Hans von Storch Klimaforscher Spezialgebiet : Küstenklima, also Windstürme, Sturmfluten, Seegang,...

Hans von Storch•Klimaforscher

•Spezialgebiet: Küstenklima, also Windstürme, Sturmfluten, Seegang, Nordsee, Nordatlantik

•Kooperation auch mit Sozialwissenschaftlern

•Direktor des Instituts für Küstenforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht

•Mitglied des KlimaCampus „CliSAP“ Hamburg

Folie 2

Klimamodelle

Hans von Storch, Ionstitut für Küstenforschung, Helmholtz-Zentrum

Geesthacht, undKlimaCampus „clisap“, Universität Hamburg

Germany

Tagung der Deutschen Gesellschaft für Humanökologie „Systemtheorien und Humanökologie“, Sommerhausen, 13. Mai 2011

Folie 3

Hesses ModellkonzeptWirklichkeit und Model haben teilweise konsistente, teilweise widersprüchliche Eigenschaften. Bei weiteren Eigenschaften ist zunächst unklar, ob sie von Wirklichkeit und Model geteilt werden.

Die konsistenten Eigenschaften sind positive Analoga.Die widersprüchlichen Eigenschaften sind negative Analoga.Die „unbekannte“ Eigenschaften sind neutrale Analoga.

Validierung von Modellen ist die Feststellung der positiven und negativen Analoga.Anwendung von Modellen beruht auf der Annahme, daß neutrale Analoga tatsächlich positive Analoga sind.

Der konstruktive Teil von Modellen sind ihre neutralen Analoga.

Hesse, M.B., 1970: Models and analogies in science. University of Notre Dame Press, Notre

Dame 184 pp.

Folie 4

Modelle sind

• • • kleiner als die Wirklichkeit (endliche Anzahl von Prozessen, verminderter Phasenraum) • • • einfacher als die Wirklichkeit  (die Beschreibung der Prozesse ist vereinfacht) • • • abgeschlossen, die Wirklichkeit aber offen (die unendliche Anzahl von externen Einflüssen ist reduziert auf einige wenige.)

Folie 5

Folie 6

Folie 7

Folie 8

•Nur ein beschränkter Bereich von räumlichen und

zeitlichen Größen- ordnungen wird berücksichtigt.

•Nur ein begrenzter Bereich von Parametern wird

zugelassen.

• Modelle beschreiben nur einen Teil der Wirklichkeit• Die Auswahl dieses Teils geschieht subjektiv. Bestimmte Prozesse werden vernachlässigt.

Folie 9

Man kann zeigen, dass ein Modell konsistent ist mit den bisherigen Beobachtungen, d.h. mit dem derzeit bekannten Teil des Phasenraumes.

Folie 10

Modelle können nicht verifiziert werden, d.h. es kann nicht positiv bewiesen werden, daß sie aus dem richtigen Grunde eine Beobachtung reproduzieren. Der Grund für diese Grenze ist die Offenheit der Wirklichkeit.

Die Übereinstimmung von modelliertem und beobachtetem Zustand kann die Güte des Modells widerspiegeln aber auch Ergebnis eines nicht dargestellten externen Einflusses in der Wirklichkeit sein.

Folie 11

Modelle zur Reduktion komplexer Systeme

eignen sich zum Aufbau von:

“Verstehen”, d.h. Theorie

Hypothesen.

Solche Modelle sind minimal komplex.

Folie 12

Modelle als Ersatzrealität

Dynamische, prozeß-basierte Modelle, in denen möglichst viele Prozesse berücksichtigt sind (maximal komplex)

Ersatzlabor – schafft die Möglichkeit des Experiments und der Prüfung von Hypothesen

Ableitung von SzenarienSensitivitätsanalysenDynamisch konsistente Interpretation und

Extrapolation von raum-zeitlich unvollständigen und unsicheren Beobachtungen (“Daten Assimilation”)

Vorhersagen von detaillierten Entwicklungen (z.B. Wettervorhersage)

Folie 13

Klimamodelle sind mathematische Modelle.Klimamodelle sind mathematische Modelle.

Sie nutzen fundamentale Gleichungen vom Erhalt von Masse, Impuls und Energie aus.

Dazu werden Differentialgleichungen mit Methoden der numerischen Mathematik „diskretisiert“ und auf leistungsstarken Rechnern implementiert.

Die aufgrund der begrenzten räumlich/zeitlichen Auflösung erforderlichen Schließungen kleinskaliger Prozesse wird mit halbempirischen „Parameterisierungen“ erreicht.

Folie 14 Components of the climate system. (Hasselmann, 1995)

Folie 15

Atmosphäre

Folie 16

Dynamische Prozesse in der Atmosphäre

Folie 17

Dargestellte atmoshärische Prozesse in einem Klimamodell

Folie 18

Folie 19

Modell

Beobachtet

Klimazonen

Klassifikation nach Koeppen

Erich Roeckner, pers. Mitteilung

Folie 20

Folie 21

Ergebnisse einer Umfrage unter Klimamodelleurenin 1996, 2003 and 2008

Bra

y a

nd

von

Sto

rch,

2010

Folie 22

Ausnutzung neutraler

Analoga

Folie 23

Roeckn

er

& L

oh

man

n,

1993

No cirrus

Effect of black cirrus

Detailed parameterization

Latitude-height distribution of temperature (deg C)

Difference “black cirrus” - detailed parameterization

Difference “no cirrus” - detailed parameterization

Folie 24Cub

asc

h, 20

01 p

ers

com

m. Vergleich des

Temperaturanstieges seit 1850

Modellergebnissen vs. Beobachtungen

Folie 25

Scenario A2

Scenario B2

Danmarks Meteorologiske Institut

Annual temperature changes [°C](2071–2100) –(1961–1990)

Szenarien

Folie 26

Globale development(NCEP)

Dynamical DownscalingREMO or CLM

Simulation with barotropicmodel of Noth Sea

Empirical Downscaling

Pegel St.

Pauli

In Zusammenarbeit mit Ämtern, Behörden und Firmen

Eine Hierarchie von globalen, regionalen Klima-modellen, und Wirkungsmodellen beschreibt im Detail den veränderliche

Klimaeinfluss in der jüngeren Vergangenheit und in

möglichen Zukünften

Folie 27

Wave Energy Flux [kW/m]

Currents Power [W/m2]

Some applications of- Ship design- Navigational safety- Offshore wind- Interpretation of measurements- Oils spill risk and chronic oil pollution- Ocean energy- Scenarios of storm surge conditions- Scenarios of future wave conditions

Folie 28

Quasi-realistische Klimamodelle manifestieren in mathematischer Form das physikalische Wissen über das Klima. Sie berücksichtigen ein Maximum an Prozeßbeschreibungen und stellen die wesentlichen Aspekte des gegenwärtigen Klimas dar.

Sie sind geeignete Instrumente für „numerisches Experimentieren“.

Sie erzeugen nicht direkt „Verstehen“, schaffen aber wesentliche Voraussetzung für „Verstehen“.

Sie sind geeignet, gegenwärtige Veränderunen zu dokumentieren, und zukünftige Klimaänderungen aufgrund anthropogener Emissionen abzuschätzen.

Zusammenfassung “Modelle”Zusammenfassung “Modelle”

Folie 29

http://coast.gkss.de/staff/storchhvonstorch@web.de