Neue Modelle zur Erfassung des Erdklimas im Kilometermaßstab
Der Klimaforschung fehlten bisher die richtigen Instrumente, um herauszufinden, welche Wetterereignisse wann, wo und wie oft auftreten werden. Die Technologie war schlichtweg nicht ausreichend leistungsfähig, um diese Komplexität zu bewältigen. „Der entscheidende Durchbruch besteht darin, dass die neuen Modelle nun die Lücke zwischen den Wettermustern auf Planetenebene, auf die sich die traditionellen Klimamodelle konzentrieren, und den Bewegungen auf kleinerer Ebene, die diese Muster hervorrufen, schließen können“, erklärt Bjorn Stevens, Koordinator des EU-finanzierten Projekts NextGEMS(öffnet in neuem Fenster). „Im Gegensatz zu älteren Modellen, die sich stark auf empirische Näherungen stützen, bieten die physikalischen Gesetze der Thermodynamik und der Fluiddynamik eine bessere Grundlage für diese neuen Simulationen. Dieser Sprung wird durch massive Fortschritte bei der Rechenleistung ermöglicht, die teilweise durch die wachsenden Anforderungen der KI vorangetrieben werden.“
Von globalen Mustern hin zu lokalen Auswirkungen
So ist es jetzt beispielsweise möglich, lokale Windmuster und Meeresströmungen zu nachzubilden, die für die Aufrechterhaltung vieler natürlicher Systeme der Erde eine Rolle spielen. In ähnlicher Weise können wir Regenstürme, einschließlich tropischer Wirbelstürme, simulieren, deren Auswirkungen bisher entweder ignoriert oder statistisch behandelt wurden. Diese Stürme haben tiefgreifende gesellschaftliche Auswirkungen: Sie können Überschwemmungen verursachen, die Infrastruktur beschädigen und Leben gefährden. Ein weiterer Durchbruch zeigt sich in der Möglichkeit, Ozeanwirbel in die Simulationen einzubeziehen. „Diese wirbelnden Zirkulationssysteme tragen dazu bei, den Energiehaushalt des Planeten auszugleichen und sie beeinflussen die Struktur des globalen Ozeans. Zudem stehen sie in Wechselwirkung mit Eisschilden – ein für das Verständnis der Meeresspiegeländerungen bedeutender Prozess“, erläutert Stevens. Neben diesen großräumigen Phänomenen können die neuen Modelle nun auch immer kleinere, lokal begrenzte Effekte berücksichtigen, darunter: Mikroklimata, die durch eine komplexe Topografie entstehen, Windsysteme im Zusammenhang mit Feuerwetter sowie die kühlende Wirkung von Meeresbrisen an Küsten.
Fortschrittliche Erkenntnisse zum Verhalten von Niederschlag und Wolken
NextGEMS entwickelte zwei fortschrittliche Sturmvorhersage-Modelle, die von Destination Earth wissenschaftlich und operationell genutzt werden. Eine von diesen basiert auf dem Modellierungsrahmen ICON, die andere auf dem integrierten Vorhersagesystem des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage. Diese Modelle weisen einen beeindruckenden Gitterabstand von bis zu einem Kilometer auf. Die neuen Modelle besitzen weitere bahnbrechende Vorteile: „Sie können leichter mit Messungen der realen Welt verglichen werden, insbesondere mit den Daten des neuesten Erdbeobachtungssatelliten mit dem Namen Earth Explorer“, betont Stevens. Dadurch lassen sie sich einfacher bewerten und verbessern, und stellen hoffentlich auch das Klima physikalisch genauer dar. Dank der Rechenleistung von EURO HPC konnten diese Modelle dazu verwendet werden, eine Vielzahl wissenschaftlicher Fragen zu untersuchen: Wie werden tropische Niederschlagsmuster gesteuert? Wie bilden und organisieren sich Wolken? Wie reagiert das Klima auf Erwärmung und Aerosole? Und wie wirken sich Veränderungen der Landnutzung auf den Niederschlag aus? Zu den wichtigsten Entdeckungen zählen: die Rolle des Energieaustauschs zwischen Luft und Meer bei der Entstehung tropischer Niederschläge; eine Rückkopplungsschleife zwischen Niederschlag und Bodenfeuchtigkeit; die Frage, wie die vertikale Durchmischung unter stabilen Bedingungen die Wolkenverteilung beeinflusst; und die Rolle von Ozeanwirbeln bei der Regulierung der räumlichen Muster der globalen Erwärmung.
Synergie zwischen hochauflösenden und vereinfachten Modellen
Die neuen Modelle liefern mehr physikalische Vorhersagen über die Klimaveränderungen der nächsten Jahrzehnte. Für längere Zeiträume – Jahrhunderte oder Jahrtausende – bleiben jedoch die älteren, eher statistischen Modelle unverzichtbar. Da sie rechnerisch einfacher sind, können sie länger laufen, um große Ensembles zu erzeugen. Dabei wird die gleiche Berechnung viele Male wiederholt, um besser zu verstehen, wie viel Variabilität dem System selbst zuzurechnen ist. Daher sind sie von unschätzbarem Wert für Bemühungen, die langfristigen Veränderungen und dekadischen Schwankungen zu verstehen. „Man kann sich die neuen Modelle ganz einfach so vorstellen, dass sie uns dabei helfen sollen, über die lokale Anpassung an den Klimawandel nachzudenken. Die älteren Modelle konzentrieren sich auf global gemittelte Veränderungen, was sich besser für Überlegungen zu Strategien zur Eindämmung des Klimawandels eignet“, fasst Stevens zusammen.
