Klimamodelle werden besser

Um die Erderwärmung abschätzen zu können, braucht es genaue Computervorhersagen. Neue Algorithmen und bessere Daten sollen helfen – und brachiale Rechenpower.

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  • James Temple

Noch vor wenigen Jahren galt es als Allgemeinplatz, dass es wissenschaftlich unmöglich ist, einzelne extreme Wetterereignisse dem Klimawandel zuzuschreiben.

Allerdings ändert sich diese Einstellung mehr und mehr. Meteorologen und Klimaforscher gehen mittlerweile zunehmend davon aus, dass die Wahrscheinlichkeit relativ hoch ist, dass menschliches Handeln für bestimmte extreme Dürreperioden oder schwere Stürme mitverantwortlich war – oder sie zumindest verschlimmert hat.

Einer der Gründe dafür, dass sich die Wissenschaftler soweit vorwagen, ist die Tatsache, dass Klimamodelle immer besser werden. Es gibt genauere Algorithmen, mehr und tiefergehende Datenquellen sowie schlicht leistungsfähigere Rechner. Letztere erlauben neue Experimente und das Laufenlassen von vielen Modellen gleichzeitig.

Klimamodelle sind komplexe Computersimulationen, die vorhersagen, wie der Planet auf verschiedene Einflüsse reagiert – etwa die Zunahme von Kohlendioxid in der Luft. Sie brechen die Ozeane, das Land und die Atmosphäre in dreidimensionale Kästchen herunter und berechnen, wie sich veränderte Bedingungen über Zeit und Fläche auswirken.

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Dabei hilft mehr Rechenpower. 1990 waren die einzelnen Einheiten der Standardsimulationen 500 Quadratkilometer groß, also nicht sehr genau. Heutige hochauflösende Modelle sind da wesentlich weiter, so bilden etwa das E3SM des US-Energieministeriums, das MRI in Japan oder das FGOALS in China unter 25 Quadratkilometer ab. Die Auflösung ist für bestimmte Anwendung, etwa die Modellierung von tropischen Wirbelstürmen, sogar noch höher.

Hinzu kommt, dass sich frühe Klimamodelle in den Sechzigerjahren auf die Atmosphäre konzentriert haben, nun aber Landflächen, Seeeis, Aerosole, der Kohlenstoffzyklus, die Vegetation und die Atmosphärenchemie einberechnet werden. In jüngerer Zeit kamen auch noch die Änderungen im menschlichen Verhalten hinzu, die der Klimawandel bewirkt, etwa Migration und Entwaldung.

Andere Modellverbesserungen kommen aus dem 30-jährigen Forschungsvorhaben World Climate Research Programme. Hier sorgt das Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) dafür, dass spezifische Experimente mit standardisierten Eingabeparametern wiederholt werden und die Ergebnisse dann an die Forschungsöffentlichkeit gegeben werden. Die dabei entstehenden Petabytes an Informationen erlauben wissenschaftliche Forschungen in verschiedensten Bereichen, ohne dass die Untersuchenden Zugriff auf einen Supercomputer benötigen würden.

Die gewaltigen Datenmengen haben es außerdem möglich gemacht, dass Forscher die Ergebnisse verschiedener Modelle miteinander vergleichen können – und diese wiederum mit den Echtdaten aus der realen Welt. Dies zeigt auf, welche der Modelle wirklich gut funktionieren und welche Probleme manchmal in ihnen stecken – und in den Beobachtungen, die der Mensch macht. Institutionen könnten so außerdem neue Hypothesen testen, Modelle genauer machen und ihr Verständnis natürlicher Prozesse vertiefen, wie Noah Diffenbaugh, Professor für Erdsysteme an der Stanford University, erklärt.

Sein Kollege Kerry Emanuel, Wirbelsturmexperte am Massachusetts Institute of Technology (MIT), nutzte öffentliche Daten aus sieben Modellen, um eine spezifische Hurrikan-Simulation zehntausende Male ablaufen zu lassen. Daraus wurde ermittelt, ob es ein Großsturmereignis wie Harvey in Texas in absehbarer Zeit noch einmal geben könnte.

Emanuel untersuchte dazu zwei 20 Jahre lange Perioden in Verbindung mit einer Anzahl von Szenarien beim Klimagasausstoß. Dabei kam heraus, dass ein Ereignis, das bislang nur einmal alle 100 Jahre auftrat, zum Ende dieses Jahrhunderts einmal alle 5,5 Jahre erfolgen könnte.

Verbesserungspotenzial haben die aktuellen Klimamodelle aber immer noch. Selbst eine Auflösung von 25 Quadratkilometern ist noch viel zu groß, um kleinteilige Prozesse wie das Verhalten einzelner Wolken zu erfassen. Den Forschern ist bewusst, dass sie komplexe natürliche Prozesse kaum perfekt abbilden können.

Aus diesem Grund sprechen sie stets von "Klimawandelszenarien" und Ereignisse in der realen Welt können immer noch außerhalb der Simulationsmöglichkeiten auftreten. "Es gibt immer noch viele Unsicherheiten bei den Projektionen – und das stört uns alle sehr", meint Wirbelsturmforscher Emanuel von MIT.

(bsc)