner mitunter mehrere Monate, um diese Berechnungen durchzuführen. Die Unwägbarkeiten sind bei einem Blick so weit in die Zukunft verständlicherweise immer noch so groß, dass ein Unsicherheitsbereich angegeben wird, innerhalb dem die Ergebnisse mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit liegen werden.

Klimamodelle liefern somit also Aussagen über die Statistik des Wetters in der Zukunft, also welches durchschnittliche Temperaturniveau oder Niederschlagsmengen zu erwarten sind, aber auch wie stark diese Werte um den Mittelwert schwanken, wie variabel sie also sein werden. Denn Klima ist quasi die Statistik des Wetters.

Es zeichnet sich eine Erwärmung im weltweiten Mittel zwischen 2 und 4 Grad bis zum Jahr 2100 ab. Am stärksten erwärmt sich die Arktis, wo eine positive Rückkopplung im Gange ist: durch abschmelzendes Meereis wird die Oberfläche dunkler, reflektiert weniger und erwärmt sich stärker, wodurch das Abschmelzen weiter verstärkt wird.


Dienstag, 9. Juli 2019

Tim Staeger

hr-Wetterredaktion

Sendung: "alle wetter!", hr-fernsehen, 09.07.2019 19:15 Uhr