Modellierung des Klimasystems

Was ist eigentlich Klima?
Klima wird laut WMO als mittleres Wetter bezeichnet. Es ist definiert als ein Maß für den mittleren Zustand der Atmosphäre und deren Variabilität über einen längeren Zeitraum. Charakterisiert wird das Klima durch die statistischen Eigenschaften der Atmosphäre, wie z.B. Mittelwert, Häufigkeiten, Andauerverhalten und Extremwerte von meteorologischen Größen (z.B. Temperatur, Wind oder Niederschlag). Als Zeitspanne empfiehlt die WMO mindestens 30 Jahre, aber auch Betrachtungen über längere Zeiträume wie Jahrhunderte und Jahrtausende sind bei Klimafragen gebräuchlich.

Was beeinflusst Klima?
Der Zustand der Atmosphäre wird durch vielfältige Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Atmosphärenschichten, zwischen Atmosphäre und Hydrosphäre (Ozeane, Wasserkreislauf), Biosphäre (Fauna, Flora), Lithosphäre (feste, unbelebte Erde) und Kryosphäre (Eis, Gletscher, Permafrost) bestimmt. Die Gesamtheit dieser Komponenten wird Klimasystem genannt (Bild 1). Der Hauptantrieb des Klimasystems ist die Energie der Sonne. Der Beitrag von Wärme aus dem Inneren der Erde ist dagegen sehr klein. Die einzelnen Komponenten des Klimasystems – Atmosphäre, Land, Ozean, Meereis – stehen in Wechselwirkung zueinander, d.h. es findet Energie-, Masse- und Impulsaustausch über die Grenzflächen statt. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Komponenten kommt es zu Wechselwirkungen auf unterschiedlichen Zeitskalen, die dann wiederum Rückkopplungen und weitere Reaktionen auslösen können. Das Klimasystem weist also durch den Einfluss seiner eigenen inneren Dynamik Klimaschwankungen oder -variabilität auf verschiedenen Zeitskalen auf.

Das Klima als System
Das Klimasystem ist ein offenes System. Das bedeutet, dass noch weitere, externe Einflussfaktoren eine Rolle spielen, wie z.B. Vulkanausbrüche, Schwankungen der Sonnenaktivität, Änderung der Erdbahnparameter oder menschliche Einflüsse – wie die Emission von Treibhausgasen oder Landnutzungsänderungen. Es gibt also gewissermaßen kein „normales“ Klima, da sich das Klima auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen verändert. Klimaänderung oder Klimawandel wird von der WMO als statistisch signifikante Veränderung des mittleren Zustands des Klimas oder seiner Variabilität beschrieben, die für einen längeren Zeitraum, typischerweise Jahrzehnte oder länger, anhält.

Die einzelnen Komponenten beeinflussen das Klimasystem auf unterschiedlichen Zeitskalen. Die Troposphäre reagiert sehr schnell – in einem Zeitraum von Minuten bis Tagen – auf Veränderungen und weist die größte Variabilität auf kurzen Zeitskalen auf. Die Variabilität im trägeren, tiefen Ozean hingegen, in den Eisschilden und in der Biosphäre mit dem Kohlenstoffspeicher im Erdboden tragen zu den langen Zeitskalen des Klimasystems bei, da sie Reaktionszeiten von Jahrhunderten bis Jahrtausenden haben. Selbst auf geologischen Zeitskalen treten Schwankungen des Klimasystems auf, wie z.B. durch Gebirgsbildung oder die Speicherung von Kohlenstoff in der Lithosphäre.

Der Ozean ist im Klimasystem von großer Bedeutung, da er Wärmeenergie von der Atmosphäre aufnimmt, meridional umverteilt und über längere Zeit speichern kann. Er ist die größte Quelle für den atmosphärischen Wasserdampf. Ebenso findet im Ozean durch die ozeanische Zirkulation, biologische Aktivität, Absinken und Ablagerung im Sediment eine Aufnahme, Umverteilung und Speicherung von Kohlenstoff statt. Aus den verschiedenen Speichern wird ein kleiner Anteil des Kohlenstoffs an die Atmosphäre zurückgegeben. Auf längeren Zeit­skalen gelangt Kohlenstoff aus Böden ebenso wie aus Gesteinen durch Remineralisierung und Verwitterungsprozesse zurück in den Kreislauf. Der Kohlenstoffkreislauf ist eines der anschaulichsten Beispiele für Massenaustausch zwischen den Klimakomponenten auf unterschiedlichen Zeitskalen. Neben den kurzfristigen Reaktionen des Klimasystems auf äußere Einflüsse, wie z.B. Tages- und Jahresgang, gibt es Schwankungen mit längeren Perioden. Prominentestes Beispiel hierfür und für die starke Ozean-Atmosphärenkopplung ist das El Niño-Phänomen im tropischen Pazifik. Hier verändern sich alle 2 bis 10 Jahre das Windregime und die Meeresströmungen im tropischen Pazifik so stark, dass dies dramatische Auswirkungen auf das Niederschlagsverhalten in angrenzenden und entfernteren Regionen hat. Auch der Fischfang vor der südamerikanischen Pazifikküste unterliegt dadurch großen Schwankungen.
In der Paläoklimaforschung konnte aus Klimaarchiven wie Eisbohrkernen oder Sedimentbohrkernen die Temperaturentwicklung auf der Erde in den letzten Jahrmillionen rekonstruiert werden. Die Temperaturentwicklung verdeutlicht, dass im Klimasystem durchaus schon starke Schwankungen auftraten. Hier spielen die Land-Meer-Verteilung, die Gebirgsbildung und die Orbitalparameter eine große Rolle.

Klimamodellierung
In den Anfängen der Klimamodellierung der 1960er Jahren wurden vereinfachte Modelle der Dynamik von Atmosphäre und Ozean entwickelt. Die Vereinfachungen erleichterten das Umsetzen in numerische Algorithmen und ermöglichten ein schnelleres Lösen der Gleichungen mit Hilfe von Computern. Dadurch wurden Klimavorhersagen und -projektionen überhaupt erst möglich. Mit der rasanten Entwicklung im Bereich der Hochleistungsrechner und zunehmendem Verständnis des Klimasystems und seiner Wechselwirkungen nahm auch die Komplexität der Klimamodelle zu. Dies wird in Bild 2 deutlich, die zeigt, welche Komponenten des Klimasystems im Laufe der Zeit in den Klimamodellen hinzugefügt wurden. Mittlerweile umfassen globale Klimamodelle neben Atmosphäre und Ozean auch die Hydro­sphäre, Biosphäre und Kryosphäre. In Erdsystemmodellen wird versucht, das gesamte Erdsystem abzubilden, indem auch komplexere chemische und biologische Prozessen berücksichtigt werden. Als weitere Komponenten der ESMs spielen meist der Kohlenstoffkreislauf, Aerosole und Atmosphärenchemie eine Rolle, gegebenenfalls auch eine dynamische Vegetationskomponente.

Klimamodelle sind unentbehrliche Werkzeuge, die bei vielen Fragestellungen helfen, das Klimasystem besser zu verstehen und zukünftige Entwicklungen vorherzusagen. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten eines Erdsystem-Modells vorgestellt.

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