Das Klimasystem und seine Modellierung: Eine Einführung

261 Pages·1999·8.261 MB·German

by  Professor Dr. Hans von Storch, Dr. Stefan Güss, Dr. Martin Heimann (auth.)

Das Klimasystem und seine ModelIierung
Springer-Verlag Berlin Heidelherg GmbH
Hans von Storch· Stefan Güss . Martin Heimann
Das Klimasystem
und seine Modellierung
Eine Einführung
Mit 113 Abbildungen und 13 Tabellen
, Springer
Professor Dr. Hans von Storch
GKSS Forschungszentrum
Max-Planck-StraBe 1
D -21502 Geesthacht
e-mail: [email protected]
Dr. Stefan Guss
GKSS Forschungszentrum
Max-Planck-StraBe 1
D -21502 Geesthacht
e-mail: [email protected]
Dr. Martin Heimann
Max-Planck-Institut fur Biogeochemie
Tatzendpromenade la
D -07745 Jena
e-mail: [email protected]
ISBN 978-3-540-65830-6 ISBN 978-3-642-58528-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58528-9
Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme
Storch. Hans von: Das Klimasystem und seine Modellierung : eine EinfUhrung I Hans von
Storch ; Stefan Guss; Martin Heimann. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona;
Hongkong; London ; Mailand ; Paris; Singapur ; Tokio : Springer. 1999
ISBN 978-3-540-65830-6
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Vorwort
Mit diesem Buch geben wir einen Überblick über die Vorstellungen, die man
sich von Klima und klimarelevanten Prozessen macht, und wie diese heutzu
tage konzeptionell und quantitativ - also mit Modellen - beschrieben werden
können. Darüber hinaus soll auch eine Lücke gefüllt werden zwischen vor
handenen allgemeinen einführenden Darstellungen der Klimatologie und spe
ziellen Darstellungen der atmosphärischen und ozeanischen Physik, die ein
erhebliches Basiswissen an Mathematik, Hydro- und Thermodynamik vor
aussetzen.
Besondere Kenntnisse in Mathematik und Physik sind an manchen Stel
len für bestimmte Details nützlich, für das allgemeine Verständnis aber nicht
erforderlich, da wir generell Wert darauf gelegt haben, nicht die mathema
tische Formulierung, sondern die zugrundeliegenden Prinzipien, Annahmen
und Probleme anschaulich zu erklären.
Mit Rat, Hilfe und dem Überlassen von Abbildungen hat uns eine große
Anzahl von Kollegen unterstützt. Besonders danken möchten wir: Ulrich Cu
basch, Joachim Dippner, Matthias Dorn, Götz Flöser, Ulrich Foelsche, Beate
Gardeike, Jürgen Grieser, Marion Grunert, Charlotte Hagner, Klaus Hassel
mann, Gabriele Hegerl, Dietrich Heimann, Hauke Heyen, F. Hübner, Frank
Kauker, Frank Kwasniok, Heike Langenberg, Michael Lehning, Ute Luksch,
Ernst Meier-Reimer, Christina Mertens, Marisa Montoya, Peter Müller, Vic
tor Ocafia, Amt Pfizenmayer, Hinrich Reichardt, Erich Roeckner, Michae
la Sickmöller, Daniel Vietor, Jinsong von Storch, Susanne Waszkewitz, Ralf
Weisse, Angela Wilhelm und Eduardo Zorita. Bedanken möchten wir uns
auch bei der Betreuung durch den Springer-Verlag, insbesondere bei Herrn
W. Engel. Die Arbeit wurde finanziell unterstützt von N. und E. Güss.
Hans von Storch, Stefan Güss und Martin Heimann
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1.1 Übersicht 1
1.2 Modernes naturwissenschaftliches Klimaverständnis 4
1.3 Modelle in der Klimaforschung .......... . 5
2 Klimarelevante Prozesse 9
2.1 Energie und Strahlung 10
2.1.1 Strahlung 10
2.1.2 Wärmetransporte 15
2.1.3 Transport von Energie im Wasserkreislauf. 15
2.2 Dynamik der Atmosphäre ....... . 16
2.2.1 Erzeugung von Bewegung .... . 16
2.2.2 Vertikalstruktur der Atmosphäre 17
2.2.3 Allgemeine Zirkulation 21
2.2.4 Regionale Strukturen 28
2.2.5 Turbulenz ..... . 29
2.2.6 Aerosolpartikel ... . 31
2.2.7 Wolken und Niederschlag 33
2.3 Zirkulation des Ozeans ..... 34
2.3.1 Meeresoberflächenströmungen 35
2.3.2 Tiefenzirkulation .. 37
2.3.3 Wellen und Wirbel. 40
2.4 Spurenstoffkreisläufe 41
2.4.1 Wasserdampf. 42
2.4.2 Kohlendioxid . 43
2.4.3 Methan .... 46
2.4.4 Stickstoffverbindungen 47
2.5 Kryosphäre ........ . 47
3 Natürliche Klimavariabilität 51
3.1 Jahres- und Tagesgang .. . 52
3.2 Wetter ........... . 56
3.3 Interannuale Klimaschwankungen 61
3.3.1 ENSO-Phänomen ..... 61
3.3.2 Nordatlantische Oszillation 64
3.3.3 Temperaturentwicklung seit 1900 . 65
3.3.4 Die Frage der Sonnenflecken 66
3.4 Homogenitätsproblematik 68
3.5 Historische Klimavariationen 69
3.6 Paläoklimatologie ..... . 71
VIII Inhaltsverzeichnis
3.6.1 Vereisungen .................... 71
3.6.2 Klimarekonstruktion der Kalt- und Warmzeiten 72
3.6.3 Milankovic-Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4 Konzeptionelle Modelle 79
4.1 Klimazonen .................... 79
4.2 Ein exemplarisches Energiebilanzmodell 81
4.2.1 Vereinfachte Bilanzgleichung für Energie 81
4.2.2 Diskretisierung . . . . . . . 82
4.2.3 Schließung der Gleichung 82
4.2.4 Berechnungen: Integration 84
4.3 Physikalisch orientierte Modelle 85
4.4 Nichtlinearität und Chaos .... 88
4.5 Fluktuationen als stochastische Vorgänge 90
4.6 Wechselwirkungen verschiedener Prozesse 93
4.6.1 Gedämpftes System mit Störungen. 93
4.6.2 Wirkung von positiven Rückkopplungen. 96
5 Grundlagen von Strömungsmodellen 99
5.1 Grundgleichungen der Strömungs- und Thermodynamik. 99
5.1.1 Zustandsvariablen . . . . . . 99
5.1.2 Gesetz der Massenerhaltung 100
5.1.3 Prinzip der Energieerhaltung 101
5.1.4 Impulserhaltung . . . . . . . 102
5.1.5 Massenbilanzen für Beimengungen 102
5.1.6 Zustandsgleichungen. 103
5.1.7 Zusammenfassung . . . . . 104
5.2 Diskretisierung .......... 105
5.2.1 Räumliche Diskretisierung 105
5.2.2 Zeitliche Diskretisierung. . 107
5.3 Parametrisierung und subskalige Prozesse 108
5.3.1 Schließungsproblem . . . . . . . . . 108
5.3.2 Beispiel 1: Turbulenz . . . . . . . . 109
5.3.3 Beispiel 2: Konvektion und Wolkenbildung 110
5.3.4 Kritische Übersicht 111
5.4 Numerische Integration . . . . . . . . . . . 114
6 Realitätsnahe Modelle des Klimasystems 117
6.1 Wettervorhersagemodelle . . . . . . 117
6.2 Modelle zur Klimasimulation 124
6.2.1 Methodik von Simulationen . 124
6.2.2 Wechselwirkung von Atmosphäre und Ozean 125
6.2.3 Klimadrift und Flußkorrektur ........ 127
6.2.4 Technische Details . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.5 Modellierung von Stoffkreisläufen und Biosphäre. 129
Inhaltsverzeichnis IX
6.3 Simulationen von Klimazuständen ........ . 133
6.3.1 Kontrollsimulationen des derzeitigen Klimas 134
6.3.2 Rekonstruktion von Paläoklimaten . 141
6.3.3 Klimate anderer Planeten . . . . 145
6.3.4 Regionale und lokale Strukturen 145
6.4 Numerische Experimente mit Modellen 149
6.4.1 Zielsetzung ........... . 149
6.4.2 Wirksamkeit von Prozessen .. . 149
6.4.3 Einschwingzeit der Atmosphäre 151
6.4.4 Sensitivität gegenüber Randbedingungen 152
6.5 Anwendung zur Klimavorhersage .... 155
6.5.1 Prognosen des ENSO-Phänomens 155
6.5.2 Großskalige Ölbrände in Kuwait 156
6.6 Beurteilung der Klimamodelle . . . . . 157
7 Anthropogene Klimaänderung 163
7.1 Übersicht ................. 163
7.2 Emissions- und Konzentrations-Szenarien 164
7.2.1 Szenarien zukünftiger Emissionen 164
7.2.2 Erwartete Konzentrationen der Treibhausgase 166
7.3 Klimaszenarien realitätsnaher Modelle ........ 167
7.3.1 Transiente Szenarienrechnungen . . . . . . . . 167
7.3.2 Ergebnisse eines exemplarischen Klima-Szenarios. 168
7.3.3 Problem Kaltstart . . . . . . . . . . . . . . 173
7.3.4 2 x CO -Simulationen . . . . . . . . . . . 175
2
7.3.5 Informationswert von Szenarienrechnungen 176
7.3.6 Kritische Bewertung der Szenarien 178
7.4 Nachweis anthropogener Klimabeeinflussung 180
7.4.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.4.2 Natürliche Variabilität ........ 182
7.4.3 Gewichtungsmuster und Nachweisvariable . 184
7.4.4 Nachweis . . . . . . . . . 186
7.4.5 Beurteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.5 Lokale und regionale Szenarien ......... 188
7.5.1 Hochaufgelöste Zeitscheibenexperimente . 188
7.5.2 Regionalmodelle . . 191
7.5.3 Empirische Modelle 197
7.5.4 Implikationen 200
8 Klima und Gesellschaft 203
8.1 Übersicht ......................... 203
8.2 Historischer Überblick: gesellschaftliche Vorstellungen
zum Einfluß von Klima. . 204
8.3 Klimafolgenforschung . . . 207
8.3.1 Grundproblematik . 207
x
8.3.2 Direkt beeinHußte Systeme . . . . 208
8.3.3 Indirekt beeinflußte Systeme . . . 212
8.4 Ökonomische Aspekte des Klimawandels 213
8.4.1 Klimaänderung als Kostenfaktor . 213
8.4.2 Ein zeitabhängiges Sechs-Komponenten-Modell . 214
8.4.3 Beurteilung . . . . . . . . 220
8.4.4 Übersicht Klimapolitik . 222
8.5 Vorstellungen von Klimawandel 223
8.5.1 Problemstellung . . . . . 223
8.5.2 Natürliche Variabilität versus Kausalitätsdenken 225
8.5.3 Die Kempton-Studie ........ 226
8.5.4 Soziale Interpretationsmechanismen . . . . . . . 227
9 Resume 231
10 Anhang 233
11 Literatur 239
Stichwortverzeichnis 248
1 Einführung
1.1
Übersicht
Seit Ende der 60er Jahre nehmen Umwelt probleme einen zunehmend breite
ren Raum im öffentlichen Interesse und bei politischen oder verwaltungstech
nischen Entscheidungen ein. Sei es die Ausbreitung von Schadstoffemissionen,
sei es eine Gefährdungsabschätzung von Altlasten, immer sind quantitative
Aussagen über komplexe Prozesse gefragt. Hierfür werden zunehmend nume
rische Simulationsmodelle herangezogen.
Zum einen konnte in den letzten Jahrzehnten ein großes Maß an wissen
schaftlichem Verständnis für vielerlei Prozesse zusammengetragen werden,
zum anderen hat sich die Computertechnik beträchtlich weiterentwickelt.
Dies ermöglicht nun, Wissen über einzelne Prozesse quantitativ zu formu
lieren und diese in einem Computermodell zu kombinieren.
Mit zu den erfolgreichsten Simulationsmodellen gehören die Wettervorher
sagemodelle. Die ursprüngliche Form der Wettervorhersage basierte auf einer
umfangreichen Sichtung von Kartenmaterial des aktuellen Wetterzustands.
Darauf aufbauend wurde mit Hilfe von "Regeln", die aus Erfahrungswerten
von vielen vergangenen Wetterentwicklungen abgeleitet wurden, eine Vorher
sage verbal und in Kartenform erstellt. Der Unterstützung durch die Simulati
onsmodelle ist es zu verdanken, daß die Prognosegüte von Wettervorhersagen
in den letzten Jahrzehnten stetig zugenommen hat.
Die derzeitige Sorge um mögliche zukünftige Klimaänderungen als Folge
der mit dem menschlichen Wirtschaften verbundenen Emission von Kohlen
dioxid und anderer Treibhausgase in die Atmosphäre unterscheidet sich aber
grundlegend vom Problem, das Wetter der nächsten Tage vorherzusagen.
Die antizipierte Klimaänderung zeichnet sich durch ihren globalen und
langzeitlichen Charakter aus. Die Wirkung ist nicht auf wenige Regionen be
schränkt; vielmehr wird erwartet, daß alle Regionen der Welt in irgendeiner
Weise betroffen sein werden - sei es durch veränderte Temperaturen und
Niederschlagsmuster (und deren Folgen etwa für natürliche oder bewirtschaf
tete Ökosysteme, für die Wasserwirtschaft, für den Wärme- oder Kältestreß
von Mensch und Kreatur) - sei es durch einen erhöhten Meeresspiegel. Die
se Änderungen werden langzeitlicher Art sein, d.h., sie werden langsam im
Verlauf von einigen Jahrzehnten eintreten, aber auch nur langsam wieder
zurückgehen, wenn die anthropogenen Emissionen vermindert werden.
Die Erwartung eines möglicherweise tiefgreifenden anthropogenen Klima
wandels beruht auf drei wissenschaftlichen Argumenten, die im Verlauf des
Buchs noch detailliert behandelt werden: