2 Grundlagen der Klimamodellierung und Bewertung Stephanie Hänsel, Christoph Brendel, Michael Haller, Stefan Krähenmann, Monika Rauthe, Kelly Stanley, Andreas Walter (Deutscher Wetterdienst) 2.1 Globale und regionale Klimamodelle Globale Klima- und Erdsystemmodelle: Für die Simulation des zukünftig zu erwartenden Klimas werden vorwiegend globale und regionale Klimamodelle eingesetzt. Bei diesen Modellen handelt es sich um Zirku- lationsmodelle, die unter Verwendung physikalischer Gleichungen und Annahmen über die zukünftige Ent- wicklung der Treibhausgaskonzentration Projektionen des zukünftigen Klimas liefern. Aktuelle globale Klimamodelle (GCMs) setzen sich aus einem allgemeinen Zirkulationsmodell für die Atmosphäre und den Ozean und zusätzlichen Modellen für weitere Komponenten des Klimasystems zusammen (Roeckner 2003). In diesen sind etliche Komponenten des Klimasystems, wie die Atmosphäre, der Ozean, die Kryo- sphäre und die Landoberfläche, durch den Austausch von Energie, Impuls und Masse (z. B. Wasser, Aero- sol, Kohlendioxid (CO2), etc.) miteinander gekoppelt. Diese als Erdsystemmodelle (ESMs) bezeichneten GCMs wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten zunehmend komplexer. So ist die neueste Version des MPI-ESM (ESM des Max-Planck-Instituts für Meteorologie) dank eines gekoppelten Kohlenstoffkreis- laufs in der Lage, auch Rückkopplungen des Klimawandels auf den Kohlenstoffkreislaufs selbst darzustellen (Stevens et al. 2013). Durch diese Erweiterungen wurden einige mit den Annahmen zu den Randbedingun- gen des Klimasystems zusammenhängende Unsicherheiten in langjährigen Klimaprojektionen verringert. Dennoch werden einige bedeutende Prozesse, unter anderem die postglaziale Landhebung oder das Ab- schmelzen der arktischen und antarktischen Eisschilde, die zum Meeresspiegelanstieg beitragen, in diesen Modellen noch nicht berücksichtigt. Klimaprojektionsläufe: Anders als in Wettervorhersagemodellen startet der Klimaprojektionslauf nicht mit dem aktuellen Zustand des Klimasystems, sondern mit einem Gleichgewichtszustand des Klimasystems, welches durch anthropogene Einflussnahme gestört wird. Die räumliche und zeitliche Entwicklung prog- nostischer Variablen wie etwa der Temperatur, der Windvektoren, der Dichte und des Luftdrucks in der Atmosphäre oder der Strömungsgeschwindigkeiten und des Salzgehalts des Ozeans, werden nach dem Start eines Klimamodelllaufs durch die numerische Lösung relevanter physikalischer Gleichungen in kleinen (in- finitesimalen) Schritten für zukünftige Zeitpunkte berechnet. Diese Gleichungen repräsentieren die funda- mentalen Erhaltungssätze von Energie, Impuls und Masse. Die Größen zur Beschreibung des Zustandes der Atmosphäre oder des Ozeans werden an zuvor definierten Punkten innerhalb eines dreidimensionalen Gitters berechnet. Der horizontale Abstand dieser Gitterpunkte bestimmt die horizontale Auflösung und beträgt auch in aktuellen Erdsystemmodellen zwischen 100 km und 300 km. Zudem können die Ozean- und die Atmosphärenkomponente eines ESM in unterschiedlichen Gitterweiten rechnen (horizontal sowie vertikal). Vertikal reichen die Schichten der atmosphärischen Komponente eines ESM im Allgemeinen bis in die Mesosphäre (ca. 80 km Höhe), wobei der Abstand dieser Schichten zueinander zur Erdoberfläche hin abnimmt. Die vertikale Auflösung nimmt auch in der Ozeankomponente eines Modells mit der Entfernung von der Oberfläche ab. Parametrisierung: Eine Reihe wichtiger ozeanischer und atmosphärischer Prozesse, die durch das zu grob- maschige Modellgitter der ESMs nicht explizit dargestellt werden können, müssen parametrisiert werden. Man spricht in diesem Fall auch von sub-skaligen Prozessen. Dies betrifft beispielsweise den Transfer sola- rer und terrestrischer Strahlung, die Phasenänderung des Wassers, die Niederschlagsbildung sowie turbu- lente und konvektive Austauschprozesse in der Atmosphäre und im Ozean. Die Parametrisierung eines physikalischen Prozesses stellt eine wesentliche Vereinfachung der Realität dar und führt zu einem Infor- mationsverlust, der für einige Fragestellungen erhebliche Auswirkungen haben kann.