Klimamodellierung

Modellentwicklung und -bewertung, Aufbau und Durchführung von Simulationen, Anwendung von Methoden des maschinellen Lernens in der Klimawissenschaft

Klimamodelle bilden die Komponenten und Mechanismen des Klimasystems numerisch ab. Sie beruhen auf physikalischen Prinzipien und Näherungen für schwer auflösbare Prozessketten ("Parametrisierungen"). Als solche stellen sie ein Laboratorium dar, in dem das Klima zu allen Zeiten der Erdgeschichte und der Zukunft untersucht werden kann.

Wir setzen Modelle unterschiedlicher Komplexität ein, um das Klimasystem auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu analysieren. Unsere Modellentwicklung konzentriert sich auf die Einbeziehung neuer Prozesse oder die detailliertere Modellierung von Prozessen, insbesondere für die Simulation von Landnutzung und Isotopen. Diese Entwicklungen helfen uns, die Qualität der Simulationen zu verbessern, da sie Prozesse implementieren, die für Zukunftsprojektionen entscheidend sind (Landnutzung, Kohlendioxidabbau), und weil sie eine direkte Möglichkeit bieten, Simulationen der Klimavergangenheit mit früheren Klimadaten zu vergleichen. Wir führen Experimente durch, die Bedingungen zu verschiedenen Zeiten in der Erdgeschichte und in der Zukunft simulieren, sowie idealisierte Experimente, die das Verständnis des Erdsystems fördern sollen.

Die Vielfalt der Themen, die mit Modellen erforscht werden können, ist immens. Als solche tragen sie zu allen anderen Forschungsbereichen unserer Gruppe bei.

Diese Abbildung zeigt eine Weltkugel mit einem Maschengitter. Daraus ist ein Dreieck mit Gitterzellen in verschiedenen Farben, d.h. grün, blau, braun und weiß, ausgeschnitten. Ein Zoom zeigt eine der Zellen als rechteckigen Kasten, der Elemente, Treiber und Prozesse des Klimasystems enthält. Eine Sonne beleuchtet den Kasten von oben und ist mit dem Text "Sonnenstrahlung" gekennzeichnet, einer der Treiber des Klimas. In dem Kasten befindet sich die Atmosphäre über einer großen Wasserfläche, die als Hydrosphäre bezeichnet wird, und mit schwimmendem Eis, das als Kryosphäre bezeichnet wird. Der Ozean wird durch das Land der Lithosphäre begrenzt. Auf dem Land befinden sich Berge, darunter ein Vulkan, der vulkanische Aerosole ausstößt, Bäume als Teil der Biosphäre sowie vom Menschen geschaffene Strukturen, wie Fabriken, die Treibhausgase in Rauchwolken ausstoßen, und landwirtschaftliche Felder, die die Landnutzung symbolisieren. Die Aerosole und Treibhausgasemissionen sowie die veränderte Landnutzung sind die Triebkräfte des Klimawandels. In der Atmosphäre und im Ozean sind verschiedene Prozesse, die im Klimasystem aktiv sind, markiert: Wolken, Wind, Niederschlag (z. B. Regen), Meeresspiegel, Rückstrahlung von der Oberfläche, Meeresströmungen, Meereis, Verdunstung von Wasser, Verwitterung von Felsen und Bergen, der Kohlenstoffkreislauf und Abfluss aus Flüssen und Seen. Zusätzlicher Text: "Abbildung copyright Beatrice Ellerhoff"

Modell-spezifische Forschungsfragen

Wie hängt das simulierte Klima von der Komplexität der Modelle ab? Welche Komplexität ist notwendig und ausreichend, um verschiedene Prozesse im Klimasystem zu simulieren?
Wie empfindlich reagiert das Klimasystem auf verschiedene externe Einflüsse und Rückkopplungen?
Wie hängt die simulierte Variabilität vom mittleren Klimazustand ab?
Wie können wir die Klimamodelle so verbessern, dass sie besser mit den Klimadaten der Vergangenheit übereinstimmen und den künftigen Verlauf des Klimas im gekoppelten System Erde-Anthroposphäre ausreichend simulieren?

Laufende Arbeiten, Methoden und Modellierungswerkzeuge

Klimamodelle unterschiedlicher Komplexität von Energiebilanzmodellen (z. B. TransEBM [1]) über Modelle mittlerer Komplexität (z. B. Plasim [2]) bis hin zu Erdsystemmodellen (z. B. MPI-ESM)
Isotopen-gestützte Modelle [3]
Agent-basierte Modellierung zur Landnutzungsentscheidungsfindung
Modellierung der Landoberfläche
Hydroklimasimulationen, z. B. Monsun-Systeme
Transiente Simulationen der letzten Deglaziation
Impact Modellierung
Modellierung von nachhaltigen Technologien [4]

Projekte zu Abschlussarbeiten und Zusammenarbeiten

Folgende Ideen für Abschlussarbeiten könnten erforscht werden

Verbesserung (zukünftiger) Klimaabschätzungen auf der Grundlage von Modellvergleichen,
Meereisdynamik [2],
Auswirkungen der Auflösung auf das modellierte Klima,
Auswirkungen von Klimavariationen auf Attributionsstudien,
Modellierung von Auswirkungen und Schäden des Klimawandels,
Modellierung von Klimaextremen,
Simulation von Wasserisotopen [3]

aber viele weitere Optionen sind möglich. Wenn Sie an Modellierungsprojekten interessiert sind, wenden Sie sich wie hier beschrieben an uns. Etwas Erfahrung mit Programmierung, Statistik, Datenanalyse und/oder Klimaphysik ist hilfreich, aber nicht notwendig.

Wir freuen uns darauf, von Ihren Ideen zu erfahren!

Schauen Sie sich auch die Arbeit unserer Teammitglieder an, die sich mit der Modellierung der Auswirkungen und des Kohlenstoffkreislaufs, dem Verständnis der Klimavariabilität auf verschiedenen Zeitskalen und der atmosphärischen Dynamik befassen.

Referenzen

[1] Ziegler, E., & Rehfeld, K. (2021). TransEBM v. 1.0: Description, tuning, and validation of a transient model of the Earth’s energy balance in two dimensions. Geoscientific Model Development, 14(5), 2843–2866. https://doi.org/10.5194/gmd-14-2843-2021

[2] Adam, M., Andres, H. J. & Rehfeld, K. The role of dynamic sea ice in a simplified general circulation model used for palaeoclimate studies. in Book of Extended Abstracts of the 6th ECCOMAS Young Investigators Conference 386–395 (2021). https://doi.org/10.4995/yic2021.2021.12383

[3] Bühler, J. C., Roesch, C., Kirschner, M., Sime, L., Holloway, M. D., & Rehfeld, K. (2021). Comparison of the oxygen isotope signatures in speleothem records and iHadCM3 model simulations for the last millennium. Climate of the Past, 17(3), 985–1004. https://doi.org/10.5194/cp-17-985-2021

[4] May, M. M. & Rehfeld, K. Negative Emissions as the New Frontier of Photoelectrochemical CO2 Reduction.Advanced Energy Materials 2103801 (2022) doi:10.1002/aenm.202103801