Klimamodellierung als wissenschaftliches

und als gesellschaftlichesProblem

Klimamodellierung als wissenschaftliches

und als gesellschaftlichesProblem

Hans von StorchInstitut für Küstenforschung,

GKSS Forschungszentrum, Geesthacht

Hans von StorchInstitut für Küstenforschung,

GKSS Forschungszentrum, Geesthacht

Prof. Dr. Hans von StorchLeitauthor des 3. Sachstandberichts des IPCC

Direktor des Institut für Küstenforschung GKSS Forschungszentrum, Geesthacht

Professor am Meteorologischen Institut der Universität Hamburg

Das „Klimaproblem“, also die Sorge vor nachteiligen Veränderungen desglobalen Klimas als Folge menschlichen Handelns, ist heutzutage fastjedermann geläufig. Technische Begriffe wie „Treibhauseffekt“ werden mit großer Selbstverständlichkeit im öffentlichen Diskurs ohne weitereErklärungsbedarf verwendet. Naturwissenschaftler erklären selbstbewusstin den Medien, in welcher Art Lebensgewohnheiten zu ändern seien, um diedrohenden, oft als katastrophal beschriebenen Änderungen zu vermeiden.

Tatsächlich wird aber der globale anthropogene Klimawandel von denMenschen nicht konkret erfahren, etwa im Gegensatz zu anderenNaturkatastrophen wie Erdbeben oder Sturmfluten. Der natürliche Klimawandel kann noch bedingt erfahren werden, etwa durch historische Belege, dass in Südengland Wein angebaut wurde oder die Alpengletscher noch vor hundert Jahren deutlich länger waren. Der anthropogene Klimawandel aber ist nicht erfahrbar. Er wird erst sichtbar durch die Brille der Klimamodelle, die die Hypothese der Klimawirksamkeit vonTreibhausgasen und Aerosolen in konkrete „Szenarien“ umsetzt. Mit diesem Wissen wird die statistische Entdeckung des globalen Klimawandels in langen weltweiten Datenreihen möglich.

Damit ist das Konzept vom anthropogenen globalen Klimawandel ein wissenschaftliches Konstrukt, das nach Überzeugung des Vortragenden sachlich zutreffend ist. Seine Ausdeutung für die Gesellschaft ist einer neuen Sorte von Priestern überlassen, deren medienwirksamste Vertreteroft genug natürliche Extremereignisse als Beweise für die drohende Katastrophe missdeuten.

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In dem Vortrag wird das Konstruktionsprinzip und das Funktionierenvon Klimamodellen erläutert. Diese Modelle sind sehr erfolgreich bei der Beschreibung großräumiger Vorgänge in Atmosphäre und Ozean,bei der Darstellung des gegenwärtigen Klimas, bei der Wettervor-hersage, der Darstellung der Wirkung von Vulkanausbrüchen und El Nino Ereignissen und, nach Ansicht des Vortragenden, bei der Abschätzung der globalen Wirkung erhöhter atmosphärischerKonzentrationen von Treibhausgasen. Auf der Negativseite steht dem gegenüber die grundsätzliche Unmöglichkeit der Verifikation, d.h. des Nachweises, dass die Modelle richtig auf bisher nicht beobachtete Einwirkungen reagieren, und das Versagen der Darstellung kleinräumiger Zustände, etwa im Hinblick auf das Land Schleswig-Holstein oder die Schweiz.

Insofern hat die Klimaforschung eine sehr solide Grundlage,repräsentiert „sound science“. Der gesellschaftlichen Umgang mit diesem mit großer Unsicherheit belasteten Wissen, ist problem-atisch. Die Unsicherheit ist nicht Ausdruck der Dummheit der Forscher sondern der Komplexität des Systems „Klima“.

Durch die hohe Relevanz für Politik und Gesellschaft wird aus dersound science schließlich postnormal science. Man sollte hoffen, dassdie aufgeklärte demokratische Gesellschaft einen Weg findet, der Risiken minimiert, ohne dabei unnötige Ängste zu schüren.

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Überblick1. Konzept der Klimamodellierung

2. Quasi-realistische Modelle („Ersatzrealität“)

3. Langzeitsimulationen

4. Simulationen von plausiblen anthropogenen Klimaänderungen („Szenarien“)

5. Ein Diskurs über die Rolle der Klimamodelle in der Öffentlichkeit

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Hesses ModellkonzeptWirklichkeit und Model haben teilweise konsistente, teilweise widersprüchliche Eigenschaften. Bei weiteren Eigenschaften ist zunächst unklar, ob sie von Wirklichkeit und Model geteilt werden.

Die konsistenten Eigenschaften sind positive Analoga.

Die widersprüchlichen Eigenschaften sind negative Analoga.

Die „unbekannte“ Eigenschaften sind neutrale Analoga.

Validierung von Modellen ist die Feststellung der positiven und negativen Analoga.

Anwendung von Modellen beruht auf der Annahme, daß neutrale Analoga tatsächlich positive Analoga sind.

Der konstruktive Teil von Modellen sind ihre neutralen Analoga.

Hesse, M.B., 1970: Models and analogies in science. University of Notre Dame Press, Notre Dame 184 pp.

Quasi-realistische ModellierungQuasi-realistische Modellierung

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Klimamodelle sind mathematische Modelle.Klimamodelle sind mathematische Modelle.

Sie nutzen fundamentale Gleichungen vom Erhalt von Masse, Impuls und Energie aus.

Dazu werden Differentialgleichungen mit Methoden der numerischen Mathematik „diskretisiert“ und auf leistungsstarken Rechnern implementiert.Die aufgrund der begrenzten räumlich/zeit-lichen Auflösung erforderlichen Schließungen kleinskaliger Prozesse wird mit halbempirischen „Parameterisierungen“ erreicht.

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Modelle sind

• • • kleiner als die Wirklichkeit (endliche Anzahl von Prozessen, verminderterPhasenraum)

• • • einfacher als die Wirklichkeit(die Beschreibung der Prozesse ist vereinfacht)

• • • abgeschlossen, die Wirklichkeit aber offen (die unendliche Anzahl von externen Einflüssen ist reduziert auf einige wenige.)

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•Nur ein beschränkter Bereich von räumlichenund zeitlichen Größen-

ordnungen wirdberücksichtigt.

•Nur ein begrenzterBereich von

Parametern wird zugelassen.

• Modelle beschreiben nur einen Teil der Wirklichkeit

• Die Auswahl dieses Teils geschieht subjektiv. Bestimmte Prozesse werden vernachlässigt.

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Man kann zeigen, dass ein Modell konsistent ist mit den bisherigen Beobachtungen, d.h. mit dem derzeit bekannten Teil des Phasenraumes.

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Modelle können nicht verifiziert werden, d.h. es kann nicht positiv bewiesen werden, daß sie aus dem richtigen Grunde eine Beobachtung reproduzieren. Der Grund für diese Grenze ist die Offenheit der Wirklichkeit.

Die Übereinstimmung von modelliertem und beobachtetem Zustand kann die Güte des Modells widerspiegeln aber auch Ergebnis eines nicht dargestellten externen Einflusses in der Wirklichkeit sein.

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Modelle als Ersatzrealität• Dynamische, prozeßbasierte Modelle, in denen möglichst viele Prozesse berücksichtigt sind.

•Ersatzlabor – schafft die Möglichkeit des Experiments und der Prüfung von Hypothesen

•Ableitung von Szenarien

•Sensitivitätsanalysen

•Dynamisch konsistente Interpretation und Extrapolation von räumlich-zeitlich unvollständigen und unsicheren Beobachtungen (“Daten Assimilation”)

•Vorhersagen von detaillierten Entwicklungen (z.B. Wettervorhersage)

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Components of the climate system. (Hasselmann, 1995)

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I f KDynamical processes in the atmosphere

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I f KDynamical processes in a global atmospheric general circulation model

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I f KDynamical processes in the ocean

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I f KDynamical processes in a global ocean model

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1973–1993ERA ECMWF

1880–2049ECHAM3/LSG

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How well are these processes represented in climate models?

Results of a survey among climate modellers Bra

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Prediction of air pressure field over North America

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forecast 3 days in advance

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Detailed parameterization

Latitude-height distribution of temperature (deg C)

Difference “black cirrus” -detailed parameterization

Difference “no cirrus” -detailed parameterization

Langzeitsimulationen: Rolle von internen Prozessen und externen Antrieben

Langzeitsimulationen: Rolle von internen Prozessen und externen Antrieben

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Free Simulation: 1000 yearsno solar variability, no changes in greenhouse gas concentrations, no orbital forcing

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1550-2000 simulation

Changing solar forcing and time variable volcanic aerosol load; greenhouse gases

1550-2000 simulation

Changing solar forcing and time variable volcanic aerosol load; greenhouse gases

Forced SimulationForced Simulation

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Baltic Sea ice winter index after Koslowski (1998)grey: Index, red: 5 year mean, blue:20 year mean

The Late Maunder Minimum (LMM) is the coldest phase of the so-called ‘Little Ice Age’ with marked climatic variability over wide parts of Europe.

Temperature conditions in Switzerland according to Pfister‘s classification.

From Luterbacher, 2001

1675-1710vs. 1550-1800

Reconstruction from historical evidence, from Luterbacher et al.

1675-1710vs. 1550-1800

Reconstruction from historical evidence, from Luterbacher et al.

Late MaunderMinimum

validation

Model-based reconstuction

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Global 1675-1710 temperature anomaly

Model as a constructive tool

variations in mean annual coral d18O

annual coral growth rate

Corals Off Madagaskar

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Ice Cores From Greenland and Antarctica

Stacked isotope record from five North-Greenland ice cores (Schwager, 2000)

Stacked isotope record from three ice cores from Dronning Maud Land, Antarctica (Graf et al., in press )

Reconstruction of solar

variability, deduced from

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(Crowley, 2000)Antarctica

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Vergleich des Temperaturanstieges seit 1850von Modellergebnissen mit Beobachtungen

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•…über Hunderte von Jahren gerechnet werden und simulieren dabei in realistischer Weise Klima. Sie erzeugen auch ohne externen Antrieb ein breites Spektrum an Variabilität.

•…reagieren vernünftig auf Änderungen externer Faktoren wie Solare Strahlung (solarer Output, Erdbahnparameter), Komposition der Erdatmosphäre (Treibhausgase, Aerosole), Physiographe (Topographie, Land-Meer-Verteilung, Vegetation)

•Das Klima zeigt Variabilität unabhängig von externen Antrieben und Störungen. („Rauch ohne Feuer“)

• Durch Vorgabe geeigneter externe Antriebe lassen sich Klimaanomalien realisieren. Ein Beispiel ist das Late MaunderMinimum.

• Die Klimaschwankungen der letzten 150 Jahre lassen sich in guter Näherung in Modelrechnungen darstellen als Summe von natürlichen und anthropogenen Faktoren, wobei die anthropogenen Faktoren in den letzten Jahrzehnten dominieren.

Modelle können …

Modellsimulationen von plausiblen anthropogenen Klimaänderungen

Modellsimulationen von plausiblen anthropogenen Klimaänderungen

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Idealized energy balance

Hypothese

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Substanzen Substanzen

ErdoberflächeAusstrahlung A = κσT 4

ErdoberflächeAusstrahlung A = κσT 4

KurzwelligeEinstrahlungKurzwelligeEinstrahlung

Langwellig Ausstrahlung

Langwellig Ausstrahlung

(1–β) E (1–α) A

β E α AE

A

Balance erfordert (1–β) E = α Α daher, bei reduzierter „Durchlässigkeit“ α α ↓ ⇒ Α ↑ ⇒ Τ ↑

Hypothese

Bisherige Entwicklung

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The most recent “SRES” set of IPCC Emissions Scenarios

The most recent “SRES” set of IPCC Emissions Scenarios

A world of rapid economic growth and rapidintroduction of new and more efficient technology.

A very heterogeneous world with an emphasison family values and local traditions.A world of “dematerialization” and intro-duction of clean technologies.

A world with an emphasis on local solutions toEconomic and environmental sustainability.

“ business as usual ” scenario (1992).

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Szenarien

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Szenarien

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Scenario A2

Scenario B2

Danmarks Meteorologiske Institut

Annual temperature changes [°C]

(2071–2100) –(1961–1990)

Szenarien

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Consistency of regional change in precipitation in different climate model scenarios.

(consistency: 7 out of 9 scenarios agree)

Szenarien

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Bergström, et al., 2001

Szenarien

Temperatur (oC)Temperatur (oC)

Niederschlag (%)Niederschlag (%)

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Quasi-realistische Klimamodelle manifestieren in mathematischer Form das physikalische Wissen über das Klima. Sie berücksichtigen ein Maximum an Prozeßbeschreibungen und stellen die wesent-lichen Aspekte des gegenwärtigen Klimas dar.

Mit Klimamodellen können Langzeitsimulationen durchgeführt werden zur Abschätzung der natürlichen (intern erzeugten) Variabilität und zur Rekonstruktion paläoklimatischer Zustände.

Klimamodelle sind geeignet, zukünftige Klima-änderungen aufgrund anthropogener Emissionen von klimawirksamen Substanzen abzuschätzen.

Zusammenfassung “Modelle”Zusammenfassung “Modelle”

Ein subjektiver Diskurs über die gesellschaftliche Rolle von Klimamodellen

Ein subjektiver Diskurs über die gesellschaftliche Rolle von Klimamodellen

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Der anthropogene Klimawandel ist einewissenschaftlich konstruierte Bedrohungund nicht eine für jedermann erfahrbare Bedrohung wie Erdbeben oder Sturmfluten

Der anthropogene Klimawandel ist einewissenschaftlich konstruierte Bedrohungund nicht eine für jedermann erfahrbare Bedrohung wie Erdbeben oder Sturmfluten

Für den lokalen Beobachter ist (zumindest bislang noch) die Unterscheidung von natürlichen Klimaschwankungen und anthropogenen andauernden Veränderungen nicht möglich. Insbesondere die Feststellung, daß Extreme ungewöhnlich geworden seien, ist mit Laienwissen nicht möglich, einerseits weil im Laienwissen die Regelmäßigkeit der Vergangenheit mental konstruiert wird und andererseits Extreme trivialerweise seltene bis sehr seltene Ereignisse sind. Die Häufung solcher Extreme ist ein in der Vergangenheit häufig beobachtetes Phänomen.

Die Vorstellung von „anthropogenem Klimawandel“ ist eine Entdeckung der Wissenschaft. Auch die Vorstellung der Schädlichkeit kommt aus der Wissen-schaft, obwohl diese die Schädlichkeit nicht quantifizieren kann.

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Wie konnte dies spezifische Umweltproblem –der globale anthropogene Klimawandel – eine derartig herausragende Bedeutung im globalen Diskurs erlangen, während andere relevante Umweltprobleme, wie etwa die allgegenwärtige Belastung mit Blei, von der Öffentlichkeit praktisch nicht zur Kenntnis genommen wird?

Spekulation:1. Anthropogene Klimaänderungen sind konsistent mit der westlichen Weltsicht.

2. Klimamodelle haben aus dem unsicheren Konzept „Global Warming“ eine objektiv bestehende Bedrohung gemacht.

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Anthropogener Klimawandel –konsistent mit der westlichen WeltsichtDie Geschichte der westlichen Welt ist voll von Wahr-nehmungen, daß der Mensch das Klima (und die Umwelt im Allgemeinen) ändern würde. Meist sind die Änderungen mit negativen Folgen verbunden. Agenten der Klimaänderungen waren z.B. Ent- und Bewaldung, Umleitung von Flüssen und Meeresströmen, Duldung der Hexerei, Blitzableiter, transatlantischer Funkbetrieb.

Insofern ist das wissenschaftliche Konstrukt von „GlobalWarming“ konsistent mit dem westlichen kulturellen Konstrukt einer menschlichen Schädigung oder gar Zerstörung der Natur.

(siehe Glacken, 1967: Traces on the Rhodian Shore,v. Storch und Stehr, 2000, nature)

Wissenschaftler beraten die Öffentlichkeit

Wissenschaftler beraten die Öffentlichkeit

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Klimamodelle haben das Konzept „GlobalWarming“ in ein Faktum umgewandelt…Klimamodelle haben das Konzept „GlobalWarming“ in ein Faktum umgewandelt…

in der öffentlichen Wahrnehmung:

1. „Klimamodelle sind objektiv und richtig“, weil sie auf Computern installiert sind, untereinander vergleichbare Resultate liefern und auf Grundsätzen der Physik beruhen.aber: Klimamodelle sind semi-empirisch und unvalidiert im Hinblick auf ihre Fähigkeit die Wirkung veränderter atmosphärischer Komposition darzustellen. Die Ähnlichkeit der Modellergebnisse ist auch Ausdruck eines sozialen Prozesses („Galilei-Filter“)

2. „Modellbasierte Szenarien sind Vorhersagen“aber: Die modellerzeugten Zahlen hängen von zahlreichen Annahmen ab, insbesondere bezüglich erwarteter Emissionen von klimarelevanten Substanzen und veränderten Land-nutzungen. Diese Annahmen („Szenarien“) sind spekulativ und im Lichte der historischen Erfahrung wenig wahrscheinlich (vgl. Holz-Krise im 18. Jahrhundert)

Klimamodelle sind ein relevanter Faktor in der nationalen und internationalen Politik geworden.

Klimamodelle sind ein relevanter Faktor in der nationalen und internationalen Politik geworden.