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Max-Planck-Institut für Meteorologie


Das wissenschaftliche Gesamtziel der drei Institutsabteilungen (Klimaprozesse, Chemie der Atmosphäre und Klimadynamik, und Klimamodellierung) besteht darin, Klimaprozesse einschließlich ihrer Variabilität und Wechselwirkungen auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen zu untersuchen und zu verstehen, sowie Methoden zur Klimavorhersagbarkeit zu entwickeln. Die Methoden, die dabei verwendet werden, reichen von der Fernerkundung (vom Erdboden aus mit Hilfe von Laser-, Mikrowellen-, Radarwellen- und akustischen Radar-Verfahren oder vom Satelliten aus) bis hin zur globalen Klimamodellierung.

Eine der auffälligsten Erscheinungen des Klimasystems ist seine natürliche Variabilität, die in allen Zeitskalen von Wochen bis zu Jahrmillionen beobachtet wird (kurzfristige Variationen der Atmosphäre im Bereich von Tagen werden als Wetter bezeichnet). Obwohl Klimaschwankungen im allgemeinen mit längerfristigen Änderungen der uns umgebenden Atmosphäre (z.B. Lufttemperatur und Niederschlagshäufigkeit) assoziiert werden, sind die Ursachen weniger innerhalb der Atmosphäre zu suchen als vielmehr auf Wechselwirkungen der ’trägen’ Komponenten des Klimasystems (Ozean, Meer- und Landeis, Biosphäre) zurückzuführen. Wegen der Komplexität des Klimasystems kann seine Dynamik quantitativ nur mit Hilfe aufwendiger numerischer Modelle erfasst werden. Die Entwicklung globaler Klimamodelle wird durch ausführliche Studien von individuellen Klimaprozessen unterstützt. Hierzu gehören u.a. die Analyse von Klimadatensätzen und die Durchführung gezielter Messkampagnen mit begleitender ’Prozessmodellierung’, um einzelne Prozesse im Klimasystem (wie z.B. Wolken- und Niederschlagsbildung oder Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen) besser zu verstehen und in vereinfachter ’parametrischer’ Form in den globalen Klimamodellen zu realisieren. Dafür werden Messgeräte und -prozeduren für die aktive und passive Fernerkundung atmosphärischer Parameter vom Boden, Flugzeug und Satelliten aus entwickelt und eingesetzt.

Bei der globalen Klimamodellierung werden zunächst einzelne Komponenten des Gesamtsystems entwickelt (Atmosphäre, Ozean usw.) und die Simulationsergebnisse dann mit Beobachtungen verglichen, wie z.B. die großräumige Zirkulation in Atmosphäre und Ozean oder die Stoffkreisläufe von Wasser, Kohlenstoff, Schwefel oder Ozon. In einem weiteren Schritt werden einzelne Systeme miteinander gekoppelt (Atmosphäre, Ozean, Meereis, Landoberflächen). Mit der heutigen Generation dieser ’gekoppelten Modelle’ ist es möglich geworden, eine Reihe von beobachteten natürlichen Klimavariationen zu reproduzieren und vorherzusagen. Ein Beispiel ist das sogenannte El Niño Phänomen, eine in Abständen von 3 bis 7 Jahren wiederkehrende Erwärmung des Oberflächenwassers im tropischen Pazifik, das mit weltweiten Klimaanomalien verbunden ist. Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Ozean im Bereich des Nordatlantiks, Nordpazifiks sowie am Rande der Antarktis sind auch verantwortlich für eine Reihe von längerfristigen Klimavariationen auf der Zeitskala von Jahrzehnten, die sowohl beobachtet als auch mit gekoppelten Modellen simuliert werden können.

Ein weiterer Schwerpunkt in der globalen Klimamodellierung am Institut ist die Abschätzung des anthropogenen (durch Menschen induzierten) Einflusses auf das Klima. Seit Beginn der Industrialisierung werden durch Nutzung fossiler Brennstoffe und durch andere menschliche Aktivitäten Treibhausgase wie Kohlendioxid, Methan oder verschiedene FCKWs in die Atmosphäre emittiert. Modellsimulationen des vergangenen und zukünftigen Klimas sowie statistische Untersuchungen haben ergeben, dass diese Emissionen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu der in den letzten 100 Jahren beobachteten Erwärmung der Atmosphäre beigetragen haben. Der Einfluss des Menschen auf das Klima ist jedoch weitaus komplexer als bisher angenommen. Bei Verbrennungsprozessen und durch industrielle Aktivität werden eine Reihe von Stoffen freigesetzt, die infolge von Aerosolbildung in der Atmosphäre oder durch Änderung der Ozonkonzentration den Strahlungshaushalt der Atmosphäre und damit das Klima beeinflussen können. Hinzu kommen externe natürliche Beeinflussungen des Klimasystems durch Schwankungen der solaren und vulkanischen Aktivität. Die Untersuchung dieser zusätzlichen klimatischen Einflussfaktoren erfordert eine Verallgemeinerung der Klimamodelle durch Kopplung von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen. Neben dieser Erweiterung und Verbesserung der globalen Klimamodelle wird angestrebt, die Aussagen der Klimamodelle auf regionaler Skala zu verbessern. Da die derzeit verfügbare Computerkapazität die Gitterauflösung der globalen gekoppelten Modelle auf etwa 300 km beschränkt, werden hochauflösende Atmosphärenmodelle benutzt (50-100 km), um für ausgewählte Zeitabschnitte die Ergebnisse des globalen Modells auf regionaler Skala (z.B. für Europa) zu interpretieren

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