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Neue Publikation zu Reproduzierbarkeit und Regionalen Klimamodellen

22.01.2021

Obwohl die gegenwärtige Berichterstattung den Eindruck erweckt, dass Klimaforschung nur noch auf den Klimawandel und seine Folgen abhebt, gibt es doch auch davon unabhängige Aspekte, wie die gerade erschienene Arbeit von Geyer, Ludwig und von Storch zeigt. Es geht um die Unbestimmtheit der Entwicklung des dynamischen Zustandes der Atmosphäre.

Der guten Ordnung halber sei gleich angemerkt, dass dies keine zusätzlichen Fragezeichen hinter die Projektionen des Klimawandels macht. Dass es diese Unbestimmtheit gibt, zeigt uns jeden Tag die Begrenztheit der Wettervorhersage, die uns aber nicht daran hindert, die trivial erscheinende Klimavorhersage zu machen, wonach der kommende Juni in Hamburg wärmer sein wird als der gegenwärtige Januar.

Welches neue Wissen bietet der neue Artikel? Dass Abschätzungen der Tag-zu-Tag-Veränderungen im Regionalen gut über Jahre beschrieben werden, wenn man den veränderlichen Zustand am Rande einer großen Region, hier: Zentral- und Nordeuropa, vorgibt, ist bekannt. Auch, dass geringe Änderungen, die in die Rechnung eingefügt werden, insbesondere die Verschiebung des Anfangs der Rechnung in der Zeit, dazu führen, dass in dem so erzeugten Ensemble von Simulationen in bestimmten Zeitabschnitten die Entwicklungen auseinandergehen, um nach einiger Zeit wieder zusammen zu finden, ist nicht neu. Neu in der Arbeit ist, wie Beate Geyer vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht sich ausdrückt, „erstens, dass diese Phasen des Auseinanderlaufens synchron auftreten, und zweitens, dass das System nur auseinanderläuft, wenn die Nord-Süd-Unterschiede im Luftdruck gering sind“.

Aber ein zweiter Aspekt ist, dass das gleiche Verhalten des zeitweisen Auseinanderlaufens auch erzeugt werden kann, wenn der gleiche Modellcode mit gleichem Anfangszustand (und Randbedingungen) auf verschiedenen Computern gerechnet wird – und zwar „gleiches Verhalten“ im Sinne von: zeitlichem Fenster und Intensität. Für Thomas Ludwig, den Direktor des Deutschen Klimarechenzentrums in Hamburg, zeigt dies, dass die sogenannte bitweise-Reproduktion einer Simulation auf einem anderen Rechner nur sehr bedingt möglich ist: „Wenn ein Computer a+b+c ausrechnen soll, und die Zahlen sehr verschieden groß sind, dann macht es einen kleinen Unterschied ob (a+b)+c oder a+(b+c) gerechnet wird. Die Dynamik macht diesen kleinen Unterschied dann unter geeigneten Umständen groß“.

Hans von Storch vom Helmholtz Zentrum Geesthacht dazu: „Es ist egal, wie die Saat der Unbestimmtheit in den Code eingefügt wird; diese Saat darf gerne winzig sein.“, und merkt an: „Seit dem bahnrechenden Konzept des ‚stochastischen Klimamodells‘, das vor 45 Jahren von Klaus Hasselmann am MPI für Meteorologie in Hamburg präsentiert wurde, ist klar, dass dieses ‚Rauschen‘ nicht nur eine Herausforderung beim Verstehen der atmosphärischen Dynamik ist, sondern ein integraler Bestandteil dieser Dynamik“.

Thomas Ludwig ergänzt: „Die gemeinsame Arbeit von Forscher*innen aus dem Bereich des Wissenschaftlichen Rechnens und der Klimaforschung zeigt, dass das Wissenschaftliche Rechnen nicht nur zu besseren Algorithmen führt, sondern auch zum besseren Verständnis des Klimasystems und seiner Dynamik.“

 

Orginalpublikation: Geyer, B., T. Ludwig, and H. von Storch, 2021: Reproducibility and regional climate models – seeding noise by changing computers and initial conditions. Communications in Earth and Environment, DOI: 10.1038/s43247-020-00085-4.

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