Perspektiven klimatologischen Denkens - Workshop: Klimatologische Konzepte im Wandel -
Martin Claußen
Max-Planck-Institut für Meteorologie & CEN, Universität Hamburg
Nationale Akademie der Wissenschaften, Leopoldina
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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)
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Julius von Hann, Handbuch der Klimatologie (1883)
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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)
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„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)
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1. Wie wird Klima definiert?
2. Wie wird Klima modelliert?
3. Wozu werden Klimamodelle genutzt?
Überblick
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Ein Modell beschreibt die Natur
mit ad hoc vorgegebener,
am Untersuchungsziel orientierter
Reduktion der Komplexität des Originals.
(frei nach Stachowiak, 1973)
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Aristoteles (384 – 322 v.Chr.)
Gedankenmodelle, Konzeptmodelle
Abb. aus Hoeppe, 1999
Aristoteles, Meteorologie
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Physikalische Labormodelle
Entwurf: Eisenack; Anfertigung: Werkstatt MPI-M/UniHH
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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)
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Stark vereinfachende mathematisch-physikalische Modelle
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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
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Richardson‘s Forecast Factory (Lewis Fry Richardson, 1922)
Drawing by Stephen Conlin (maths.ucd.ie/~hendrik/rfff.html)
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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 …
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1. Wie wird Klima definiert?
2. Wie wird Klima modelliert?
3. Wozu werden Klimamodelle genutzt?
Überblick
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Klimavorhersagen:
IPCC AR5, 2014, Fig. 12.5
“Projektionen” Bedingte Klimavorhersagen
basierend auf Szenarien
Klimavorhersage wie Wettervorhersage? (zur Zeit in der Erforschung)
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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
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„Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen.“
Max Planck
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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
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Beispiel: Wie verändert sich das Klima, wenn sich die Erde andersherum dreht?
Mikolajewicz et al., ESD 2018
heute „retrograd“
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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.
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