Methoden

Eine der Hauptaufgaben in der Klimaforschung ist das Finden von Strukturen (z.B. Trends) in großen Datensätzen. Durch Analyse der Daten werden immanente Strukturen aufgespürt und so die Aussagekraft der Daten bestimmt (enthaltenes Signal vs. Rauschen).

Die Datenassimilation verbindet Messdaten aus Beobachtungen mit Modellen. Dadurch wird die Stärke beider, der Messdaten einerseits (also Informationen über den wirklichen Zustand des Systems) und der Modelle andererseits (physikalisch mögliche Lösungen) möglichst optimal verknüpft. Datenassimilation wird angewandt in Zustandsabschätzungen, Generierung von Anfangswerten für Vorhersagen, Simulationsexperimenten für Beobachtungssysteme, sowie Fehlerdiagnosen der Modelle.

Numerische Modelle des Klimasystems liefern  der Klimawissenschaft wichtige Werkzeuge für ihre Forschung. Die Modelle werden wie ein Labor für die Durchführung von kontrollierten Experimenten mit den Kompenten des Klimasystems eingesetzt. Durch den Vergleich von Modellen mit erhöhtem Antrieb durch Treibhausgase mit Modellwerten aus vorindustrieller Zeit, kann z.B. der Einfluss des Menschen auf das Klima untersucht werden. Numerische Experimente werden auch verwendet, um die Vorhersagbarkeit eines Systems zu bestimmen.

Um möglichst realistische Modelle zu erhalten, entwickeln unsere WissenschaftlerInnen die numerischen Modelle des Klimasystems ständig weiter. Ein Beispiel für die Entwicklung eines neuen Finite-Elemente-Modells ist das gekoppelte Meereis-Ozean-Modell FESOM.

Die mathematischen Gleichungen, die die Änderungen in unserem Klimasystem beschreiben, beruhen auf den grundlegenden physikalischen Prinzipien. Diese sind hinreichend bekannt, zumindest für großkalige Prozesse des Klimasystems. Die analytische Lösung dieser Gleichungen mit einem Bleistift auf einem Stück Papier ist jedoch aufgrund ihrer Komplexität nicht immer möglich. Zum Verstehen einzelner, bestimmter Phänomene ist das aber auch nicht erforderlich, hier helfen vereinfachte Gleichungen beim Finden einer Lösung. In vielen Anwendungen wurde dieser theoretischer Ansatz erfolgreich beim Verständnis von Schlüsselphänomenen unseres Klimasystems beschritten.