Einführung in die Klimamodellierung

André Paul

Vegetation

Atmosphäre

Eis

Ozean

Land

Apollo 17, 7. Dezember 1972

Klimamodellierung

Klimasystem

Konzeptionelles Modell auf der Grundlage der Abbildung 1-5 (unten) von Ruddiman (2001)

Warum Modellierung?

• Ohne Beobachtungen werden Theorien

schnell irrelevant.

• Ohne Theorie sind Beobachtungen nicht

interpretierbar.

Henning Rodhe (2000), Carl Wunsch (2007)

Warum Modellierung?

• Das Erdsystem kann in quantitativer Weise

untersucht werden, weil sich seine Eigenschaften

in Zahlen fassen lassen

• Quantitatives theoretisches Verständnis erwächst

aus der Simulation eines Systems oder von

Teilen eines Systems und numerischem

Experimentieren mit dem simulierten System

• Beispiel: Globaler Wandel (“global change”)

Walker (1991)

Ziele der Klimamodellierung

Verstehen vergangener Klimazustände

– Formulieren und Testen von Hypothesen

– Untersuchen der Antwort des Klimasystems

auf eine äußere Anfachung, Anregung oder

Störung

– Verstehen von Wechselwirkungen und

Rückkopplungen zwischen Komponenten

des Klimasystems

Welche Arten von Modellen gibt es?

• Es gibt– konzeptionelle Modelle,– mathematische Modelle

– analytische oder numerische

– prozessorientierte Modelle– realistische

Modelle

Beispiel für ein dreidimensionales

Ozeanmodell

• Massachusetts Institute of Technology general circulation model (MITgcm:http://mitgcm.org)

• mit “cubed-sphere grid system”: 32x32 Gitterpunkte x 6 Seiten, 15 Tiefenniveaus

[Abbildung 3-30 aus Ruddiman (2001)]

Gitterzellen in einem dreidimensionalen Ozeanmodell

Programm „Paläozeanographische Modellierung“

1. Durchführung von Experimenten mit einem zweidimensionalen Klimamodell (CLISIM)

• Installation auf einem Notebook

• Erstes kurzes Experiment (200 Modelljahre)

• Langes Experiment mit CLISIM (4000 Modelljahre)→ Wie lange benötigt das Klimamodell, um in ein Gleichgewicht zu kommen?

• CLISIM: Sensitivitätsexperimente (je 2000 Modelljahre)→ Welche Rolle spielen die atmosphärische CO2-Konzentration und die Lage

der Westwindzone auf der Südhalbkugel für die Wassermassenverteilung und die Meridionalzirkulation im Atlantischen Ozean?

2. Analyse von Experimenten mit einem dreidimensionalen Kilmamodell

→ Zusätzlich: Wie wirken sich Änderungen in der großräumigen Zirkulation auf die Verteilung von Nährsalzen und Kohlenstoff im Meer und die Lage der CCD aus?

Werkzeuge

• MATLAB (und Fortran) für die numerische Simulationen

• MATLAB und Panoply für die Analyse und graphische Darestellung der Ergebnisse

MATLAB

• MATLAB is eine Programmiersprache für

technisch-wissenschaftliches Rechnen

➔ Berechnung, Visualisierung und

Programmierung in einer einzigen, einfach

zu bedienenden Umgebung

➔ Aufgaben und ihre Lösung in gewohnter

mathematischer Schreibweise

Panoply

• Website:– http://www.giss.nasa.gov/tools/panoply

• Geeignet für– Anzeige des Inhalts einer Datei im

NetCDF-Format– horizontale Karten und vertikale Schnitte– Vektordarstellung (Wind, Strömungen)– Anomalien

Stromfunktion/Sv der meridionalen Umwälzbewegung im Atlantischen Ozean im dreidimensionalen

Klimamodell UVic ESCM

Meeresoberflächentemperatur/°C im Südtlantischen Ozean im im dreidimensionalen Klimamodell

UVic ESCM

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB

Klimasystem

Konzeptionelles Modell auf der Grundlage der Abbildung 1-5 (unten) von Ruddiman (2001)

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB

• Komponenten Eis, Landoberfläche und Vegetation vernachlässigt, Atmosphäre stark vereinfacht

• Modellgebiet: Atlantischer Ozean von 76°S bis 76°N, Ost-West-Ausdehnung 70°, flacher Boden in 4000 m Tiefe

• Beschränkung auf zweidimensionale Bewegungsvorgänge in Nord-Süd-Richtung und vertikaler Richtung

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB

• Atmosphäre: vorgeschrieben oder Einschichtenmodell

• Ozean: Mehrschichtenmodell Ozean wird in 25 Schichten zerlegt, über die vertikal

integriert wird. Durch numerische Integration des so erhaltenen

Gleichungssystems erhält man Mittelwerte für jede Schicht.

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB

• Randbedingungen:– an der Meeresoberfläche vorgebene Temperatur- und

Süßwasserflussfelder (für den Wasserumsatz zwischen Ozean und Atmosphäre, dass heißt den Unterschied zwischen Niederschlag und Vedunstung)

– Die oberflächennahe Lufttemperatur wird entweder fest vorgeschrieben (als “Referenztemperatur” oder “restoring temperature”) oder mit einfachen Modell für den Wärmehaushalt der Atmosphäre (“energy balance model”, EBM) berechnet.

– Einfluss des Windes: Vorgabe der zonalen (Ost-West-) Komponente der tangentialen Windschubspannung an der Meeresoberfläche