Models in Environmental Research, Specifically: Climate Models Institut für Küstenforschung I f K Models in Environmental Research, Specifically: Climate Models Hans von Storch Geesthacht, 21. Mai 2001
A model of sediment erosion Institut für Küstenforschung I f K A model of sediment erosion
Institut für Küstenforschung I f K
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Institut für Küstenforschung I f K ( 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 Hydraulisches Modell Sündermann und Vollmers (1972)
Institut für Küstenforschung I f K Surface currents Sündermann und Vollmers (1972)
Institut für Küstenforschung I f K Sündermann und Vollmers (1972)
TIDAL CURRENTS & SEA LEVEL 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) (z)
Institut für Küstenforschung I f K Sündermann und Vollmers (1972)
Institut für Küstenforschung APPLICATION 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 relevance of processes Example: Coriolis force
Institut für Küstenforschung I f K Surface currents Sündermann und Vollmers (1972)
Result with CORIOLIS Force Institut für Küstenforschung I f K Result with CORIOLIS Force Sündermann und Vollmers (1972) Surface current
Institut für Küstenforschung Hesse’s concept of models I f K 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. 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.
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Models as surrogate reality Institut für Küstenforschung I f K Models as surrogate reality • experimentation tool (test of hypotheses) • design of scenario • dynamically consistent interpretation and extrapolation of observations • forecast of detailed development (e.g. weather forecast) characteristics: complexity quasi-realistic mathematical/mechanistic engineering approach
Models are Institut für Küstenforschung I f K Models are • • • smaller than reality (finite number of processes) • • • 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)
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Institut für Küstenforschung I f K Dynamical processes in the atmosphere
Institut für Küstenforschung I f K Dynamical processes in a global atmospheric model
Models can not be verified because reality is open. 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. (see debate on global warming vs. solar influence)
Models can be shown to be consistent with observations. Institut für Küstenforschung I f K Models can be shown to be consistent with observations. However the technically possible representation of the (yet) unknown the (e.g. 2xCO2) is in principle questionable (but perhaps plausible)
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Institut für Küstenforschung I f K 1880–2049 ECHAM3/LSG 1973–1993 ERA ECMWF
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Institut für Küstenforschung I f K How well are these processes represented in climate models? atmosphere ocean Bray and von Storch, 1999 Results of a survey among climate modellers
Institut für Küstenforschung detailed parameterization Institut für Küstenforschung I f K Roeckner & Lohmann, 1993 Latitude-height distribution of temperature (deg C) Effect of black cirrus Difference “black cirrus” - detailed parameterization No cirrus Difference “no cirrus” - detailed parameterization
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A new set of IPCC Emissions Scenarios (SRES Scenarios ) Institut für Küstenforschung I f K 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
Institut für Küstenforschung I f K Scenario A2 Annual temperature changes [°C] (2071–2100) –(1961–1990) Scenario B2 Danmarks Meteorologiske Institut
Institut für Küstenforschung I f K Consistency of regional change in precipitation in different climate model scenarios. (consistency: 7 out of 9 scenarios agree)
Institut für Küstenforschung forecast 1 day in advance Institut für Küstenforschung I f K Prediction of air pressure field over North America observed state after 1 day
Institut für Küstenforschung forecast 3 days in advance Institut für Küstenforschung I f K observed state after 3 days
Institut für Küstenforschung forecast 10 days in advance Institut für Küstenforschung I f K observed state after 10 days
Models for reduction of complex systems Institut für Küstenforschung I f K Models for reduction of complex systems identification of significant, small subsystems and key processes often derived semi–empirically constitutes “understanding”, i.e. theory construction of hypotheses characteristics: simplicity idealisation conceptualisation fundamental science approach
Institut für Küstenforschung I f K Energy balance at the surface of Earth (W/m²)
Institut für Küstenforschung I f K Idealized energy balance
Kurzwellige Langwellige Ausstrahlung Erdoberfläche Institut für Küstenforschung I f K Kurzwellige Einstrahlung Langwellige Ausstrahlung E b E a A Substanzen (1–b) E A (1–a) A Erdoberfläche Ausstrahlung A = ksT 4 Balance erfordert (1–b) E = a A daher, bei reduzierter „Durchlässigkeit“ a a A T
Conclusions „Models“ can be very different species Institut für Küstenforschung I f K Conclusions „Models“ can be very different species The different species have different functional properties, namely understanding and detailed simulation. Quasi-realistic models are the only option for making “experiments” with the environment (incl. climate) and forecasts of unprecedented changes. Such models can hardly be verified. Their credit comes from their consistency with physical theory. For further reading, refer to: 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 and: Stehr, N., und H. von Storch, 1999: Wetter, Klima, Mensch. Beck Verlag München, ISBN 3-406-44613-2, 128 pp.