Klimamodelle - was können sie und was können sie nicht? Institut für Küstenforschung, GKSS Forschungszentrum Geesthacht, und Klimacampus, Universität Hamburg, Hans von Storch Klimamodelle - was können sie und was können sie nicht? Vortrag Heidelberg, 13 Jan 2006 – wozu taugen Klimamodelle? Hamburg Mathematische Gesellschaft

Conceptual aspects of modelling Hesse’s 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. Hesse, M.B., 1970: Models and analogies in science. University of Notre Dame Press, Notre Dame 184 pp.

The constructive part of a model is in its 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.

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 forcing factors is reduced to a few specified factors)

Models represent only part of reality; Subjective choice of the researcher; Certain processes are disregarded. Only part of contributing spatial and temporal scales are selected. Parameter range limited

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, not accounted for by the model. Trivially: all models are “false” (= have negative analogs)

Purpose of models # reduction of complex systems  “understanding” # surrogate reality  realism

Models for reduction of complex systems good for: constitution of “understanding”, i.e. theory construction of hypotheses

Models as surrogate reality dynamical, process-based models, characteristics: complexity quasi-realistic mathematical/mechanistic engineering approach

atmosphere Bremen, 17.Oktober 2007

Dynamical processes in a global atmospheric general circulation model Dynamical processes in the atmosphere

The model can be validated only for that part of the “phase space”, which is sufficiently covered by observations.

Klimazonen Klassifikation nach Koeppen Modell Beobachtet Erich Roeckner, pers. Mitteilung

Zyklogenese Sturmbahn-dichten Observed Winter Simulated (DJF) Erich Roeckner, pers. Mitteilung

Precipitation in IPCC AR4 models Erich Roeckner, pers. Mitteilung

Applying the model outside the admissible domain means to exploit a neutral analog.

Purposes process sensitivity analysis – neutral analog: embedding of process in dynamics experimentation tool (test of hypotheses) – neutral analog: all processes significant to the hypothesis are operating in the model. forecast of detailed development (e.g. weather forecast) – neutral analog: future development dynamically consistent interpretation and extrapolation of observations in space and time (“data assimilation”) - neutral analog: space-time correlations reconstruction of global past states and construction of scenarios - neutral analog: sensitivity to external forcings

detailed parameterization Latitude-height distribution of temperature (deg C) Effect of black cirrus Difference “black cirrus” - detailed parameterization Roeckner & Lohmann, 1993 No cirrus Difference “no cirrus” - detailed parameterization

Testing the MBH “hockeystick method” Simulating the process of “reconstructing” historical climate variations using the data from the 1000 year historical ECHO-G simulation. Done by constructing “pseudo-proxies”. Short-term (<20 yrs) variations about ok, but long-term variations (>100 years) severely underestimated. MBH method methodically flawed. Pseudo-reconstructions of the North Hemisphere annual temperature based on pseudo-proxies co-located with the full proxy network of MBH98. In a simulation of the last millennium with ECHO-G: black, as simulated by the model; red, as reconstructed from white noise pseudo-proxies and undetrended calibration in 1900-1980; blue, reconstructed from red noise pseudo-proxies (75\% interannual variance noise and 50\% of centennial variance noise) and undetrended calibration in 1900-1980.

Erklärung für die jüngste Klimageschichte Modellrechungen ohne anthropogene Einflüsse Beobachtungen; relativ zu 1961-1990 Mittel

Erklärung für die jüngste Klimageschichte Modellrechnungen mit anthropogenen Einflüssen Beobachtungen

“SRES” Scenarios SRES = IPCC Special Report on Emissions Scenarios Globale Szenarien => Abschätzung der Wirkung von Emissionsminderungen “SRES” Scenarios SRES = IPCC Special Report on Emissions Scenarios

Online-Atlas „Klimawandel Norddeutschland“ Darstellung unterschiedlicher Größen zum Klimawandel in Norddeutschland für die Zeiträume 2011-2040, 2041-2070 und 2071-2100. Darstellung der Differenz zu dem Kontrollzeitraum 1961-1990 Darstellung unterschiedlicher Treibhausgasszenarien (nach dem IPCC) gerechnet mit verschiedenen regionalen Modellen http://www. norddeutscher-klimaatlas.de/ 26

Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 1,7 – 4,7°C wärmer werden Mögliche kleinste Erwärmung +1,7°C Mögliche größte Erwärmung Maximale Änderung +4,7°C +4,5°C

Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 8-27 Frosttage weniger geben -weniger Frosttage Mögliche kleinste Abnahme -8 Tage Mögliche größte Abnahme Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 8-27 Frosttage weniger geben -27 Tage

Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 15-50% mehr regnen -mehr Niederschlag Mögliche kleinste Zunahme +15% Mögliche größte Zunahme Im Winter kann es Ende des Jahrhunderts 15-50% mehr regnen +45% +50%

Winter 2071-2100 -mehr Regentage Mögliche kleinste Zunahme +2 Tage Mögliche größte Zunahme Ende des Jahrhunderts kann es im Winter 2 bis 8 zusätzliche Regentage geben +8 Tage

Im Sommer kann es bis zum Ende des Jahrhunderts 2-5° wärmer werden Mögliche kleinste Erwärmung +2°C Mögliche größte Erwärmung Im Sommer kann es bis zum Ende des Jahrhunderts 2-5° wärmer werden +5°C

-weniger Niederschlag Sommer 2071-2100 -weniger Niederschlag Mögliche kleinste Abnahme -10% Mögliche größte Abnahme Im Sommer kann es Ende des Jahrhunderts 10 - 40% weniger regnen. -40% -40%

Sommer 2071-2100 -mehr Sommertage Mögliche kleinste Zunahme +5 Tage Mögliche größte Zunahme Mögliche größte Zunahme Im Sommer kann es bis zum Ende des Jahrhunderts 5-23 Sommertage mehr geben +23 Tage

Sommer 2071-2100 -es regnet seltener Mögliche kleinste Abnahme -4 Tage Mögliche größte Abnahme Im Sommer kann es Ende des Jahrhunderts 4 – 20 Regentage weniger geben. -20 Tage

Lokale Modellierung: Potentiale für Mikroskaliges Klimamanagement Gill et al.,2007

Zusammenfassung Quasirealistische Modelle sind validiert für das gegenwärtige Klima, d.h. sie beschreiben die wesentlichen, großskaligen Statistiken des derzeitigen Klimageschehens. Für Klimawandeluntersuchungen dienen quasirealistische Modelle der Detektion und Attribution von gegenwärtigem Klimawandel, der Abschätzung der Sensitivität des globalen Klimasystems gegenüber der Intensität von Emissionen, der Spezifikation von möglichen zukünftigen Anpassungsbedarfen der Erforschung des Potentials lokalen Klimamanagements

Zu diesem Thema kann man lesen: von Storch, H., S. Güss und M. Heimann, 1999: Das Klimasystem und seine Modellierung. Eine Einführung. Springer Verlag ISBN 3-540-65830-0, 255 pp von Storch, H., and G. Flöser (Eds.), 2001: Models in Environmental Research. Proceedings of the Second GKSS School on Environmental Research, Springer Verlag ISBN 3-540-67862, 254 pp. Müller, P., and H. von Storch, 2004: Computer Modelling in Atmospheric and Oceanic Sciences - Building Knowledge. Springer Verlag Berlin - Heidelberg - New York, 304pp, ISN 1437-028X

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