Klimaforschung und Supercomputer

Komplexität

In der Vergangenheit konzentrierte sich die Klimamodellierung auf die Simulation physikalischer Komponenten und ihrer Kopplung, wie zum Beispiel der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulation und den Austauschprozessen an der Meeresoberfläche. Der moderne Höchstleistungsrechner des DKRZ gestattet es den Forschern, chemische und biologische Vorgänge zu integrieren, und auch das Zusammenspiel von Klima und sozioökonomischem System zu studieren.

Die Forschungen im Bereich des globalen Klimawandels streben die Entwicklung eines komplexen Erdsystemmodells an, das alle physikalischen, chemischen und biologischen Interaktionen zwischen der Atmosphäre, dem Ozean, der Kryosphäre, der Biosphäre und den sozialen Aspekten umfasst.

Räumliche Auflösung

Klimamodelle können die relevanten Klimagrößen im Raum nicht kontinuierlich berechnen. Stattdessen teilen sie den Ozean und die Atmosphäre in einzelne Zellen auf, die ein Gittersystem bilden. Es wird lediglich der Mittelwert einer Modelleigenschaft innerhalb einer Gitterzelle betrachtet und dieser als repräsentativ für die gesamte Zelle angesetzt. Je höher die räumliche Auflösung des Modells, d.h. je kleiner die Gitterzellen werden, desto genauer ist das Ergebnis. Eine Verdopplung der Auflösung eines globalen Modells bewirkt jedoch eine Verachtfachung der Anzahl der Koordinatenpunkte und eine Verdopplung der Anzahl der Zeitschritte und somit eine mehr als zehnfache Erhöhung der benötigten Rechenzeit für dieselbe Simulationsperiode.

Selbst heute sind die modernsten Supercomputer noch nicht leistungsfähig genug, um ein umfassendes Klimamodell in der benötigten räumlichen Auflösung zu berechnen.

Ensembles

Numerische Methoden reagieren oft empfindlich auf kleine Veränderungen in den Eingabewerten. Die Verlässlichkeit der Modelle wird deshalb immer wieder angezweifelt. Je leistungsfähiger die Computer werden, desto häufiger können sogenannte Ensemble-Berechnungen durchgeführt werden: Die Modellrechnungen werden mehrfach mit leicht veränderten Startwerten wiederholt, so dass man zufallsbedingte Schwankungen von statistischen Trends unterscheiden kann. Je leistungsfähiger der Computer, desto umfangreicher die Ensembles – und desto verlässlicher das Endergebnis.

Lange Simulationsläufe

Viele wissenschaftliche Untersuchungen erfordern eine Simulation des Klimageschehens über eine Periode von mehreren Jahrhunderten. Wir müssen hierzu viele Jahre des simulierten Klimas an einem Kalendertag berechnen können. Jedoch brauchen auch die stärksten Supercomputer heute immer noch viele Monate, um ein Klimaereignis wie zum Beispiel eine Eiszeit zu berechnen.

Parametrisierung

Viele wichtige physikalische Prozesse haben eine räumlich kleinere Ausdehnung als die Gitterzelle, innerhalb derer sie berechnet werden, so dass sie in heutigen Klimamodellen noch nicht adäquat erfasst werden können. Die Bildung von Wolken ist ein Beispiel für einen solchen nicht erfassbaren Prozesses. Wolken können aber in Klimamodellen nicht vernachlässigt werden, da sie eine wichtige Rolle für die Temperatur auf der Erde spielen: Sie reflektieren die Sonnenstrahlen und begünstigen somit den Treibhauseffekt. Die Modellierer müssen den Wolkeneinfluss im Modell parametrisieren und geeignete Darstellungen für die mittleren Einflusswerte bestimmen. Ähnliche Parametrisierungen benötigen wir für den Wärme- und Wasserdampfaustausch der Meere und für viele andere Prozesse.