Perspektiven klimatologischen Denkens - Workshop: Klimatologische Konzepte im Wandel -

Martin Claußen

Max-Planck-Institut für Meteorologie & CEN, Universität Hamburg

Nationale Akademie der Wissenschaften, Leopoldina

2

1. Wie wird Klima definiert?

2. Wie wird Klima modelliert?

3. Wozu werden Klimamodelle genutzt?

Überblick

3 Milutin Milankovitch (1930)

4 Alexander von Humboldt, Kosmos (1845)

5 Alexander von Humboldt (1817): Des lignes isothermes (Über die gleichwarmen Linien)

6

Julius von Hann, Handbuch der Klimatologie (1883)

7

Hantel, Kraus, Schönwiese (1987):

Klima ist das statistische Verhalten der Atmosphäre …

World Meteorological Organisation (1979):

Klima ist die Synthese des Wetters über ein Zeitintervall,

das im Wesentlichen lang genug ist, um die Festlegung

der statistischen Ensemble-Charakteristika zu ermöglichen …

8 Alexander von Humboldt, Kosmos (1845)

9

„Klima im weiteren Sinne“:

Claussen (2003)

10 Köppen: Geographische Zeitschrift (1900)

nach de Candolle (1874)

Köppen: Die Klimate der Erde, 1923

Köppen: Das geographische System der Klimate (1936)

11 Köppen, W., Petermanns Geogr. Mitteilungen (1918)

12

1. Wie wird Klima definiert?

2. Wie wird Klima modelliert?

3. Wozu werden Klimamodelle genutzt?

Überblick

13

Ein Modell beschreibt die Natur

mit ad hoc vorgegebener,

am Untersuchungsziel orientierter

Reduktion der Komplexität des Originals.

(frei nach Stachowiak, 1973)

14

Aristoteles (384 – 322 v.Chr.)

Gedankenmodelle, Konzeptmodelle

Abb. aus Hoeppe, 1999

Aristoteles, Meteorologie

15

Physikalische Labormodelle

Entwurf: Eisenack; Anfertigung: Werkstatt MPI-M/UniHH

16

z.B.: Bewegung der Atmosphäre:

Mathematisch-physikalische Modelle

• Klimamodelle liefern Vorhersagen, sie sind keine „Datenverarbeitungsmaschinen“.

• (Modelle können auch Daten assimilieren, diese Modelle dienen dann nicht als

Vorhersageinstrument.)

Isaac Newton (1642 – 1727)

Ludwig Boltzmann (1844 – 1906)

Joseph Fourier (1768 – 1830)

17

Stark vereinfachende mathematisch-physikalische Modelle

18

Mathematisch-physikalische Modelle

Modellkette des DWD

(Deutscher Wetterdienst)

~ 1.3 Millionen

Dreiecke

Dx = 30 km

Dx = 2.8 km

Dx = 7 km

Aus Differentialgleichungen werden

Differenzengleichungen:

T T

-ut x

1

1 1 2

n n n n

i i i iT T T T-ut x

D D

19

Richardson‘s Forecast Factory (Lewis Fry Richardson, 1922)

Drawing by Stephen Conlin (maths.ucd.ie/~hendrik/rfff.html)

20

https://www.dkrz.de/Klimarechner/hpc HLRE-3 "Mistral"

Höchstleistungsrechner für Klimasimulationen

3,6 PetaFLOPS = 3.600.000.000.000.000 mathematische Operationen pro Sekunde

Claussen benötigt 4 Milliarden Jahre, um 1 Sekunde von Mistral zu berechnen,

oder: 4 Milliarden Claussens erledigen das in einem Jahr …

21

1. Wie wird Klima definiert?

2. Wie wird Klima modelliert?

3. Wozu werden Klimamodelle genutzt?

Überblick

22

Klimavorhersagen:

IPCC AR5, 2014, Fig. 12.5

“Projektionen” Bedingte Klimavorhersagen

basierend auf Szenarien

Klimavorhersage wie Wettervorhersage? (zur Zeit in der Erforschung)

23

Warum wissen wir, dass der Mensch das Klima beeinflusst?

1. Beobachtung: Das Klimasystem akkumuliert Wärme.

IPCC AR5, 2013, Box 3.1, Fig. 1

2. Die Wirkung der Klimaantriebsänderungen ist klar.

IPCC AR5, 2013, Fig. SPM.5

24

„Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen.“

Max Planck

25

heute „retrograd"

26 Köppen: Die Klimate der Erde, 1923

Beispiel: Wie verändert sich das Klima, wenn sich die Erde andersherum dreht?

Mikolajewicz et al., ESD 2018

27

Beispiel: Wie verändert sich das Klima, wenn sich die Erde andersherum dreht?

Mikolajewicz et al., ESD 2018

heute „retrograd“

28

Beispiel: Simulation der Klimavergangenheit

Zusammenfassung

1. Die moderne Klimaforschung definiert Klima im weiteren Sinne als das statistische

Verhalten des Klimasystems, im „weitesten Sinne“ wird auch der Mensch mit in die

Definition einbezogen. „Der Ausdruck Klima bezeichnet in seinem allgemeinsten

Sinn alle Veränderungen in der Atmosphäre, die unsere Organe merklich

afficieren…“ (A.v.H.)

2. Die Klimaforschung nutzt ein Spektrum von mathematisch-physikalischen Modellen

verschiedener Komplexität von einfachen, quasi konzeptionellen Klimamodellen

bis hin zu hochkomplexen numerischen Klimasystemmodellen.

3. „Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen“ (Max Planck).

Klimasystemmodelle werden vor allem zum Verständnis des sich ändernden Klimas

unserer Erde genutzt, und letztlich auch zur Erkundung möglicher, künftiger

Klimaentwicklungen.