Numerische Experimente

Numerische Modelle des Klimasystems sind wichtige Werkzeuge in der Klimawissenschaft. Die Modelle werden wie ein Labor für die Durchführung von kontrollierten Experimenten mit den Komponenten 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.

Datenassimilation

Die Datenassimilation verbindet Messdaten aus Beobachtungen mit Modellen. Dadurch wird die Stärke beider, der Messdaten einerseits (also Informationen über den beobachteten Zustand des Systems) und der Modelle andererseits (physikalisch mögliche Lösungen) optimal verknüpft. Die Wissenschaftler der Sektion Klimadynamik verwenden Datenassimilation für Zustandsabschätzungen, für die Generierung von Anfangswerten für Vorhersagen, für die Optimierung von Beobachtungssystemen und für die Bestimmung der Ursachen von Modellfehlern.

Sequentielle Datenassimilation

Theorie

Die mathematischen Gleichungen, die die Änderungen in unserem Klimasystem beschreiben, beruhen auf den grundlegenden physikalischen Prinzipien. Diese sind hinreichend bekannt, zumindest für großskalige 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 theoretische Ansatz erfolgreich beim Verständnis von Schlüsselphänomenen unseres Klimasystems beschritten.