22. Aug 2019

«Die schönste Simulation ist nutzlos, wenn Nutzerinnen und Nutzer sie nicht verstehen, oder nicht wissen, was sie damit anfangen sollen.» Reto Knutti

Je höher die Auflösung, desto präziser die Prognosen: Klimamodelle. (Illustration: ETH Zürich)

Prof. Reto Knutti: Weshalb wir neue Klimamodelle brauchen

(ETH/RK) Klimamodelle sind eine Erfolgsgeschichte, viele ihrer Voraussagen sind eingetroffen. Weshalb die Forschung dennoch neue Modelle braucht, erklärt Reto Knutti in seinem Blogbeitrag. Klimamodelle werden für Prognosen verwendet, um die Risiken und Verwundbarkeit der Gesellschaft und Infrastruktur zu minimieren und robuste Anpassungsmassnahmen zu finden. Der Dialog mit und der Nutzen für die Benutzerinnen und Benutzer ist dabei zentral.


Als 1950 die Meteorologen Jule Charney, Ragnar Fjørtoft und der Mathematiker John von Neumann zusammen mit anderen Forschenden erstmal am Computer das Wetter simulierten, brauchten sie 24 Stunden Rechenzeit, um eine Prognose für 24 Stunden Wetter zu erstellen. Die Voraussage war dürftig, die Realität war schon eingetroffen und damit die Voraussage für niemanden brauchbar. Heute ist die Wetterprognose erstaunlich gut, oft bis eine Woche im Voraus und für extreme Ereignisse. Sie ist auf jedem Telefon verfügbar, und alle wissen, wie sie zu interpretieren ist.

Erstaunliche Entwicklung der Klimamodelle
Auch die eng mit Wettermodellen verwandten Klimamodelle haben eine erstaunliche Entwicklung durchlaufen. Sie simulieren heute die Strömungen in der Atmosphäre und im Ozean, das Meereis, die Biosphäre und das Land, den Kohlenstoffkreislauf und vieles mehr. Klimamodelle berücksichtigen Tausende von Rückkopplungen und Prozesse des Klimas, umfassen eine Million Zeilen Programmcode, produzieren Petabytes von Daten – und die Modelle sind eine Erfolgsgeschichte. Viele der Voraussagen der Klimamodelle sind eingetroffen1,2. Aufgrund solcher Voraussagen hat die internationale Klimapolitik entschieden, dass wir die menschgemachte Erwärmung auf deutlich unter 2 Grad begrenzen wollen. Aber warum braucht es denn diesbezüglich noch mehr Forschung und neue Modelle?

Gitterweite von wenigen Kilometern
«Alle Modelle sind falsch, aber einige sind nützlich», sagte der Statistiker George Box schon vor Jahrzehnten. In der Tat vereinfacht jedes Modell die Realität. Für gewisse Fragen ist es genau genug, für andere sind die Unsicherheiten noch hoch. Insbesondere hat jedes Modell eine bestimmte räumliche Auflösung oder Gitterweite. Darunter sind keine Aussagen möglich. Bei den Klimamodellen liegt die Gitterweite heute typischerweise bei 10 bis 50 km. Dass wir CO2 reduzieren müssen, ist auch mit dieser Auflösung klar. Geht es aber darum, wie häufig heisse und gleichzeitig trockene Sommer wie 2018 auftreten, oder ob es im bündnerischen Sedrun im Jahr 2040 noch genügend Schnee hat, benötigen wir eine Gitterweite von wenigen Kilometern. Weil Berge und Täler, aber auch lokale Prozesse wie zum Beispiel das Aufsteigen von Luftmassen, das zu Wolkentürmen führt, entscheidend werden.

Doch um die Gitterweite verkleinern zu können, braucht es eine enorme Rechenleistung, über die immer häufiger nur Rechner mit Grafikprozessoren (GPU) verfügen. Dazu müssen aber die «Innereien» des Modells, also wie die einzelnen Rechenkerne Daten austauschen und verarbeiten, neu programmiert werden. Mit solchen leistungsfähigen Grossrechnern können kleinräumige Prozesse wie Gewitterwolken oder Stadtmodelle anders und besser abgebildet werden. Dabei werden aber so viele Daten produziert, dass man gar nicht mehr alle speichern kann.

Bis ein hochaufgelöstes Modell auf einer neuen Rechnerarchitektur läuft, braucht es also die Expertise von Physikern, Chemikern, Biologen und weiterer Fachleute, um die kleinräumigen Prozesse besser zu beschreiben. Nicht zuletzt bedarf es an Informatikern, um die neuen Technologien effizient nutzen zu können. Am Schluss ist aber die schönste Simulation nutzlos, wenn die Nutzerinnen und Nutzer sie nicht verstehen, oder nicht wissen, was sie damit anfangen sollen.


Öffentlicher Vortrag über Klimamodelle
Am Latsis Symposium 2019 der ETH Zürich diskutieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über die nächste Generation von Klimamodellen, die die ganze Erde mit Gitterweiten von einem Kilometer simulieren und dabei die Grenzen der Informatik ausloten. Am Mittwoch 21.8. um 18:00 Uhr, beleuchtet Reto Knutti in einem Vortrag die Möglichkeiten und Herausforderungen des Klimawandels und wie uns neue Modelle helfen, die Risiken zu minimieren. Der Vortrag ist öffentlich und richtet sich auch an interessierte Laien. Der Eintritt ist frei, die Vortragssprache ist englisch.

Weitere Informationen >>


Handfester Nutzen für die Gesellschaft
Klimamodelle sind Instrumente für Forschende, mit denen sie Hypothesen testen, Prozesse verstehen lernen und Messdaten interpretieren. Aber nicht nur: Klimamodelle werden für Prognosen verwendet, um die Risiken und Verwundbarkeit der Gesellschaft und Infrastruktur zu minimieren und robuste Anpassungsmassnahmen zu finden. Der Dialog mit und der Nutzen für die Benutzerinnen und Benutzer ist dabei zentral: Erst wenn wir Klimamodellierer verstehen, welche Informationen für welchen Ort und Zeitraum der Landwirt oder die Bauingenieurin brauchen, können wir die Modelle für die Anpassung verbessern – ein Paradebeispiel, bei dem sich technische Entwicklung und inter- und transdisziplinäre Forschung ergänzen, um der Gesellschaft einen handfesten Nutzen zu bringen.


Referenz

1 How well have climate models projected global warming? Zeke Hausfather, Carbonbrief, 5.10.2017

2 Fischer EM, Knutti R. Observed heavy precipitation increase confirms theory and early models. Nature Climate Change volume 6, pages 986–991 (2016). doi: 10.1038/nclimate3110


©Text: Prof. Reto Knutti, Beitrag erschienen im ETH Zukunftsblog

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