Globale Klimamodellierung Hoch entwickelte Klimamodelle versuchen, das Klima so realitätsnah wie möglich abzubilden und Aussagen über seine künftigen Veränderungen zu machen.

Ein Ensemble an Modellen

Die Modellierung des vergangenen und vor allem des gegenwärtigen Klimas dient nicht zuletzt dazu, die Qualität der Modelle zu verbessern. Je besser ein Modell die komplexen räumlichen Muster sowie die saisonalen Zyklen des gegenwärtigen Klimas simuliert, desto mehr kann man davon ausgehen, dass alle relevanten Prozesse in dem Modell adäquat repräsentiert sind.

In der Regel gehen die Modellierer bei der Simulation des Klimas der nahen Vergangenheit so vor:

Zunächst wird ein Klimalauf unter konstanten Randbedingungen für die solare Einstrahlung , die Landnutzung und die vorindustrielle Treibhausgaskonzentration (z.B. Jahr 1850) gestartet und über mehrere hundert Jahre unter diesen konstanten Bedingungen gerechnet.

Nach einer Einschwingzeit stellt sich ein gewisses Gleichgewicht zwischen Ozean–Biosphäre–Kryosphäre und Atmosphäre ein, so dass die verschiedenen Klimakenngrößen keinen langfristigen Trend mehr aufweisen. Hier beginnt der sogenannte Kontrolllauf, der die für das Klimasystem typische natürliche Variabilität widerspiegelt. Mit ihm werden später die Klimasimulationen unter bestimmten variablen Randbedingungen verglichen. Eine dieser variablen Randbedingungen ist z.B. der Anstieg der Treibhausgasemissionen von Beginn der Industrialisierung (1850) bis heute.

Will man also, um bei diesem Beispiel zu bleiben, das Klima der nahen Vergangenheit (z.B. 1850 bis 2014) simulieren, setzt man nun einen weiteren Klimalauf auf diesem sogenannten „Kontrolllauf“ auf. Das heißt, man nimmt als Anfangswerte alle meteorologischen Größen und sonstigen physikalischen Parameter zu einem beliebigen Zeitpunkt nach der Einschwingphase und startet dann eine neue Simulation. Dabei werden gleichzeitig die in diesen 160 Jahren nach und nach angestiegenen globalen Treibhausgaskonzentrationen (die man aus Beobachtungen kennt) im Modell nun berücksichtigt (und nicht wie im Kontrolllauf auf dem Wert für ein bestimmtes Jahr konstant gehalten).

Das Resultat ist EINE Realisierung des Klimas bis zum Jahr 2014. Setzt man nun noch eine weitere Simulation auf einem ganz anderen beliebigen Jahr des Kontrolllaufs auf – also unter unterschiedlichen Anfangsbedingungen –, so erhält man eine andere Realisierung des Klimas bis zum Jahr 2014. Die unterscheidet sich von der ersten Realisierung im Schwankungsbereich der natürlichen, internen Variabilität des Klimasystems. Aber sie gibt dennoch ein (statistisch) vergleichbares Klima wider (und z.B. nicht eines mit einer ganz anderen Eisbedeckung in der Arktis o.ä.).

Ein Ensemble vieler solcher Klimaläufe, das dann gemittelt wird, beschreibt den mittleren wahrscheinlichen Verlauf des Klimas sowie die Schwankungsbreite, d.h. den Korridor möglicher Klimaentwicklungen. Die Streuung zwischen einzelnen Simulationen eines einzigen Modells spiegelt die natürliche, interne Variabilität des Klimasystems wider. Aber genauso, wie jede einzelne Realisierung sozusagen nur ein „Zufallstreffer“ ist, hat ja auch das reale Erdklima eine natürliche Variabilität (die man hoffentlich mit dem Ensemble erfasst). Aus diesem Grund kann der reale Klimaverlauf vom mittleren Ensemble-Ergebnis abweichen, sollte aber bei einem „guten“ Modell immer in dem durch das Ensemble aufgespannten Korridor wahrscheinlicher Entwicklungen liegen.

Nun gibt es allerdings kaum ein wirklich perfektes Modell, das alles richtig macht, also für jeden Ort der Erde im Verlauf des Jahres exakt zu den Beobachtungen passt. Jedes Modell macht systematische Fehler, die z.B. auf die gewählte Berechnungsmethoden bei der Lösung der Gleichungen oder z.B. die (geringe) räumliche Auflösung zurückzuführen sind. Im großen internationalen Modellvergleichsprojekt CMIP werden alle verwendeten Modelle hinsichtlich ihrer Fähigkeiten, das - soweit bekannt - richtige Klima zu simulieren, evaluiert und verglichen. In dem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die Qualität des Mittels aller Modelle (sog. Multi-Modell-Ensemble) besser als die aller Einzelmodelle ist.

Visualisierung der für die Szenarien RCP2.6 und RCP8.5 simulierten Erwärmung Ende des Jahrhunderts auf Basis des CMIP5-Multimodell-Ensembles. Auf Basis des Ensembles konnte die Robustheit des simulierten Signals im Vergleich zum Klimarauschen, also der natürlichen Variabilität aller Modelle bestimmt werde. Die in klaren Farben dargestellte Erwärmung ist statistisch robust (größer als 2 Standardabweichungen des ungestörten Klimas).Die grau schattierten Flächen zeigen Gebiete, in denen das Klimasignal nicht wesentlich größer als die natürliche Variabilität ist. Die Visualisierung wurde am DKRZ für ein Video des Weltklimaforschungsprogramms WCRP erstellt.

In internationalen Modell-Vergleichsprojekten werden seit einigen Jahren Multi-Modell-Ensemble-Simulationen gerechnet, d.h. die gleichen Experimente werden mit unterschiedlichen Modellen durchgeführt. So wurde für den 5. Sachstandsbericht des IPCC von der internationalen Klimaforschungsgemeinschaft in dem Modellvergleichsprojekt CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project - Phase 5) standardisierte Klimasimulationen mit weitgehend vorgegebenen Randbedingungen gerechnet (siehe Abbildung oben). Daran beteiligt waren über 25 Modellierungsgruppen weltweit mit über 40 Modellen. Zum einen wurden damit langfristige Klimaänderungen von der Mitte des 19. Jahrhunderts bis 2100 und darüber hinaus berechnet. Die Projektionen in die Zukunft werden durch die neuen RCP-Szenarien angetrieben und berücksichtigen damit auch politische Klimaschutzentscheidungen.