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Institut für Küstenforschung I f K Modellierung - insbesondere in der Umwelforschung Hans von Storch Geesthacht, 6.12.2001.

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Präsentation zum Thema: "Institut für Küstenforschung I f K Modellierung - insbesondere in der Umwelforschung Hans von Storch Geesthacht, 6.12.2001."—  Präsentation transkript:

1 Institut für Küstenforschung I f K Modellierung - insbesondere in der Umwelforschung Hans von Storch Geesthacht,

2 ( 20. Auflage Leipzig, Mannheim 1998) Modell Naturwissenschaften: ein Abbild der Natur unter Hervorhebung für wesentlich erachteter Eigenschaften und unter Außerachtlassen als nebensächlich angesehener Aspekte. Das Modell... ist umso realistischer oder wirklichkeitsnäher, je konsistenter es den von ihm umfassten Erfahrungsbereich zu deuten gestattet und je genauer seine Vorhersagen zutreffen; es ist umso tragender, je größer der von ihm beschriebene Erfahrungsbereich ist. Modelle entstehen aus der Wechselwirkung zwischen Hypothesenbildung und Beobachtung: Die Hypothese lenkt die Beobachtung, und deren Resultate geben ihrerseits Anlass zur Verifizierung der Hypothese. Damit sind Modelle grundsätzlich nicht endgültig: sie müssen immer wieder der Erfahrung angepasst und, sofern das in einer konsistenten Weise nicht möglich ist, verworfen und durch neue Modelle ersetzt werden. Institut für Küstenforschung I f K

3 Hydraulisches Modell Institut für Küstenforschung I f K Sündermann und Vollmers (1972)

4 Surface currents Institut für Küstenforschung I f K Sündermann und Vollmers (1972)

5 Institut für Küstenforschung I f K Sündermann und Vollmers (1972)

6 Institut für Küstenforschung I f K TIDAL CURRENTS & SEA LEVEL State variables vertically averaged components of current (u, v) sea level (relative to undisturbed level h) ( )

7 Institut für Küstenforschung I f K process u v P 1 : Coriolis effect -fv fu P 2 : pressure gradient P 3 : bottom friction can not be expressed in terms of state variables P 4 : diffusion needs parameterization net divergence model equations complete already severely simplified system compared to the real system (e.g. vertical homogeneity) bottom friction diffusion

8 Institut für Küstenforschung I f K NUMERICAL FORMULATION Finite differences Replace differential operators by difference operators

9 Institut für Küstenforschung I f K APPLICATION replicate hydraulical model derive numerical values in high spatial and temporal resolution no problem to measure state variables examine sensitivity to boundary conditions formulation of parameterizations relevance of processes Example: Coriolis force

10 Surface currents Institut für Küstenforschung I f K Sündermann und Vollmers (1972)

11 Surface current Sündermann und Vollmers (1972) Institut für Küstenforschung I f K Result with CORIOLIS Force

12 Institut für Küstenforschung I f K Hesses concept of models Reality and a model have attributes, some of which are consistent and others are contradicting. Other attributes are unknown whether reality and model share them. The consistent attributes are positive analogs. The contradicting attributes are negative analogs. The unknown attributes are neutral analogs. Validating the model means to determine the positive and negative analogs. Applying the model means to assume that specific neutral analogs are actually positive ones. The constructive part of a model is in its neutral analogs. Hesse, M.B., 1970: Models and analogies in science. University of Notre Dame Press, Notre Dame 184 pp.

13 Institut für Küstenforschung I f K

14 Institut für Küstenforschung I f K Models as surrogate reality dynamical, process-based models, experimentation tool (test of hypotheses) design of scenarios sensitivity analysis dynamically consistent interpretation and extrapolation of observations in space and time (data assimilation) forecast of detailed development (e.g. weather forecast) characteristics:complexity quasi-realistic mathematical/mechanistic engineering approach

15 Institut für Küstenforschung I f K Models are smaller than reality (finite number of processes, reduced size of phase space) simpler than reality (description of processes is idealized) closed, whereas reality is open (infinite number of external, unpredictable (or unspecifiable) forcing factors is reduced to a few specified factors)

16 Institut für Küstenforschung I f K

17 Institut für Küstenforschung I f K

18 Institut für Küstenforschung I f K

19 Institut für Küstenforschung I f K

20 Institut für Küstenforschung I f K

21 Institut für Küstenforschung I f K

22 Institut für Küstenforschung I f K Dynamical processes in the atmosphere

23 Institut für Küstenforschung I f K Dynamical processes in a global atmospheric model

24 Institut für Küstenforschung I f K Models can not be verified because reality is open. Coincidence of modelled and observed state may happen because of model´s skill or because of fortuitous (unknown) external influences.

25 Institut für Küstenforschung I f K Models can be shown to be consistent with observations, e.g. the know part of the phase space may reliably be reproduced. However the technically possible representation of the unknown part of the phase space (e.g. 2xCO 2 ) is in principle questionable (but perhaps plausible)

26 Institut für Küstenforschung I f K

27 Institut für Küstenforschung I f K

28 Institut für Küstenforschung I f K 1973–1993 ERA ECMWF 1880–2049 ECHAM3/LSG

29 Institut für Küstenforschung I f K

30 Institut für Küstenforschung I f K

31 Institut für Küstenforschung I f K A new Set of IPCC Emissions Scenarios (SRES Scenarios ) A world of rapid economic growth and rapid introduction of new and more efficient technology. A very heterogeneous world with an emphasis on family values and local traditions. A world of dematerialization and introduction of clean technologies. A world with an emphasis on local solutions to Economic and environmental sustainability. business as usual scenario (1992). A1 A2 B1 B2 IS92a

32 Institut für Küstenforschung I f K Scenario A2 Scenario B2 Danmarks Meteorologiske Institut Annual temperature changes [°C] (2071–2100) – (1961–1990)

33 Institut für Küstenforschung I f K Modelle dienen einem Zweck. Modelle per se gibt es nicht: Nicht Modelle von X sondern Modelle für A. Modelle können nicht verifiziert werden, sondern nur validiert (d.h. zegen, daß sie nicht im Widerspruch zu bekannten Tatsachen stehen) Quasirealistische Modelle schaffen eine Ersatzrealität, in der ansonsten unmögliche Experimente realisiert werden können und in denen Szenarios plausibler Änderungen als Reaktion menschlicher Einwirkung dargestellt werden können. von Storch, H., and G. Flöser (Eds.), 2001: Models in Environmental Research. Proceedings of the Second GKSS School on Environmental Research, Springer-Verlag, ISBN , 254 pp. Zusammenfassung


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