Einführung in die Klimamodellierung André Paul

Land Vegetation Ozean Atmosphäre Eis Apollo 17, 7. Dezember 1972 2

Klimamodellierung Klimasystem Konzeptionelles Modell auf der Grundlage der Abbildung 1-5 (unten) von Ruddiman (2001) 3

Warum Modellierung? Ohne Beobachtungen werden Theorien schnell irrelevant. Ohne Theorie sind Beobachtungen nicht interpretierbar. Henning Rodhe (2000), Carl Wunsch (2007)

Warum Modellierung? Das Erdsystem kann in quantitativer Weise untersucht werden, weil sich seine Eigenschaften in Zahlen fassen lassen Quantitatives theoretisches Verständnis erwächst aus der Simulation eines Systems oder von Teilen eines Systems und numerischem Experimentieren mit dem simulierten System Beispiel: Globaler Wandel (“global change”) Simulationsexperimente können Atworten auf Fragen geben wie: Was ist die Auswirkung dieser Eigenschaft? Was würde in jener Situation passieren? Simulation gibt Beobachtungen einen Sinn, weil sie zeigt, wie sie zusammen hängen können. Walker (1991)

Ziele der Klimamodellierung Verstehen vergangener Klimazustände Formulieren und Testen von Hypothesen Untersuchen der Antwort des Klimasystems auf eine äußere Anfachung, Anregung oder Störung Verstehen von Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen Komponenten des Klimasystems 6

Welche Arten von Modellen gibt es? Es gibt konzeptionelle Modelle, mathematische Modelle analytische oder numerische prozessorientierte Modelle realistische Modelle

Beispiel für ein dreidimensionales Ozeanmodell Massachusetts Institute of Technology general circulation model (MITgcm: http://mitgcm.org) mit “cubed-sphere grid system”: 32x32 Gitterpunkte x 6 Seiten, 15 Tiefenniveaus

Gitterzellen in einem dreidimensionalen Ozeanmodell [Abbildung 3-30 aus Ruddiman (2001)]

Programm „Paläozeanographische Modellierung“ Durchführung von Experimenten mit einem zweidimensionalen Klimamodell (CLISIM) Installation auf einem Notebook Erstes kurzes Experiment (200 Modelljahre) Langes Experiment mit CLISIM (4000 Modelljahre) Wie lange benötigt das Klimamodell, um in ein Gleichgewicht zu kommen? CLISIM: Sensitivitätsexperimente (je 2000 Modelljahre) Welche Rolle spielen die atmosphärische CO2-Konzentration und die Lage der Westwindzone auf der Südhalbkugel für die Wassermassenverteilung und die Meridionalzirkulation im Atlantischen Ozean? Analyse von Experimenten mit einem dreidimensionalen Kilmamodell Zusätzlich: Wie wirken sich Änderungen in der großräumigen Zirkulation auf die Verteilung von Nährsalzen und Kohlenstoff im Meer und die Lage der CCD aus?

Werkzeuge MATLAB (und Fortran) für die numerische Simulationen MATLAB und Panoply für die Analyse und graphische Darestellung der Ergebnisse

MATLAB MATLAB is eine Programmiersprache für technisch-wissenschaftliches Rechnen Berechnung, Visualisierung und Programmierung in einer einzigen, einfach zu bedienenden Umgebung Aufgaben und ihre Lösung in gewohnter mathematischer Schreibweise

Panoply Website: Geeignet für http://www.giss.nasa.gov/tools/panoply Anzeige des Inhalts einer Datei im NetCDF-Format horizontale Karten und vertikale Schnitte Vektordarstellung (Wind, Strömungen) Anomalien

Stromfunktion/Sv der meridionalen Umwälzbewegung im Atlantischen Ozean im dreidimensionalen Klimamodell UVic ESCM

Meeresoberflächentemperatur/°C im Südtlantischen Ozean im im dreidimensionalen Klimamodell UVic ESCM

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB Klimasystem Konzeptionelles Modell auf der Grundlage der Abbildung 1-5 (unten) von Ruddiman (2001)

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB Komponenten Eis, Landoberfläche und Vegetation vernachlässigt, Atmosphäre stark vereinfacht Modellgebiet: Atlantischer Ozean von 76°S bis 76°N, Ost-West-Ausdehnung 70°, flacher Boden in 4000 m Tiefe Beschränkung auf zweidimensionale Bewegungsvorgänge in Nord-Süd-Richtung und vertikaler Richtung

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB Atmosphäre: vorgeschrieben oder Einschichtenmodell Ozean: Mehrschichtenmodell Ozean wird in 25 Schichten zerlegt, über die vertikal integriert wird. Durch numerische Integration des so erhaltenen Gleichungssystems erhält man Mittelwerte für jede Schicht.

CLISIM: ein einfaches Klimamodell in MATLAB Randbedingungen: an der Meeresoberfläche vorgebene Temperatur- und Süßwasserflussfelder (für den Wasserumsatz zwischen Ozean und Atmosphäre, dass heißt den Unterschied zwischen Niederschlag und Vedunstung) Die oberflächennahe Lufttemperatur wird entweder fest vorgeschrieben (als “Referenztemperatur” oder “restoring temperature”) oder mit einfachen Modell für den Wärmehaushalt der Atmosphäre (“energy balance model”, EBM) berechnet. Einfluss des Windes: Vorgabe der zonalen (Ost-West-) Komponente der tangentialen Windschubspannung an der Meeresoberfläche