Klimamodellierung

Die numerische Simulation des Klimasystems, von strahlungs-konvektiven Säulen bis hin zu gekoppelten Erdsystemmodellen, die zum Verständnis des Klimas und zur Projektion seiner Zukunft eingesetzt wird.

Definition

Klimamodellierung ist die Darstellung des Klimasystems durch mathematische Gleichungen, die numerisch auf Computern gelöst werden, von idealisierten Modellen, die einzelne Prozesse isolieren, bis hin zu gekoppelten Erdsystemmodellen, die das gesamte System simulieren und seine Zukunft projizieren.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Konstruktion, Nutzung und Bewertung numerischer Klimamodelle. Er behandelt die Hierarchie der Modelle von einfachen Energiebilanz- und strahlungs-konvektiven Formulierungen bis hin zu umfassenden allgemeinen Zirkulations- und Erdsystemmodellen, die Parametrisierung unaufgelöster Prozesse, die Emissionsszenarien, die Projektionen antreiben, die Herunterskalierung grober Ergebnisse auf regionale Skalen sowie die systematische Bewertung und den Vergleich von Modellen mit Beobachtungen.

Sub-topics

• Emissionsszenarien und Klimaprojektionen
• Allgemeine Zirkulations- und Erdsystemmodelle

Core questions

• Wie werden die physikalischen Gesetze, die das Klima steuern, in ein lösbares numerisches Modell umgewandelt?
• Wie werden Prozesse, die zu klein sind, um aufgelöst zu werden, durch Parametrisierung dargestellt?
• Wie werden Emissionsszenarien verwendet, um zukünftiges Klima zu projizieren?
• Wie werden Modelle bewertet und ihre Unsicherheiten charakterisiert?

Key theories

Hierarchie der Klimamodelle

Modelle umfassen eine Hierarchie von einfachen Energiebilanz- und strahlungs-konvektiven Formulierungen, die zum Verständnis beitragen, bis hin zu umfassenden gekoppelten Modellen, die das gesamte System simulieren, wobei jedes für unterschiedliche Fragestellungen geeignet ist.

Parametrisierung von Subgrid-Prozessen

Prozesse, die kleiner als das Modellgitter sind, wie Wolken, Konvektion und Turbulenz, werden durch Parametrisierungen dargestellt, deren Formulierung das Modellverhalten stark beeinflusst und eine Hauptquelle der Unsicherheit darstellt.

Mechanisms

Klimamodelle unterteilen Atmosphäre, Ozean und Land in ein dreidimensionales Gitter und integrieren die Gleichungen der Bewegung, Thermodynamik und Strahlung zeitlich vorwärts, wobei die Komponenten so gekoppelt werden, dass sie Energie, Wasser und Impuls austauschen. Prozesse, die feiner als das Gitter sind, werden parametrisiert; die Modelle werden durch vorgeschriebene Antriebe oder Emissionsszenarien angetrieben, anhand von Beobachtungen und historischen Aufzeichnungen bewertet und in koordinierten Modellvergleichsprojekten verglichen, um Robustheit und Streuung zu beurteilen.

Clinical relevance

Klimamodelle sind die primären Werkzeuge zur Projektion des zukünftigen Klimas unter verschiedenen Emissionspfaden und zur Attribuierung beobachteter Veränderungen, was sie zur wissenschaftlichen Grundlage für Klimapolitik, Anpassungsplanung und Risikobewertung macht.

Evidence & guidelines

Der Sechste Sachstandsbericht des IPCC stützt sich stark auf koordinierte Modellvergleiche, um zukünftige Veränderungen zu projizieren, bewertet, dass Modelle viele Merkmale des beobachteten Klimas reproduzieren, und verwendet Beobachtungsbeschränkungen, um die projizierten Bereiche einzugrenzen.

History

Die Klimamodellierung entwickelte sich aus den ersten numerischen Wettervorhersagen und aus Manabe und Wetheralds strahlungs-konvektivem Modell von 1967, expandierte in den 1970er und 1980er Jahren zu gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Allgemeine-Zirkulationsmodellen und in jüngerer Zeit zu Erdsystemmodellen, die den Kohlenstoffkreislauf und die Biogeochemie umfassen.

Debates

Behandlung von Wolken und Modellstreuung

Unterschiede in der Parametrisierung von Wolken und Konvektion in Modellen sind maßgeblich für einen Großteil der Streuung in ihrer Klimasensitivität und ihren Projektionen verantwortlich, was zu Debatten darüber führt, wie diese am besten eingeschränkt und reduziert werden kann.

Key figures

• Syukuro Manabe
• Warren Washington
• Ann Henderson-Sellers
• Klaus Hasselmann

Seminal works

• manabewetherald1967
• mcguffie2014

Frequently asked questions

Wie funktioniert ein Klimamodell?

Es unterteilt die Erde in ein Gitter und schreitet die physikalischen Gleichungen für Atmosphäre, Ozean und Land zeitlich vorwärts, wobei kleine Prozesse wie Wolken durch Parametrisierungen dargestellt werden.

Kann man Klimamodellen vertrauen?

Sie reproduzieren viele beobachtete Merkmale des vergangenen und gegenwärtigen Klimas und stimmen in der breiten Reaktion auf Treibhausgase überein, obwohl Unsicherheiten bestehen bleiben, insbesondere bei Wolken und regionalen Details.