SK-ZAG

Die Stoff- und Energieflüsse verbinden die Einzelteile des Klimasystems miteinander. Stoffflüsse können die Konzentration klimawirksamer Spurenstoffe verändern, zum Beispiel den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre; sie können auch Nährstoffe wie Stickstoff umverteilen und damit die Biosphäre beeinflussen. Das Ziel der Klimasystemmodellierung besteht darin, die Ursachen natürlicher Klimaschwankungen zu verstehen. Sie möchte außerdem Rückkopplungsmechanismen im Klimasystem identifizieren und herausfinden, wie stabil das Klima zu unterschiedlichen geologischen Zeiten war. Anhand von Klimaschwankungen in der geologischen Vergangenheit lassen sich zudem Klimasystemmodelle testen. Die so gewonnenen Erkenntnisse helfen dabei, den menschlichen Einfluss auf das Klima besser abzuschätzen und von natürlichen Klimaschwankungen zu unterscheiden.

Klimasystemmodelle sind komplexe Computerprogramme, die Veränderungen des Klimasystems beschreiben. Die Spannbreite der Modelle reicht von detaillierten, realitätsnahen Modellen bis zu Modellen mit reduzierter räumlicher Auflösung und Komplexität. Diese Modelle sind auf die wesentlichen Elemente reduziert und gestatten ein tieferes Verständnis des Klimasystems. Mit komplexen Klimasystemmodellen lässt sich das Klima heute auf Zeitskalen bis zu einigen tausend Jahren simulieren. Mit Modellen mittlerer Komplexität sind sogar Zeiträume von einigen hunderttausend Jahren möglich. Somit können klimarelevante Prozesse erstmals auf geologischen Zeitskalen im Detail untersucht werden. Die Modellkomponenten für Atmosphäre, Ozean und Meereis sind weiterentwickelt und besser gekoppelt als die für Inlandeis, Biosphäre, geo­chemische Reservoire und feste Erde. Welche Wechselwirkungen es zwischen Biosphäre, Geochemie und Klima gibt, ist derzeit nur anhand von empirischen Befunden bekannt. Ein tieferes Prozessverständnis gibt es nicht. Klimarekonstruktionen beruhen aber gerade auf biologischen und sedimentologischen Proxydaten. Bessere biogeochemische und sedimentmechanische Modellkomponenten würden es ermöglichen, diese Proxydaten direkt zu berechnen.

Die Forschungslandschaft verfügt über Rechenanlagen einer Größenklasse, mit denen sich komplexe Klimamodelle für Zeiträume von etwa 10.000 Jahren mit einer Maschenweite von etwa 1.300 Kilometer innerhalb eines halben Kalenderjahres rechnen lassen. Zu diesen Großrechnern zählen das Höchstleistungsrechnersystem für die Erdsystemforschung (HLRE) am Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ), der Großrechner in Jülich und der Norddeutsche Verbund für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN). Wollte man hingegen einen vollständigen Eiszeitzyklus von 150.000 Jahren Dauer modellieren, so würde das siebeneinhalb Jahre dauern. Die Modelle könnten allerdings so optimiert werden, dass sie mehr Prozessoren gleichzeitig nutzen. Entsprechende Experimente könnten also in einem vertretbaren Zeitraum durchgeführt werden. Insofern scheint die technische Infrastruktur durchaus angemessen zu sein, vorausgesetzt, der geowissenschaftlichen Klimaforschung steht genug Rechenzeit an den vorhandenen Großrechnern zur Verfügung. Insbesondere Paläoklima-Simulationen müssen an den großen Rechenzentren um Rechenzeit kämpfen. Sie können derzeit nicht im erforderlichen Umfang mit komplexen Klimasystemmodellen durchgeführt werden.

Die vollständige Wiedergabe des Klimasystems ist aus Gründen der Rechenzeit bisher nur in Modellen mit reduzierter Komplexität möglich. In Zukunft sollten „langsame“ Komponenten wie die Eisschilde und der geologische Kohlenstoffkreislauf in komplexe Modelle mit einer räumlichen Auflösung von wenigen hundert Kilometern eingebunden werden. Diese Klasse von Modellen würde neue Einsichten in langfristige Klimaschwankungen ermöglichen. Diese Prozesse sind von zentraler Bedeutung, um das Klimasystem zu verstehen. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, Eiszeitzyklen inklusive der dazugehörigen abrupten Schwankungen wie zum Beispiel der Heinrich-Ereignisse konsistent zu modellieren.

Methoden, um modelliertes und rekonstruiertes Klima quantitativ zu vergleichen, sollten weiterentwickelt werden. Hierzu gehören zum Beispiel so genannte Ensemble-Simulationen, bei denen ein Klimamodell mehrfach mit veränderten Start- oder Randbedingungen läuft. Außerdem sollten Proxydaten in Klimasystemmodelle eingearbeitet werden. Es gibt geologische Zeitabschnitte, für die Daten in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung vorliegen. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich ein vollständiges, dynamisch konsistentes Bild dieser Zeitalter ableiten. Vergangene Klimazustände können besser dargestellt und verstanden werden.

Die Rechenkapazität für die Klimaforschung wurde in den vergangenen Jahren in Deutschland erheblich ausgebaut. Allerdings steht für die Paläoklimaforschung nur ein relativ kleiner Teil der Rechenzeit zur Verfügung. In Zukunft sollten Voraussetzungen geschaffen werden, damit Ensemble-Simulationen mit komplexen Modellen über geologische Zeiträume berechnet werden können. Diese Simulationen können das Klimasystem vollständiger abbilden als bisher. Die entsprechenden Modellkomponenten stehen zur Verfügung. Es ist aber notwendig, sie zu koppeln und zu optimieren, damit sie auf Massiv-Parallelrechnern effizient eingesetzt werden können.