1. Was ist ein Klimamodell

Mit einem Klimamodell versuchen Forscher, die natürlichen Vorgänge in der Erdatmosphäre und im Ozean über längere Zeiträume möglichst realistisch zu simulieren. Manchmal blicken sie mehrere Tausend Jahre in die Vergangenheit oder die Zukunft.

Letztlich ist ein Klimamodell ein gigantisches Computerprogramm, das zunächst einmal mit meteorologischem und physikalischem Grundwissen gefüttert werden muss. Dabei handelt es sich vor allem um physikalische Größen wie die Temperatur oder die Strahlungsleistung der Sonne sowie um Formeln, die zum Beispiel die Strömung des Windes zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten beschreiben. Oftmals können sogar Prozesse wie der Austausch von Treibhausgasen zwischen der Atmosphäre, der Landoberfläche und dem Ozean simuliert werden. Dazu zählen auch chemische und biologische Prozesse wie etwa die Aufnahme von Kohlendioxid durch die Pflanzen.

Um ein genaues Bild dieser natürlichen Vorgänge zu erhalten, teilt das Modell die Atmosphäre und die Ozeane in ein Netzwerk aus Würfeln auf, sogenannte Gitterboxen. Je nach Modell ist die räumliche Auflösung dieses Netzwerks feiner oder gröber. Bei globalen Klimamodellen hat eine Gitterbox in der Regel eine Kantenlänge von etwa 100 Kilometern.

Für jede Gitterbox berechnet das Modell, wie sich die physikalischen Werte von einem Zeitpunkt zum nächsten verändern. Nimmt das Modell zum Beispiel für eine Gitterbox einen hohen Luftdruckwert an, so wird die Luftmasse zum nächsten Zeitpunkt durch das Druckgefälle zur benachbarten Gitterbox gedrückt. Schritt für Schritt rechnet das Modell die Veränderung der Werte in die Zukunft. Ein Klimamodell kann beispielsweise in 15-Minuten-Schritten voranspringen, wobei die Berechnung eines solchen Zeitschritts je nach Leistung des Computers nur Sekundenbruchteile benötigt.

Da bei jedem Schritt für jede Gitterbox viele physikalische Formeln und Werte verarbeitet werden müssen, ist die Datenmenge immens. Deshalb benötigt man für die Klimamodellierung leistungsstarke Großrechner. Die AWI-Experten nutzen für ihre Klimasimulationen unter anderem den Supercomputer am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) in Hamburg. Über eine Internetverbindung können sie darauf zugreifen.

Klimamodelle können verschiedene Fragen beleuchten, zum Beispiel wie sich das Klima während der Eiszeit verändert hat oder wie es sich künftig durch den vom Menschen verursachten Treibauseffekt verändern könnte. Zu diesem Zweck wird eine Klimasimulation zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Geschichte gestartet, etwa einem Datum in der vorindustriellen Epoche. Tag für Tag, Monat für Monat berechnet es dann die Veränderung der physikalischen Parameter in den Gitterboxen.

Soll eine Simulation nicht nur über die langfristige Entwicklung des Klimas, sondern auch über kurzfristige Veränderungen von Wetter und Witterung Auskunft geben, kann das Modell vor dem Start mit meteorologischen und ozeanographischen Daten und Aufzeichnungen eines bestimmten Zeitpunkts gefüttert werden, wie bei einer klassischen Wettervorhersage. Experten nennen diesen Start einer Klimasimulation Initialisierung.