Von ROLF HEßBRÜGGE
Was sind Klimamodelle?
Klimamodelle sind hochkomplexe Computerprogramme zur Berechnung des vergangenen und des künftigen Klimas. Damit bilden sie unter anderem eine wichtige Richtschnur für die internationale Klimaschutzpolitik. Klimamodelle simulieren physikalische Vorgänge wie die Sonneneinstrahlung und deren Absorption in der Luft und vor allem am Boden und in den Meeren sowie die Wärmestrahlung, über welche die Erde die Energie wieder abgibt. Hinzu kommen etwa die Bewegungen von Luft- und Wassermassen und die Bildung von Wolken und Niederschlag. All das sind klimarelevante Prozesse, die mithilfe hochkomplexer mathematischer Gleichungen im Computer modelliert werden. So erhält man relativ genaue Klimaprojektionen: etwa der künftigen Erderwärmung, des zu erwartenden Anstiegs des Meeresspiegels, aber auch der statistischen Verteilung von Wetterextremen nach Regionen. Denn: Je wärmer Wasser und Luft sind, desto mehr Energie steht für die Entstehung von Hitzewellen, Stürmen oder Gewittern zur Verfügung.
Wie funktionieren Klimamodelle?
Die ersten Modelle gegen Ende der 1970er-Jahre bezogen vor allem Temperatur, Niederschlag und Winde mit ein. Doch Klima ist weitaus komplexer. „Heute fließen viele weitere Faktoren wie die Biologie und Chemie des Ozeans mit ihren Auswirkungen auf das Klima mit ein“, sagt der Klimaforscher Helge Gößling vom Bremerhavener Alfred-Wegener-Institut (AWI) für Polar- und Meeresforschung: „Hinzu kommen etwa die Land-Biosphäre, also Wälder, Wiesen, Landwirtschaft, oder die Kontinental-Eismassen, die potenziell wärmende Sonneneinstrahlung reflektieren und große Mengen Wasser binden.“ Zur Klimaberechnung werden die Tiefen der Ozeane, die Erdoberfläche und die Weiten der Atmosphäre in viele Millionen kleine, dreidimensionale Einzelabschnitte unterteilt: die sogenannten Gitterboxen. „In jedem dieser Würfel herrschen bestimmte physikalische Bedingungen, wie Temperatur oder eingestrahlte Sonnenenergie“, erklärt Gößling. „Mithilfe mathematischer Formeln berechnet das Modell für jeden Würfel, wie sich die Werte darin von einem Zeitpunkt zum nächsten verändern und wie dies benachbarte Boxen beeinflusst.“ Herrscht etwa in einem Atmosphären-Würfel ein hoher Luftdruck, wird wegen des Druckgefälles Luft in eine benachbarte Box gedrückt. Um einen Zeitraum von 50 Jahren in Zehnminutenschritten zu simulieren, berechnet ein Klimamodell alle relevanten Werte für Millionen von Gitterboxen und wiederholt dies für jede Box rund 26-Millionen-mal.
Warum liefern Klimamodelle immer nur Näherungswerte?
„Für eine hundertprozentig exakte Klimasimulation müsste jedes einzelne Atom in Ozean und Atmosphäre im Modell seinen digitalen Zwilling bekommen“, erklärt Helge Gößling. „Das ist aus mehreren Gründen unmöglich. Die dafür nötige gigantische Rechenleistung könnte kein Supercomputer der Welt aufbringen, auch nicht in Zukunft.“ Um die vorhandenen Rechner nicht überzustrapazieren, spart man bei Klimasimulationen an der Feinauflösung: „Bei globalen Klimamodellen hat ein Gitterbox-Würfel in der Regel eine Kantenlänge von etwa hundert Kilometern“, erklärt Gößling. Die zu verarbeitenden Datenmengen sind trotzdem noch gigantisch: Um die Entwicklung von Beginn der Industrialisierung um 1850 bis 2100 zu simulieren, werden typischerweise rund 5.000 Gigabyte Modelldaten erzeugt – pro Jahr Betrachtungszeitraum. Für die vollen 250 Jahre sind das 1.250 Terabyte. Dafür braucht es extrem leistungsstarke Rechner der neuesten Exascale-Generation mit riesigen Speichern. In Deutschland wird mit „JUPITER“ am Forschungszentrum Jülich seit Ende 2025 der erste solche Supercomputer betrieben. Bei rein regionalen oder lokalen Klimamodellen lässt sich die Auflösung auch feiner einstellen: „Hier messen die Würfelkanten nur zehn Kilometer oder weniger“, so Gößling. Große Forschungsprojekte versuchen, auch mit globalen Klimamodellen in diesen Auflösungsbereich vorzudringen.
