Klimamodelle schlechter als ihr Ruf

Statistische Untersuchungen des Gießener Physikers Prof. Dr. Armin Bunde und Kollegen belegen: Trends wie die globale Erwärmung werden in Klimamodellen offenbar überschätzt – Publikation in Physical Review Letters

Die gute Nachricht zuerst: Die globale Erwärmung ist offenbar nicht ganz so gravierend wie vielfach befürchtet. Dies bedeutet zwar keine Entwarnung von wissenschaftlicher Seite, zeigt aber, dass kein Anlass zu Panikreaktionen und übertriebener Hektik bei politischen Entscheidungen besteht.
Und nun die schlechte Nachricht: Klimamodelle sind weit schlechter als ihr Ruf. Sie reproduzieren die Gesetzmäßigkeiten des Wetters längst nicht so wie erhofft und spiegeln somit die tatsächlichen Entwicklungen nur unzulänglich wider.

In aufwändigen Untersuchungen haben Prof. Dr. Armin Bunde und Mitarbeiter vom Institut für Theoretische Physik III der Justus-Liebig-Universität Gießen Computermodelle zur Klimaentwicklung getestet, die als Grundlage für Strategieentscheidungen in der Umweltpolitik dienen sollen und vor allem auch in der Debatte um den sogenannten Treibhauseffekt eine zentrale Rolle spielen. Die Klimamodelle versuchen, nicht nur die Wetterentwicklung in der Vergangenheit zuverlässig zu reproduzieren, sondern auch, weitaus wichtiger, Prognosen für die Zukunft zu liefern.

Die Wissenschaftler untersuchten, ob die errechneten Daten mit einem von ihnen vor Jahren gefundenen Potenzgesetz in Einklang stehen. Es zeigten sich bei allen getesteten Klimamodellen deutliche Abweichungen. Die Ergebnisse dieser neuen Forschungsarbeiten – eine deutsch-israelische Kooperation unter Federführung von Prof. Bunde (Gießen) und Prof. Shlomo Havlin (Tel Aviv) – werden am 8. Juli 2002 in der Top-Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht bzw. sind seit dem 21. Juni von Insidern bereits online abrufbar. (R.B.Govindan, D. Vyushin, A. Bunde, St. Brenner, S. Havlin, H.-J. Schellnhuber: Global climate models violate scaling of the observed atmospheric variability)

Wetterpersistenz

Bauernregeln haben ihre Berechtigung, gründen sie doch auf jahrhundertelanger Erfahrung von Generationen von Landwirten. Die Regel, nach der das Wetter von morgen etwa genauso sein wird wie das Wetter von heute, nahmen Armin Bunde und sein Team gemeinsam mit Kollegen aus Potsdam und Israel bereits 1997/98 zum Ausgangspunkt für ihre Forschungen. In der Tat konnte mit der Auswertung langer Temperaturreihen von insgesamt 14 Wetterstationen in Europa, Nordamerika und Australien über lange Zeitreihen hinweg diese sogenannte Wetterpersistenz bzw. Erhaltungsneigung des Wetters bestätigt werden.

Bei der Auswertung aller Daten zeichnete sich ab, dass die Regelhaftigkeit des Wetters weit über die ersten sieben bis zehn Tage, der Dauer einer typischen Großwetterlage, in der das Wetter stabil ist, hinausreicht. Die Physiker fanden Gesetzmäßigkeiten im Temperaturverlauf, die sich weder mit den Jahreszeiten, noch mit dem Treibhauseffekt oder ähnlichen Phänomenen begründen ließen, und die Jahrzehnte, wenn nicht noch länger, andauern.

Dazu untersuchten die Wissenschaftler die Messreihen mit modernen Verfahren aus der Statistischen Physik. Mit verblüffenden Ergebnissen: Die Veränderungen der Temperatur über einen langen Zeitraum schienen korreliert zu sein. Dieser statistische Zusammenhang wird mit der Zeit nur überraschend langsam schwächer, und er gehorcht dabei einem mathematischen Gesetz, dem Potenzgesetz. Dieses im Rahmen der Chaostheorie aufgestellte Potenzgesetz galt für alle Messreihen der verschiedenen Wetterstationen in völlig unterschiedlichen Klimazonen, also unabhängig von lokalen klimatischen Bedingungen. Es zeigte sich: Die Erhaltungsneigung des Wetters nimmt überall auf die gleiche Weise allmählich ab.

Wetterprognosen der Klimamodelle im Einklang mit dem Potenzgesetz?

Prof. Bunde und seine Kollegen aus Gießen und Tel Aviv haben in einer neuen Testreihe die sieben führenden Klimamodelle aus verschiedenen Ländern (Deutschland: Hamburg, USA: Boulder, Princeton, Japan: Tokio, Australien: Melbourne, England: Bracknell und Kanada: Victoria) untersucht, deren Daten im Internet frei verfügbar sind. Sie überprüften diese an Hand von Temperaturdaten, die an sechs verschiedenen Orten gemessen wurden: in Prag, Melbourne, Luling (Texas), Seoul, Kasan und Vancouver. Diese Orte stehen repräsentativ für die unterschiedlichen Klimazonen auf der Erde.

Es ging den Physikern darum zu erfahren, ob die von den einzelnen Klimamodellen – allesamt vielschichtige Erweiterungen komplizierter Wettervorhersagungsmodelle – errechneten Klimadaten mit dem oben erwähnten Potenzgesetz in Einklang stehen. Nur dann nämlich, so ihre These, könnte von einer Zuverlässigkeit der Prognosen bzw. einer Verlässlichkeit der Klimamodelle ausgegangen werden.

Die Klimamodelle zeigen eine Perspektive der globalen Erwärmung für einen Zeitraum von rund 100 Jahren auf. Sie überziehen die Erde mit einer Art Netz aus Knotenpunkten. Für die einzelnen „Knoten“ werden die mittleren maximalen monatlichen Tagestemperaturen ermittelt und dementsprechend Vorhersagen gemacht. Dabei gehen die Modelle von jeweils zwei unterschiedlichen Szenarien aus: Im ersten Szenario werden lediglich die Treibhausgase, deren physikalische Effekte gut verstanden sind, in den Berechnungen mitgenommen. Die unterschiedlichen Modelle sagen hier eine globale Erwärmung zwischen 1,5 und 4,5°C voraus. Ins zweite Szenario gehen neben den Treibhausgasen auch die Aerosole (= Umweltverschmutzung) ein, deren Einfluss auf die Klimaentwicklung aber mit vielen Fragezeichen versehen ist. Unter anderem ist die globale Verteilung der Aerosole nur schwer zu prognostizieren. Die Modelle liefern hier eine etwas geringere Erwärmung der Atmosphäre von 1,5 bis 3°C. Denn während die Treibhausgase bekanntlich den Trend bewirken, dass die Temperaturen ansteigen, sorgen die Aerosole dafür, dass die Erwärmung niedriger ausfällt.

Die Experten, die nun die Temperaturdaten für die sechs verschiedenen Orte aus diesem Netz von Knotenpunkten interpoliert haben, sind zu enttäuschenden Ergebnissen gekommen. Die Persistenz des Wetters, so Prof. Bunde, werde in allen Klimamodellen deutlich unterschätzt. Trends dagegen – vor allem die globale Erwärmung – werden überschätzt. Insbesondere das Klimamodell ECHAM4/OPYC3 aus Hamburg schnitt nach den angelegten Kriterien mit am schlechtesten ab. Am besten, wenn auch nicht zufriedenstellend, bildeten die Modelle CCSR/NIES (Tokio) und NCAR PCM (Boulder) die Wirklichkeit ab. Insgesamt schnitt das zweite Szenario, bei dem die Aerosole die Erwärmung durch die Treibhausgase abschwächen, besser ab.

Daran, dass es eine globale Erwärmung geben wird, besteht auch für Prof. Bunde und seine Kollegen kein Zweifel. Das Fazit ihrer jüngsten Forschungen lautet jedoch: Um zu einer realistischen Prognose zu gelangen, aus der sich auch politische Handlungsstrategien ableiten lassen, müssen die Klimamodelle noch stark verbessert werden.

Kontakt:
Prof. Dr. Armin Bunde
Institut für Theoretische Physik III
Heinrich-Buff-Ring 16
35392 Gießen
Tel: 0641/99-33360
Fax: 0641/99-33369
E-Mail: bunde@uni-giessen.de