Nichthydrostatische Klimamodellierung

Klimacharakteristika mit starken Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft und auf Ökosysteme stehen oft in Verbindung mit klein-skaligen Klimaphänomenen. In diesem Zusammenhang sind hydrologische Eigenschaften des Klimas und Extremereignisse von besonderer Bedeutung, und seitens der Klimafolgenforschung besteht beträchtlicher Bedarf an hoch aufgelösten Klimaanalysen und Projektionen. Heutige regionale Klimamodelle werden im Allgemeinen in 50 oder 20 km horizontaler Gitterweite betrieben und sind in der Darstellung vieler regionaler Klimaphänomene erfolgreich. Trotzdem ist diese Auflösung zu grob um etwa Starkniederschläge und ihre räumliche Verteilung, oder den Tagesgang des Niederschlags über komplexem Gelände zufriedenstellend zu simulieren. Räumlich höher aufgelöste, lokal-skalige Simulationen (Gitterweite kleiner als 10 km) haben prinzipiell das Potential diese Probleme zu lösen oder zumindest zu vermindern wobei aber, selbst bei Modellen die prinzipiell für lokale Skalen geeignet sind (nicht-hydrostatische Klimamodelle, NHCMs), zahlreiche Probleme, etwa bezüglich ihrer physikalischen Parametrisierung auftreten. Weiters ist die Validierung von lokal-skaligen Klimamodellen (LCMs) wegen Mangel an Beobachtungsdaten in geeigneter Dichte und Qualität problematisch. Bis heute wurde der Unsicherheitsbereich von lokalen Klimasimulationen nicht systematisch untersucht. Um die auflösungsabhängige Güte verschiedener Modellkomponenten, besonders der physikalischen Parametrisierungen intensiv untersuchen zu können, werden im Rahmen des beantragten Projekts NHCM-1 mit zwei LCMs (CLM, MM5) in drei verschiedenen Auflösungen (10 km, 3 km und 1 km Gitterweite) systematische Sensitivitätsstudien in zwei Testregionen in Österreich durchgeführt (eine alpine Region und eine hügelige Region im Alpenvorland). In einer der Testregionen wird das Projekt durch einen neuartigen hochaufgelösten Datensatz von 150 Klimastationen ("WegenerNet") unterstützt der zur Modellevaluierung zur Verfügung steht. Ein weiterer wichtiger Bestandteil von NHCM-1 wird eine internationalen Vergleichskampagne für LCMs sein, die erstmals die quantitative Abschätzung der Unsicherheiten von LCMs mit probabilistischen Methoden ermöglichen wird. Das generelle Ziel des Projektes ist es die derzeit schlecht dokumentierten Stärken und Schwächen lokaler Klimamodelle zu analysieren und eine Abschätzung der mit dieser hoch-relevanten Methode verbundenen Unsicherheiten zu treffen. Die breitere und längerfristigere Zielvorstellung im Hintergrund des Projekts liegt darin, durch Bereitstellung einer fundierten Wissensbasis für Modellentwicklung in weiterer Folge zuverlässigere und in sich konsistentere Datensätze für die Klimafolgenforschung in der benötigten Auflösung erzeugen zu können.

Das kürzlich beendete FWF Projekt "Nicht-hydrostatische Klimamodellierung" (NHCM-1) hilft der übernächsten Generation von Klimaszenarien auf die Beine. Die dahinterliegenden Klimamodelle sind in der Lage selbst Sommergewitter und viele weitere kleinskalige Phänomene explizit zu simulieren, was bislang Wettermodellen und ihren nur wenige Tage in die Zukunft reichenden Vorhersagen vorbehalten war. Längerfristig können kleinskalige Änderungen, welche unmittelbar die Auswirkungen des Klimawandels auf die Gesellschaft und Ökosysteme bestimmen, bislang nur durch Beobachtungen und indirekte Methoden abgeschätzt werden. Nun bestanden im Project NHCM-1 sogenannte konvektionsauflösende Klimamodelle ihren ersten Test. Es konnte gezeigt werden, dass die Modelle auf kleiner Skala bessere Ergebnisse liefern als ihre etablierten Vorfahren. Parallel zu den Fortschritten der Klimamodellierer werden auch die benötigten Hochleistungsrechner immer schneller und es wird erwartet, dass konvektionsauflösende Langzeitsimulationen innerhalb der nächsten fünf Jahre technisch möglich werden. Damit ist der Weg frei für den nächsten Schritt, der darin bestehen wird die Erfahrungen aus NHCM-1 auf längere Zeiträume (Jahrzehnte) umzulegen und schlussendlich jene "Jahrhundertsimulationen", wie sie in der Klimafolgenforschung gebraucht werden, aufzusetzen.