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

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 process u v P1: Coriolis effect -fv fu P2: pressure gradient P3: bottom friction can not be expressed in terms of state variables P4: diffusion needs parameterization net divergence Institut für Küstenforschung I f K bottom friction diffusion model equations complete already severely simplified system compared to the real system (e.g. vertical homogeneity)

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

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 formulation of parameterizations 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 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

Models are 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)

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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.

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. 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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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 Zusammenfassung 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 3-540-67862, 254 pp.