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Lexikon der Geographie: Klimamodelle

Klimamodelle, Modelle sehr unterschiedlicher Komplexität zur Darstellung und Prognose (numerische Prognose) des Klimas und seiner Entwicklung auf der Erde. Unter Klima versteht man den mittleren thermohydrodynamischen Zustand vorwiegend der Atmosphäre (u.a. Temperatur, Feuchte, Wind, Bewölkung) für Zeiträume von mindestens einer Jahreszeit bis zu mehreren Tausend Jahren. Klimaschwankungen über noch längere Zeiträume können mit geologischen Methoden rekonstruiert werden, sind aber i.A. nicht Gegenstand der Klimamodellierung. Die komplexesten Klimamodelle sind dreidimensionale, gekoppelte, zeitabhängige numerische Modelle der allgemeinen mittleren Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans (Zirkulationsmodelle im Klimamodus). Auf diese Klimamodelle stützen sich Abschätzungen der Klimabeeinflussung durch den Menschen infolge von Landnutzungsänderungen, Verbrennung fossiler Energieträger und Emission von Spurengasen. Hierbei werden Zirkulationsmodelle mit gleicher physikalischer Struktur wie Wettervorhersagemodelle eingesetzt. Die horizontale Auflösung beträgt ca. 300×300 km und es werden die wichtigsten Prozesse (Strahlungstransporte, Bewegungsvorgänge und damit verbundene Energietransporte, turbulente Austauschvorgänge an der Erdoberfläche, im Wasser und in der Luft, Oberflächenwechselwirkungen) berücksichtigt. Mit Rechenzeitschritten von ca. 30 min und Simulationszeiten von mehreren 1000 Jahren (Ozeanmodell) erfordert die Klimamodellierung den Einsatz der weltweit leistungsfähigsten Rechneranlagen. Die unterschiedliche räumliche Ausdehnung und zeitliche Andauer ozeanischer und atmosphärischer Bewegungsformen stellt ein Kernproblem gekoppelter Simulationen dar. Neben dem beschriebenen Typ des Klimamodells werden null-, ein- und zweidimensionale Klimamodelle, dreidimensionale atmosphärische Zirkulationsmodelle, regionale Klimamodelle und statistische Klimamodelle in der Klimaforschung eingesetzt. Energiebilanzmodelle sind nulldimensional (ohne räumliche Differenzierung) und stellen die Mitteltemperatur der Erdoberfläche (in erweiterter Form auch in Abhängigkeit von der geographischen Breite) als Funktion der solaren Einstrahlung, mittlerer atmosphärischer Eigenschaften wie Wolkenbedeckungsgrad und der Erdoberflächeneigenschaften wie der Albedo dar. Sie sind nur für konzeptionelle Untersuchungen geeignet und finden Anwendung bei Klimauntersuchungen über Zeiträume von mehreren 1000 Jahren (Stabilität der Inlandeisschilde, Änderungen der Biosphäre). Ein- und zweidimensionale Strahlungs-Konvektions-Modelle berücksichtigen den Vertikalaufbau der Atmosphäre bzw. zusätzlich die Breitenabhängigkeit der Klimavariablen im zonalen Mittel. Regionale Klimamodelle werden mit höherer räumlicher Auflösung als globale Klimamodelle für Teilgebiete der Erde eingesetzt, um die Auswirkungen globaler Änderungen unter regional genauer definierten Randbedingungen (Orographie, Landnutzungsformen) zu beurteilen. Statistische Klimamodelle sind empirisch basierte Modelle, die die Rekonstruktion des Klimas (Mittelwerte, Trends, Fluktuationen und andere statistische Maßzahlen) aus allen verfügbaren Daten zum Ziel haben.

CK

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Grafik:
Mathias Niemeyer (Leitung)
Ulrike Lohoff-Erlenbach
Stephan Meyer

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