Regionale Klimamodellierung

2. Klimamodelle

Klimamodelle haben in den letzten Jahrzehnten eine enorme Entwicklung vollzogen (siehe Abb.). Während noch zu Beginn der 1970er ein reines Atmosphärenmodell mit CO2-Emissionen verwendet wurde, konnten in den späten 1990er der Ozean, die Schnee- und Eisdecken, die Landoberfläche und die Sulfat-Aerosole angekoppelt werden. Mit dem aktuellen Sachstandbericht des IPCC in 2007 kamen die interaktive Vegetation und die Atmosphärenchemie hinzu.
 

Chronologie der Klimamodellentwicklung. Quelle: Hamburger Bildungsserver nach IPCC 2007.

Entwicklung der Klimamodelle. Nach IPCC 2007.

Eigenschaften

Globale Modelle weisen eine Auflösung von 100 – 300 km auf. Das heißt, sie können auch nur Aussagen für die globale und kontinentale Entwicklung treffen, da z.B. für die Fläche von Baden-Württemberg entsprechend nur wenige Modell-Gitterpunkte berechnet werden. Regionale Modelle ermöglichen eine weitaus höhere Auflösung von unter 50km, am KIT wird zurzeit sogar mit einem Modell mit einer Auflösung von nur 7km gerechnet. Diese Modelle bilden daher die regionalen Besonderheiten, wie z.B. Temperatur- und Feuchtegradienten im stark gegliederten Gelände. besser ab.
Einen Ansatz, kleinskaligere Prozesse zu simulieren, ist das Verwenden von Klimamodellen mit einer höheren räumlichen Auflösung. Für globale Simulationen ist aber die erforderliche Rechenkapazität nicht vorhanden. Aus diesem Grund deckt solch ein Modell nur eine Region der Erde ab und wird demzufolge regionales Klimamodell genannt.

Unterschiede in der räumlichen Auflösung zwischen globalen und regionalen Klimamodellen (Panitz 2012).

Für die Modellierung eines räumlichen Abschnitts mit einem regionalen Klimamodell ist es zunächst nötig, Anfangswerte und Randwerte am Rand des ausgewählten Bereichs als Antriebsdaten zu haben. Diese stammen jeweils aus Berechnung von (gröber aufgelösten) globalen Klimamodellen. Die Eingangsparameter sind unter anderem Horizontal- und Vertikalwind, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck; zudem werden Informationen über die Topographie des Gebietes (Höhe über dem Meeresspiegel) über die Land-Meer-Verteilung im Modellgebiet, die Bedeckung mit Vegetation oder Wald und viele mehr eingespeist (Panitz 2012).

Ensembles

Nach verschiedenen Schritten der Datenaufbereitung und Festlegungen zur Berechnung wird ein Klimamodelllauf durchgeführt. Das Ergebnis dieser einzelnen Klimasimulation ist aber nur eine Entwicklungsmöglichkeit des Klimas und damit wenig aussagekräftig. Um aber die gesamte Bandbreite möglicher Entwicklungen zu berücksichtigen, sind mehrere Klimasimulationen nötig, sog. Ensembles. Diese können entweder gebildet werden, indem verschiedene Klimamodelle verwendet werden, die alle die gleichen Antriebsdaten benutzen (Multi Model Ensemble) oder indem ein Klimamodell verwendet wird, das unterschiedliche Globalmodelle oder unterschiedliche Läufe (Realisierungen) eines Globalmodells heranzieht (Single Model Ensemble) (Panitz 2012).

Szenarien

Zusätzlich gibt es verschiedene Szenarien, die in die Modelle eingehen und die die Entwicklung der Bevölkerungszahl, die Entwicklung der Wirtschaft und die technischen Entwicklungen und damit die Emissionen und Gaskonzentrationen in der Atmosphäre für die Zukunft festlegen. Entsprechend können dann mit einem oder mehreren regionalen Klimamodellen Ensembles für die verschiedenen Szenarien berechnet werden (Panitz 2012).
Die Klimamodelle rechnen jeweils Entwicklungen für einen historischen Zeitraum, z.B. 1860-2000, und einen Zeitraum in der Zukunft (z.B. bis 2100). Entsprechend werden für den historischen Zeitraum beobachtete Daten, z.B. für CO2-Konzentrationen eingespeist, für den Zukunftszeitraum angenommene Werte, die sich aus den Szenarien ergeben (Panitz, 2012).