Das Klimasystem und seine Modellierung

1 Einführung.- 1.1 Übersicht.- 1.2 Modernes naturwissenschaftliches Klimaverständnis.- 1.3 Modelle in der Klimaforschung.- 2 Klimarelevante Prozesse.- 2.1 Energie und Strahlung.- 2.1.1 Strahlung.- 2.1.2 Wärmetransporte.- 2.1.3 Transport von Energie im Wasserkreislauf.- 2.2 Dynamik der Atmosphäre.- 2.2.1 Erzeugung von Bewegung.- 2.2.2 Vertikalstruktur der Atmosphäre.- 2.2.3 Allgemeine Zirkulation.- 2.2.4 Regionale Strukturen.- 2.2.5 Turbulenz.- 2.2.6 Aerosolpartikel.- 2.2.7 Wolken und Niederschlag.- 2.3 Zirkulation des Ozeans.- 2.3.1 Meeresoberflächenströmungen.- 2.3.2 Tiefenzirkulation.- 2.3.3 Wellen und Wirbel.- 2.4 Spurenstoffkreisläufe.- 2.4.1 Wasserdampf.- 2.4.2 Kohlendioxid.- 2.4.3 Methan.- 2.4.4 Stickstoffverbindungen.- 2.5 Kryosphäre.- 3 Natürliche Klimavariabilität.- 3.1 Jahres- und Tagesgang.- 3.2 Wetter.- 3.3 Interannuale Klimaschwankungen.- 3.3.1 ENSO-Phänomen.- 3.3.2 Nordatlantische Oszillation1.- 3.3.3 Temperaturentwicklung seit 1900.- 3.3.4 Die Frage der Sonnenflecken.- 3.4 Homogenitätsproblematik.- 3.5 Historische Klimavariationen.- 3.6 Paläoklimatologie.- 3.6.1 Vereisungen.- 3.6.2 Klimarekonstruktion der Kalt- und Warmzeiten.- 3.6.3 Milankovi?-Theorie.- 4 Konzeptionelle Modelle.- 4.1 Klimazonen.- 4.2 Ein exemplarisches Energiebilanzmodell.- 4.2.1 Vereinfachte Bilanzgleichung für Energie.- 4.2.2 Diskretisierung.- 4.2.3 Schließung der Gleichung.- 4.2.4 Berechnungen: Integration.- 4.3 Physikalisch orientierte Modelle.- 4.4 Nichtlinearität und Chaos.- 4.5 Fluktuationen als stochastische Vorgänge.- 4.6 Wechselwirkungen verschiedener Prozesse.- 4.6.1 Gedämpftes System mit Störungen.- 4.6.2 Wirkung von positiven Rückkopplungen.- 5 Grundlagen von Strömungsmodellen.- 5.1 Grundgleichungen der Strömungs- und Thermodynamik.- 5.1.1 Zustandsvariablen.- 5.1.2 Gesetz der Massenerhaltung.- 5.1.3 Prinzip der Energieerhaltung.- 5.1.4 Impulserhaltung.- 5.1.5 Massenbilanzen für Beimengungen.- 5.1.6 Zustandsgieichungen.- 5.1.7 Zusammenfassung.- 5.2 Diskretisierung.- 5.2.1 Räumliche Diskretisierung.- 5.2.2 Zeitliche Diskretisierung.- 5.3 Parametrisierung und subskalige Prozesse.- 5.3.1 Schließungsproblem.- 5.3.2 Beispiel 1: Turbulenz.- 5.3.3 Beispiel 2: Konvektion und Wolkenbildung.- 5.3.4 Kritische Übersicht.- 5.4 Numerische Integration.- 6 Realitätsnahe Modelle des Klimasystems.- 6.1 Wettervorhersagemodelle.- 6.2 Modelle zur Klimasimulation.- 6.2.1 Methodik von Simulationen.- 6.2.2 Wechselwirkung von Atmosphäre und Ozean.- 6.2.3 Klimadrift und Flußkorrektur.- 6.2.4 Technische Details.- 6.2.5 Modellierung von Stoflkreisläufen und Biosphäre.- 6.3 Simulationen von Klimazuständen.- 6.3.1 Kontrollsimulationen des derzeitigen Klimas.- 6.3.2 Rekonstruktion von Paläoklimaten.- 6.3.3 Klimate anderer Planeten.- 6.3.4 Regionale und lokale Strukturen.- 6.4 Numerische Experimente mit Modellen.- 6.4.1 Zielsetzung.- 6.4.2 Wirksamkeit von Prozessen.- 6.4.3 Einschwingzeit der Atmosphäre.- 6.4.4 Sensitivität gegenüber Randbedingungen.- 6.5 Anwendung zur Klimavorhersage.- 6.5.1 Prognosen des ENSO-Phänomens.- 6.5.2 Großskalige Ölbrände in Kuwait.- 6.6 Beurteilung der Klimamodelle.- 7 Anthropogene Klimaänderung.- 7.1 Übersicht.- 7.2 Emissions- und Konzentrations-Szenarien.- 7.2.1 Szenarien zukünftiger Emissionen.............- 7.2.2 Erwartete Konzentrationen der Treibhausgase.- 7.3 Klimaszenarien realitätsnaher Modelle.- 7.3.1 Transiente Szenarienrechnungen.- 7.3.2 Ergebnisse eines exemplarischen Klima-Szenarios.- 7.3.3 Problem Kaltstart.- 7.3.4 2 × CO2-Simulationen.- 7.3.5 Informations wert von Szenarienrechnungen.- 7.3.6 Kritische Bewertung der Szenarien.- 7.4 Nachweis anthropogener Klimabeeinflussung.- 7.4.1 Zielsetzung.- 7.4.2 Natürliche Variabilität.- 7.4.3 Gewichtungsmuster und Nachweisvariable.- 7.4.4 Nachweis.- 7.4.5 Beurteilung.- 7.5 Lokale und regionale Szenarien.- 7.5.1 Hochaufgelöste Zeitscheibenexperimente.- 7.5.2 Regionalmodelle.- 7.5.3 Empirische Modelle.- 7.5.4 Implikationen.- 8 Klima und Gesellschaft.- 8.1 Übersicht.- 8.2 Historischer Überblick: gesellschaftliche Vorstellungen zum Einfluß von Klima.- 8.3 Klimafolgenforschung.- 8.3.1 Grundproblematik.- 8.3.2 Direkt beeinflußte Systeme.- 8.3.3 Indirekt beeinflußte Systeme.- 8.4 Ökonomische Aspekte des Klimawandels.- 8.4.1 Klimaänderung als Kostenfaktor.- 8.4.2 Ein zeitabhängiges Sechs-Komponenten-Modell.- 8.4.3 Beurteilung.- 8.4.4 Übersicht Klimapolitik.- 8.5 Vorstellungen von Klimawandel.- 8.5.1 Problemstellung.- 8.5.2 Natürliche Variabilität versus Kausalitätsdenken.- 8.5.3 Die Kempton-Studie.- 8.5.4 Soziale Interpretationsmechanismen.- 9 Résumé.- 10 Anhang.- 11 Literatur.- Stichwortverzeichnis.

Prof. Dr. Hans von Storch ist Direktor des Instituts für Küstenforschung, GKSS, Geesthacht und lehrt am Institut für Meteorologie der Universität Hamburg.