Klimawissenschaftliche Konzepte aus Hamburg

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kapitel 1. Eine kurze Geschichte der Klimawissenschaft in Hamburg

   Martin Claussen, Hans von Storch, Martin Heimann, Robert Sausen, Eduardo Zorita

   Zusammenfassung

   Dieses Kapitel gibt einen sehr kurzen Überblick über die Geschichte der Klimawissenschaft in Hamburg, um den lokalen wissenschaftlichen Hintergrund und das Umfeld zu skizzieren, in dem sich die Klimasystemforschung in Hamburg entwickelt hat.

3. Kapitel 2. Das stochastische Paradigma von Klaus Hasselmann

   Hans von Storch, Robert Sausen, Eduardo Zorita, Martin Heimann, Martin Claussen

   Zusammenfassung

   In den Anfangsjahren der Klimawissenschaft bestand die Hauptaufgabe darin, regionale Klimata zu beschreiben und diese anschließend zu einem globalen Gesamtbild zusammenzufügen. In den 1970er Jahren verlagerte sich, angeführt von Klaus Hasselmann, der Fokus darauf, zu verstehen, wie Variabilität im Klimasystem entsteht. Dieses Problem wurde durch die Identifikation eines kleinen, langsamen dynamischen Kerns gelöst, der durch das Stochastische Klimamodell (SCM) beschrieben wird, während der Großteil des Systems stochastisch auf diesen Kern einwirkt. Später wurden Principal Interaction Patterns (PIPs) und Principal Oscillation Patterns (POPs) in dieses Konzept integriert. Das SCM bot einen Rahmen zur Bewertung numerischer Experimente mit quasi-realistischen Klimamodellen und zur Unterscheidung zwischen unbeeinflusster (interner) Variabilität und extern erzwungenen Veränderungen – eine Trennung, die im Zentrum des „Detection and Attribution“-Problems des Klimawandels stand.

4. Kapitel 3. Der Kohlenstoffkreislauf im Klimasystem

   Martin Heimann, Martin Claussen, Eduardo Zorita, Robert Sausen, Hans von Storch

   Zusammenfassung

   Die Betrachtung des globalen Kohlenstoffkreislaufs als Bestandteil des Klimasystems wurde bereits in den 1970er Jahren erkannt, doch seine vollständige Integration in Erdsystemmodelle erfolgte erst nach dem Jahr 2000. Wegweisende Beiträge aus Hamburg in den 1980er und 1990er Jahren förderten dieses Vorhaben maßgeblich. Dieses Kapitel beschreibt die Hamburger Bemühungen im Kontext der Geschichte der globalen Kohlenstoffkreislaufforschung im zwanzigsten Jahrhundert: Die Darstellung der wichtigsten ozeanischen und terrestrischen Kohlenstoffkreislaufprozesse in mechanistischer, dynamischer und geografisch expliziter Form zur Kopplung mit quasi-realistischen Klimamodellen sowie die Entwicklung einer Methodik zur Quantifizierung, Einschränkung und Optimierung dieser Modelle anhand globaler Beobachtungen.

5. Kapitel 4. Mehrfache Gleichgewichte in Klimamodellen

   Martin Claussen, Hans von Storch, Martin Heimann, Robert Sausen, Eduardo Zorita

   Zusammenfassung

   In den 1960er und 1970er Jahren wurde die Dynamik des globalen Klimasystems mithilfe von Modellen untersucht, die einen hohen Grad an Idealisierung aufwiesen. In seinem bahnbrechenden Artikel in Tellus im Jahr 1976 stellte Klaus Hasselmann die Frage, ob diese Modelle nur deshalb abrupte Übergänge zeigten, weil sie die Dynamik des Klimasystems zu stark vereinfachten und die natürliche Klimavariabilität nicht abbildeten. In diesem Kapitel wird Hasselmanns Annahme daher erneut überprüft. Zu diesem Zweck werden drei Beispiele für multiple Gleichgewichtszustände und schnelle Übergänge im Klimasystem diskutiert: Snowball Earth, die atlantische meridionale Umwälzzirkulation und die Wechselwirkung zwischen Klima und Vegetation. Die Diskussion dieser Beispiele beginnt mit Vorhersagen aus idealisierten Modellen, gefolgt von Hinweisen auf abrupte Übergänge, die in paläoklimatischen Proxydaten gefunden wurden und die Suche nach instabilen Rückkopplungen mithilfe komplexer Modelle anregten. Klimawissenschaftler, die in Hamburg tätig waren, haben zu all diesen Beispielen bedeutende Beiträge geleistet.

6. Kapitel 5. Beiträge zu Modellierungstechniken

   Robert Sausen, Eduardo Zorita, Hans von Storch, Martin Claussen, Martin Heimann

   Zusammenfassung

   Die zuverlässige Simulation des Klimas mithilfe umfassender Modelle erforderte spezielle numerische Verfahren. Einige davon wurden in Hamburg entwickelt. (1) Walter Hansen führte die numerische Modellierung in der Ozeanographie ein, was eine der Grundlagen der Klimamodellierung in Hamburg bildete. (2) Ernst Maier-Reimers Large Scale Geostrophic-Modell des Ozeans ermöglichte Simulationen über Jahrtausende, beispielsweise zur Untersuchung des ozeanischen Kohlenstoffkreislaufs. (3) Die Flusskorrektur-Methode (Anomaliekopplung) erlaubte dekadische Simulationen gekoppelter Atmosphäre-Ozean-Modelle ohne Modell-Drift und damit verlässlichere Abschätzungen der globalen Erwärmung.

7. Kapitel 6. Downscaling

   Hans von Storch, Eduardo Zorita, Robert Sausen, Martin Claussen, Martin Heimann

   Zusammenfassung

   Das Hauptziel dynamischer Klimamodelle besteht darin, zukünftige Entwicklungen zu projizieren, vergangene Bedingungen zu rekonstruieren und numerische Experimente durchzuführen. Diese Modelle, ob global oder regional, liefern auf großen Skalen die genauesten Ergebnisse, während ihre Genauigkeit auf kleineren Skalen abnimmt. Dieser Rückgang der Modellgüte ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass auf kleineren Skalen Rauschen eine zunehmend wichtige Rolle spielt und die Modelle zwangsläufig die Dynamik beschneiden müssen, indem sie Zustände ignorieren, die durch die numerische Diskretisierung nicht erfasst werden. Viele Studien, die sich mit den Auswirkungen von Klimaschwankungen und -veränderungen befassen, erfordern jedoch ein Verständnis dieser kleineren Skalen. Daher gibt es einen Trend, die Modelle zu verfeinern, um immer kleinere Skalen abzubilden, was jedoch die Rechenkosten erheblich erhöht. Eine wirtschaftlichere Alternative besteht darin, die statistischen oder dynamischen Zusammenhänge zwischen groß- und kleinräumigen Zuständen zu identifizieren – ein Verfahren, das als „Downscaling“ bezeichnet wird. In diesem Kapitel untersuchen wir die Entwicklung sowohl empirischer als auch dynamischer Downscaling-Methoden zur konsistenten Abschätzung kleinräumiger Dynamik und zur Bewertung regionaler und lokaler Auswirkungen. Eine der technischen Herausforderungen in diesem Prozess besteht darin, kleine und große Skalen durch geeignete Filtertechniken effektiv voneinander zu trennen.

8. Kapitel 7. Paläoklima und historische Klimarekonstruktionen

   Eduardo Zorita, Hans von Storch, Martin Claussen, Martin Heimann, Robert Sausen

   Zusammenfassung

   Die Klimaforschung ist durch die praktische Unmöglichkeit, Experimente mit dem Klimasystem zur Überprüfung von Hypothesen durchzuführen, sowie durch die begrenzte Länge der Beobachtungsreihen eingeschränkt, was in der Regel eine umfassende statistische Analyse erschwert. Aus diesem Grund kann die Paläoklimatologie, die sich mit vergangenen Klimavariationen befasst, wertvolle Einblicke in den aktuellen Klimawandel liefern und diesen in einen größeren Zusammenhang stellen. Allerdings ist die Paläoklimatologie auf indirekte Hinweise, sogenannte Proxydaten, angewiesen, die Informationen über vergangene Umweltbedingungen enthalten und entsprechend interpretiert werden müssen. Häufig erfordert diese Interpretation eine anspruchsvolle statistische Analyse. Dieses Kapitel stellt vier bedeutende Beiträge zur Paläoklimatologie vor, die im Rahmen des Hamburger Klimanetzwerks entstanden sind. Drei davon analysieren verfügbare indirekte Beobachtungen, um Rückschlüsse auf Klimavariationen in der jüngeren Vergangenheit sowie auf längeren glazialen Zeitskalen zu ziehen. Der vierte Beitrag ist methodischer Natur und befasst sich mit Ansätzen zur Überprüfung statistischer Rekonstruktionsmethoden des Klimas anhand synthetischer Daten.