Ein kurzer Überblick über die Geschichte der Klimamodellierung

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promet, Jahrg. 29, Nr. 1- 4, 3-5 (Juni 2003)
© Deutscher Wetterdienst 2003
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W. L. GATES*
Ein kurzer Überblick über die Geschichte der
Klimamodellierung
Einleitung
Die Klimamodellierung wird zur Zeit in die politische Debatte
darüber einbezogen, welche angemessenen Schritte unternommen werden sollten, um möglichen künftigen Klimaänderungen zu begegnen. Dies ergab sich aus der wachsenden Besorgnis um den Schutz der Umwelt, der etwa 1970
begann, und aus der wachsenden Anerkennung der Tatsache,
dass numerische Modellierung das beste wissenschaftliche
Werkzeug zur Untersuchung des Klimaverhaltens ist, wenn
eine rationale Umweltpolitik unterstützt werden soll. In
diesem Zusammenhang sei auf die Berichte der EnqueteKommission „Vorsorge zum Schutz der Erdatmosphäre“,
eingesetzt vom Deutschen Bundestag, 11. Wahlperiode
(Bundestagsdrucksachen 11/3246 und 11/7220), hingewiesen.
Dies zeigt sich in der Vielzahl von nationalen Klimaprogrammen,die inzwischen etabliert worden sind und in der Arbeit des
‘Intergovernmental Panel on Climate Change’ (IPCC 2001,
Zwischenstaatliche Kommission Klimaänderung) der Vereinten Nationen. Das Entstehen der Klimamodellierung in den
letzten Dekaden hat das Feld der Klimastudien revolutioniert.
Klimasimulationen, die auf den dynamischen Gleichungen
beruhen, numerische Experimente und Diagnostik ergänzen
seither die klassische statistische Analyse der Beobachtungen.
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Arten von Klimamodellen
Je nach der beabsichtigten Anwendung und der benötigten
oder erwünschten Wiedergabe von Details gibt es eine Vielzahl
von Vorgehensweisen zur Erstellung von Klimamodellen. Einige Modelle vernachlässigen mit Absicht bestimmte Prozesse
oder Komponenten des Klimasystems, andere reduzieren die
horizontale Auflösung, mit der die Lösung der numerischen
Gleichungen an Stützstellen vorgenommen wird,während andere die höchstmögliche Auflösung mit allen nur möglichen Details anstreben. Letztere werden vor allem in der numerischen
Wettervorhersage benötigt,während vereinfachte Klimamodelle oft dazu benutzt werden, die Rolle von spezifischen physikalischen Prozessen zu untersuchen,die in komplexeren Modellen,
in denen mehr Wechselwirkungen und Rückkopplungsmechanismen möglich sind, schwieriger zu diagnostizieren sind.
Das erste auf physikalischen Grundlagen beruhende Klimamodell war 1961 das Strahlungskonvektionsmodell von
MANABE und MÖLLER, in dem die Wärmeübergänge
durch Strahlung und Konvektion in einer vertikalen Säule
zusammen eine hydrostatisch stabile vertikale Temperaturverteilung im Gleichgewicht ergeben. Moderne Versionen
solcher eindimensionaler Modelle (oder Ein-Säulen-Modelle)
umfassen auch die Effekte von horizontaler Konvergenz und
Bewölkung über die gesamte Säule. Ähnliche Klimamodelle
sind jene, die nur eine Gleichgewichtstemperatur an der Erdoberfläche beschreiben, die aus der Energiebilanz von Strahlungsflüssen und den turbulenten Flüssen von fühlbarer und
*aus dem Englischen übersetzt von Lydia Dümenil Gates
latenter Wärme berechnet wird. Die ersten dieser Energiebilanzmodelle wurden 1969 unabhängig voneinander von
BUDYKO und SELLERS entwickelt.Obwohl solche Modelle
die Wirkung von horizontalen Transporten ignorieren, erlauben sie eine grobe Abschätzung der Empfindlichkeit der
Gleichgewichtstemperatur an der Erdoberfläche gegenüber
Änderungen in der solaren Einstrahlung. Andere Versionen
solcher Modelle wurden 1974 von HELD und SUAREZ und
1975 von NORTH entwickelt, wobei diese Modelle mehrere
Gleichgewichtslösungen erlauben, je nach der Eingabe von
solarer Strahlung und der angenommenen Abhängigkeit der
Temperatur von der Oberflächenalbedo.
Andere vereinfachte Klimamodelle repräsentieren die horizontale Struktur der Atmosphäre mit Hilfe von zonalen Mittelwerten,während die meridionalen Transporte durch die zonalen
Mittelwerte parameterisiert werden. Das erste solcher statistisch-dynamischer Klimamodelle wurde 1970 von KURIHARA
entwickelt. Da diese Modelle nicht in der Lage waren, die
zonale Abhängigkeit des Klimas zu beschreiben, waren ihre
Anwendungsmöglichkeiten beschränkt. SALTZMAN fand
jedoch 1978 eine modifizierte Version dieser Modelle brauchbar für das Studium des Paläoklimas. Erwähnenswert sind
außerdem Klimamodelle, in denen absichtlich die physikalischen Prozesse und die horizontale Auflösung vereinfacht
wurden, um von der Rechenkapazität her durchführbare Lösungen zu erzielen. Solche Modelle von mittlerer Komplexität
erlauben sehr lange Simulationen der gesamten Entwicklung
des Erdsystems, wenn die Vereinfachungen nicht kritisch und
Details nicht wesentlich für die Entwicklung sind.
Schließlich gibt es noch Modelle der allgemeinen Zirkulation
der Atmosphäre, die seit den sechziger Jahren weite Verbreitung und Anwendung gefunden haben und heute die
Arbeitspferde der Klimaforschung darstellen. Genauso wie
in ihrer Anwendung für die Wettervorhersage beschreiben
diese Modelle die großskalige dreidimensionale Struktur und
das Verhalten der Atmosphäre auf der Basis der dynamischen
Gleichungen, in denen die kleinskaligen (und daher nicht
auflösbaren) Prozesse wie Konvektion und turbulente Flüsse
parameterisiert (durch die großskaligen Werte und angemessenen Parameter beschrieben) werden.
Um den Verlauf dieser bedeutenden Phase der Modellentwicklung besser vermitteln zu können, werden im
folgenden kurz ihre Ursprünge erläutert.
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Die Wurzeln der Klimamodellierung
Die wissenschaftliche und technische Grundlage von Zirkulationsmodellen liegt in der numerischen Wettervorhersage
und in den frühen Studien zur allgemeinen Zirkulation der
Atmosphäre, und es besteht auch weiterhin eine enge
Verwandtschaft zwischen der numerischen Wettervorhersage und der modernen Klimamodellierung; beide umfassen
die numerische Lösung ähnlicher Gleichungssysteme unter
gegebenen Anfangs- und Randbedingungen.
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BJERKNES war im Jahr 1904 der Erste, der das Problem der
numerischen Wettervorhersage (und schließlich des Klimas)
in mathematische Gleichungen fasste. Im Jahr 1922 machte
RICHARDSON dann den ersten Versuch, eine Wettervorhersage, die auf diesen Prinzipien beruhte, tatsächlich zu
berechnen. Obwohl wir heute wissen, dass sein Versuch
fehlschlagen musste, weil er die nicht-meteorologischen
Wellen falsch behandelte, sollten Richardsons Arbeiten
anerkannt werden, weil sie innovativ und umfassend waren.
Mit einem vereinfachten Satz von Gleichungen und nach der
Entwicklung der quasi-geostrophischen Theorie der atmosphärischen Strömung durch CHARNEY im Jahr 1947 wurde
die erste erfolgreiche numerische Wettervorhersage 1950 von
CHARNEY, FJØRTOFT und VON NEUMANN durchgeführt. Obwohl die Qualität ihrer 24-stündigen Vorhersage für
den Osten der Vereinigten Staaten im Vergleich zu heutigen
Standards relativ schlecht war, zeigte sie dennoch die
Machbarkeit einer schrittweisen numerischen Integration
der nicht-linearen barotropen Vorticity-Gleichung.
Aufbauend auf dieser historischen Leistung ergab sich eine
rasche Entwicklung von baroklinen Modellen mit mehreren
Schichten für die großskalige Strömung, die auf der quasigeostrophischen und anderen Filterannahmen basierte. Dies
wird in den Arbeiten von PHILLIPS 1951, ELIASSEN 1952
und CHARNEY und PHILLIPS 1953 deutlich. Diese
Erfolge führten zur ersten operationellen numerischen
Wettervorhersage in Schweden im Jahr 1954 und 1955 zur
Gründung einer ähnlichen Abteilung für operationelle Vorhersagen in den Vereinigten Staaten, wo gefilterte barotrope
und einfache barokline Modelle benutzt wurden. Die ersten
erfolgreichen numerischen Integrationen mit einem Modell
der sogenannten primitiven baroklinen Gleichungen wurden
unabhängig voneinander von SMAGORINSKY im Jahr 1958
und von HINKELMANN im Jahr 1959 erstellt. Diese frühen
numerischen Vorhersagen (für eine trockene Atmosphäre in
einer begrenzten Region) führten zur Entwicklung von Mehrschichtenvorhersagemodellen, wie sie bis heute andauert.
Parallel zur Entwicklung von Wettervorhersagemodellen
untersuchten STARR und WHITE die atmosphärische
Drehimpulsbilanz. Sie zeigten 1951 erfolgreich, dass die
transienten Zyklonen der mittleren Breiten den primären
Prozess darstellen, über den die Atmosphäre Drehimpulse zu
den Polen transportiert, wie es die Bilanzen der allgemeinen
Zirkulation erfordern. Diese Studien brachten PHILLIPS
auf die Frage, ob die damals zur Wettervorhersage benutzten
baroklinen Modelle eventuell auch die allgemeine Zirkulation wiedergeben würden. Sein heute klassisches numerisches Experiment aus dem Jahr 1956 zeigte dies dann tatsächlich. Obwohl Phillips seine Integration nicht über mehr
als 30 Tage ausführen konnte (weil in diesem Experiment die
später so genannte nicht-lineare Instabilität in der Berechnung auftrat), sollte sein Artikel als der erste anerkannt
werden, der ein atmosphärisches Klima- bzw. Zirkulationsmodell (general circulation model (GCM)) benutzte.
4 Die Entwicklung von Klimamodellen und ihre Anwendung
Nach dem erfolgreichen Experiment von Phillips ergab sich
eine aktive Entwicklungsphase für Modelle zum Studium der
allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre. Obwohl diese
Modelle effektiv das Klima der Atmosphäre beschrieben,
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hießen sie weiterhin (Atmosphären-)Zirkulationsmodelle.
Die ersten Modelle dieser Art erschienen 1965. Dies war
einmal das Modell von MINTZ,der die Atmosphäre mit einem
globalen Zweischichtenmodell ohne Feuchte beschrieb, und
zweitens das Modell von MANABE et al.,ein hemisphärisches
Modell mit konvektivem Ausgleich (convective adjustment).
Das letztere Modell war das erste in einer langen Serie von
Modellen, die Manabe und Mitarbeiter seither entwickelt
haben. Das erste atmosphärische Zirkulationsmodell bei
NCAR war 1967 das von KASAHARA und WASHINGTON.
Eine bedeutende frühe Anwendung dieser Generation von
Klimamodellen oder GCMs war die bahnbrechende Simulation der Auswirkungen einer Verdopplung von Kohlendioxyd
durch MANABE und WETHERALD im Jahr 1967.
Während ihr Modell eine idealisierte Geographie und einen
Sumpfozean benutzte (und sowohl den täglichen als auch den
saisonalen Zyklus der Sonneneinstrahlung vernachlässigte),
zeigte diese Berechnung zum ersten Mal die heute weithin
anerkannten Muster der globalen Erwärmung. Eine zweite
bedeutsame frühe Anwendung der Zirkulationsmodelle war
die erste Untersuchung der Auswirkungen von Waldrodungen in den Tropen durch CHARNEY 1975.An einem Modell
mit vereinfachter Hydrologie konnte er zeigen, wie es heute
weithin anerkannt ist,dass mit der Entfernung der Vegetation
eine Erwärmung der Landoberfläche und Austrocknung einhergehen. Atmosphärenzirkulationsmodelle fanden auch
Anwendung in der Simulation von Paläo-Klimaten, für die
GATES 1976 die ersten Berechnungen machte. Mit einem
Zwei-Schichten-Modell mit Topographie und Meeresoberflächentemperaturen für die letzte Eiszeit fand er ein kälteres
globales Klima, was relativ gut mit den verfügbaren terrestrischen paläoklimatischen Proxydaten übereinstimmte.
Die in den oben aufgelisteten Anwendungen verwendeten
GCMs benutzten verschiedene Formulierungen für FiniteDifferenzen-Verfahren.Im Jahr 1974 entwickelte BOURKE jedoch eine erste alternative Lösungsmethode, die Spektralfunktionen verwendete. Ein spektrales GCM erlaubt die effiziente
Berechnung der nicht-linearen Dynamik im Modell ohne die
rechnerische Instabilität, mit der PHILLIPS noch zu kämpfen
hatte (und die von ARAKAWA 1966 beseitigt wurde). Ungefähr die Hälfte der modernen GCMs haben eine spektrale Formulierung,jedoch werden die physikalischen Parameterisierungen in jedem Fall auf Gittern mit finiten Differenzen berechnet.
Parallel zur Entwicklung der GCMs wurden Ozeanmodelle
entwickelt. Da es kein ozeanisches Äquivalent zur numerischen Wettervorhersage gab, haben diese Modelle ihre
Wurzeln in der geophysikalischen Flüssigkeitsdynamik, und
wir finden ein Spektrum von Modelltypen von einem hypothetischen Box-Modell bis hin zum realistischen Modell für
einen Ozean mit vereinfachten oder umfassenden physikalischen Parameterisierungen. Das erste dynamische Modell
der Ozeanzirkulation wurde 1950 von MUNK für windgetriebene Gleichgewichtsströmungen in einem barotropen
Ozean entwickelt. Obwohl diese Studie ein idealisiertes
Ozeanbecken annahm, erfasste es die dynamische Natur der
westlichen Randströme in Ozeanen. Nach einer langen Folge
von theoretischen Studien entwickelte BRYAN 1969 das
erste Modell, das wir heute als Zirkulationsmodell des
Ozeans anerkennen. In dieser bahnbrechenden Studie löste
BRYAN zum ersten Mal die primitiven Gleichungen für den
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globalen Ozean unter der vereinfachenden Annahme einer
festen oberen Randfläche (rigid lid approximation) und legte
den Grundstein für eine lange Reihe von Ozeanmodellen, die
bei GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, NJ/USA) entwickelt wurden. Die erste erfolgreiche
Simulation von ozeanischen Eddys durch SEMTNER und
MINTZ erfolgte 1977 in ihrem Modell des Golfstroms und
1988 durch SEMTNER in einem globalen Ozeanzirkulationsmodell. SEMTNER war 1976 schließlich der Erste, der
eine thermodynamische Parameterisierung von See-Eis
in einem globalen Ozeanmodell verwendete, während
HIBLER 1978 das erste Modell für See-Eis mit EisRheologie entwickelte.
Mit der Entwicklung von separaten Atmosphären- und Ozeanmodellen war zu erwarten, dass Anstrengungen unternommen
würden, die beiden in Klimasimulationen miteinander zu
koppeln. Das erste solcher gekoppelten Atmosphären-Ozeanmodelle wurde 1969 von MANABE und BRYAN integriert,
allerdings unter der Verwendung einer idealisierten Geographie. Eine erste Integration mit realistischer globaler Geographie folgte 1975 von MANABE, BRYAN und SPELMAN.
Diese bahnbrechenden Studien bereiteten die Basis für die intensive Entwicklung von gekoppelten Atmosphären-Ozeanmodellen, die in den achtziger und neunziger Jahren stattfand.
Obwohl diese Entwicklungen hier nicht weiter diskutiert
werden, soll trotzdem kurz erwähnt werden, dass Wolkenflüssigwasser und -eis, Sulfataerosole, ausführliche Landoberflächenprozesse und die erfolgreiche Simulation von ENSO
(El Niño – Southern Oscillation), der quasi-zweijährigen
Oszillation und die Antwort des Systems auf langzeitliche
transiente Kohlendioxydänderungen zu diesen Entwicklungen gehören.
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Zukünftige Modellierungsfragen
Eine dauerhafte Fragestellung in der Klimamodellierung ist
die Repräsentation von Prozessen, die auf Längen- und Zeitskalen auftreten, die zu klein sind, um von den heutigen
Klimamodellen aufgelöst zu werden. Die wichtigsten dieser
Prozesse in der Atmosphäre, die einer Parameterisierung
bedürfen, sind Konvektion, Wolken, turbulente Prozesse in
der planetarischen Grenzschicht und Landoberflächenprozesse einschließlich Hydrologie. Die entsprechenden Prozesse, die im Ozean parameterisiert werden müssen, sind die
Mischungsprozesse für Wärme und Salz und die Effekte von
kleinskaligen topographischen Strukturen.
In dem kritischen Fall der Cumulus-Konvektion,die in früheren
Klimamodellen entweder völlig ausgelassen oder durch Klimatologien vorgegeben wurde,ist die erste Parameterisierung 1965
von KUO auf der Grundlage des konvektiven Ausgleichs
entwickelt worden,ein Schema,das noch heute in einigen GCMs
angewendet wird. Eine komplexere und auch weithin benutzte
Parameterisierung wurde 1969 von ARAKAWA eingeführt.Sie
beruht auf dem Konzept des Massenflusses in Ensembles von
Cumuluswolken und ihrer Wirkung auf die großskalige Strömung.
Diese und andere Parameterisierungen bedürfen der systematischen Diagnose und Evaluierung ihrer Effektivität in GCMs,
da es im Wesentlichen die physikalischen Parameterisierungen sind,
die durch die Effekte auf Rückkopplungsmechanismen und
Modellempfindlichkeit ein Modell vom anderen unterscheiden.
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Ein zweiter kritischer Aspekt in der Klimamodellierung ist die
Frage der räumlichen Auflösung (die in direktem Bezug zu der
oben angesprochenen Frage der Parameterisierung steht).Idealerweise sollte ein Klimamodell eine Auflösung anwenden, die
ausreicht, um eine vernünftige Konvergenz der numerischen
Lösung auf den zu betrachtenden Skalen zu erreichen. Möglicherweise trifft dieses Kriterium auf keines der heutigen Klimamodelle zu,und die Modellauflösung wird durch die vorhandene
Computerkapazität bestimmt. Dies hat die horizontale Auflösung in umfassenden GCM-Simulationen über Dekaden und
Jahrhunderte auf einige hundert Kilometer in der Atmosphäre
und auf die Größenordnung von zehn Kilometern im Ozean
limitiert. Da weiterhin die Schnelligkeit von Computerberechnungen zunimmt (es wird erwartet, dass in den nächsten Jahren
Maschinen im Bereich von zehn bis zu Hunderten von Teraflops
auf den Markt kommen), stellt sich die Frage, wie viel horizontale Auflösung im einzelnen Fall tatsächlich notwendig ist und ob
verbesserte Computerressourcen nicht besser zu mehr oder
längeren Klimasimulationen genutzt werden sollten. Eine
populäre Lösung ist die Anwendung von höherer Auflösung in
bestimmten Regionen (Nesting), eine Technik, die 1990 von
GIORGI in die Klimamodellierung eingebracht wurde.
Eine dritte Fragestellung für die Klimamodellierung der Zukunft ist die Einführung von Klima- oder Erdsystem-Modellen,
in denen chemische oder biologische Prozesse interaktiv mit dem
heute konventionellen Atmosphären-Ozeansystem verbunden
sind. Laufende Arbeiten auf dieses Ziel hin schließen die Verwendung von dynamisch auf das Klima reagierender Vegetation und die Darstellung des interaktiven Kohlenstoffkreislaufs
in gekoppelten GCMs ein. Diese Ansätze werden eine größere
Realitätsnähe für die zukünftigen Klimasimulationen erlauben
und eine Verbindung mit den Modellen herstellen,die zur Abschätzung der integrierten Auswirkungen von Klimaänderungen auf
Ökosysteme und zum Ressourcenmanagement dienen.Während
diese und andere Klimamodelle entwickelt werden, ist es jedoch
wichtig zu erkennen, dass sie möglicherweise Überraschungen
mit sich bringen und dass notwendigerweise eine gründliche Abschätzung ihrer Leistungsfähigkeit vorgenommen werden muss.
Literatur
Anstelle einer umfassenden Literaturliste aller in diesem
Artikel zitierten Arbeiten werden dem Leser einige Textbücher angegeben, in denen viele ausführliche Literaturangaben zu finden sind. In dieser Hinsicht sind die folgenden
Bücher besonders zu empfehlen:
IPPC 2001: Climate Change 2001, The Scientific Basis. Cambridge University Press, Cambridge, 944 S; siehe auch: http://www.ipcc.ch.
McGUFFIE, K., A. HENDERSON-SELLERS, 1997: A Climate Modelling Primer, 2nd Ed., Wiley, Chichester, UK, 253 S.
RANDALL, D. A. (Hrsg.) 2000: General Circulation Model Development, Academic Press, New York, 807 S.
SPEKAT, A. (Hrsg.) 2000: 50th Anniversary of Numerical Weather Prediction, Commemorative Symposium, Potsdam, 9-10 March, 2000.
Deutsche Meteorologische Gesellschaft, 255 S.
WASHINGTON, W. M., C. L. PARKINSON, 1986: An Introduction to
Three-dimensional Climate Modeling, University Science Books, Mill
Valley, CA, 422 S.