Einblicke in die Klimamodelliereung am AWI-Potsdam: Ein Praktikumsbericht

12. Juli 2015 | Von | Kategorie: Blog, Daten, Klimawandel, Ökologismus, Ökologistische Mythen, Wissenschaft

205_156257Für all diejenigen, die schon immer wissen wollten, wie die Klimamodellierung in der Klimawissenschaft funktioniert, habe ich diesen Praktikumsbericht vom AWI-Potsdam herausgesucht:

Praktikumsbericht über das Praktikum bei: Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI), Forschungsstelle Potsdam, Telegrafenberg A43, 14473 Potsdam. Fachbereich: Klimawissenschaten, Arbeitsgruppe: Atmosphärische Zirkulation. Betreuer Prof. Dr. Klaus Dethloff, vom 06.08.2012 bis 14.09.2012, Potsdam, 14.09.2012.

… Es wurde mir auch schon mitgeteilt, dass ich im Bereich der Klimamodellierung tätig sein würde. Daher ging ich davon aus, dass meine Arbeit vorrangig theoretischer Natur sein würde und mir im IT-Bereich einiges Neues begegnen könnte. Dies war dann auch der Fall, da ich im Vorfeld lediglich mit UNIX und Matlab ein wenig Erfahrung sammeln konnte, mir jedoch die wichtigste Programmiersprache im Bereich der Klimamodellierung, nämlich FORTRAN, bis dato noch völlig unbekannt war. Des Weiteren war mir auch die Mehrzahl der zu verwendenden Grafikprogramme (z.B. Grads, gmtplot) vor dem Praktikum nicht vertraut.

… In der Arbeitsgruppe Atmosphärische Zirkulation sind mehrere wissenschaftliche Mitarbeiter beschäftigt, die im Normalfall in Gleitzeit 30 bis 40 Wochenstunden arbeiten. Der Großteil der Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Atmosphärische Zirkulation beschäftigt sich parallel mit drei Aufgabenbereichen: zum Einen die stetige Verbesserung der vorhandenen Klimamodelle durch Neuauflagen oder Programmänderungen, zum Anderen die Durchführung bestimmter Experimente mit den Klimamodellen sowie die Auswertung der aus den Modellläufen erhaltenen Daten gemäß der Forschungsprojekte. Die meisten Mitarbeiter der Arbeitsgruppe verbringen also den Großteil ihrer Arbeitszeit mit theoretischen Arbeiten am Computer. Der Austausch über die Ergebnisse der einzelnen Mitarbeiter und Arbeitsgruppen erfolgt vorrangig per Mail, sowie bei wenigstens einmal wöchentlich stattfindenden gemeinschaftlichen Seminaren und Tagungen.

… Während der ersten Woche wurde ich von Frau Erxleben in die Struktur des AOM (Atmosphäre-Ozean-Low-Order-Modell) und der wichtigsten Programme zum Initialisieren und Auswerten von Modellläufen eingewiesen, mit dem Ziel im Anschluss eigenständig meine Aufgabe am Modell bearbeiten zu können. Parallel musste ich den Umgang mit FORTRAN und den übrigen genutzten Programmiersprachen und Grafikprogrammen grundlegend erlernen. Zusätzlich erhielt ich von Frau Dr. Dörthe Handorf eine Zusammenfassung der Vorlesung Dekadische Klimavariabilität von Herrn Prof. Dr. Dethloff, um einen Einblick in die theoretischen klimaphysikalischen Grundlagen der geplanten Modellläufe zu erhalten. Mein Arbeitsschwerpunkt während der ersten Woche war also die Grundlagen für eine sinnvolle Nutzung des AOMs während der Folgezeit zu erarbeiten. Das AOM besteht aus drei verschiedenen Modulen. Dem Ozean-Modell „BARBI“, dem Atmosphärenmodell „GS3L“ und einem Kopplungsmodul, das einen Datenfluss zwischen den beiden Modellen während der Durchführung von Experimenten ermöglicht. Ein Experiment bedeutet in diesem Fall, dass unter vom Anwender festgelegten Anfangsbedingungen ein theoretischer Verlauf des zukünftigen Klimas vom AOM berechnet wird, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung von dekadischer Klimavariabilität – also einer möglichen dekadischen Oszillation des Klimas – liegt. Das Ziel meiner Tätigkeit war es nun zu überprüfen in welchem Maße die gewählten Anfangsbedingungen die Ergebnisse der Experimente mit dem AOM beeinflussen und herauszufinden unter welchen Anfangsbedingungen die sinnvollsten Ergebnisse erzielt werden können. Dazu wurden acht verschiedene Modellläufe initialisiert, welche, um Vergleichbarkeit zu gewährleisten, alle auf den gleichen Eingangsdaten beruhten. Für diese Experimente mussten jeweils die Anfangsbedingungen festgelegt werden. Das bedeutet konkret, dass zunächst die Gesamtlaufzeit der Experimente (300 Jahre für alle acht Modellläufe), der Zeitraum in dem die berechneten Daten ausgewertet werden sollten (die letzten 100 Jahre der Modelläufe), der Anpassungszeitraum und die Anpassungsperiode in den Quelltexten des AOM eingestellt werden mussten. Während des Anpassungszeitraums wurden die während der Experimente berechneten Daten laufend mit einer bestimmten Anpassungsperiode an die äquivalenten Daten des weitaus komplexeren und realitätsnäheren Klimamodells des NCEP (National Centers for Environmental Prediction, USA) angepasst. Die beiden letztgenannten Anfangsbedingungen waren es dann auch, die für die acht aufgesetzten Modellläufe variiert wurden. So wurden jeweils zwei Experimente mit Anpassungsdauern von 50, 100, 150 und 200 Jahren durchgeführt, von denen jeweils eins eine Anpassungsperiode von einem Jahr erhielt und das andere eine Anpassungsperiode von zehn Jahren. Da die Berechnung der Modellläufe eine Menge Speicher benötigt, wurden Mitte der ersten Woche Zunächst nur die vier Experimente mit einer Anpassungsperiode von zehn Jahren gestartet. Die Berechnung der Modelle nahm etwa fünf Tage in Anspruch, weshalb ich zu Beginn der zweiten Praktikumswoche mit der Auswertung der ersten vier Modelle beginnen konnte. Zur Auswertung wurden für mehrere klimaphysikalisch relevante Größen (zum Beispiel: Geopotential, Meeresoberflächentemperatur, barotrope Stromfunktion) aus den berechneten Daten Hauptachsentransformationen durchgeführt (EOF-Analysen), um damit die räumliche und zeitliche Struktur der Größen aufzulösen und in Diagrammen darstellen zu können. Hierfür standen mir sowohl fertige Quelltexte für die Berechnung der EOFs (empirische orthogonale Funktionen) als auch zum Erzeugen der Diagramme zur Verfügung. Es mussten jedoch noch alle In- und Output-Pfade an die zu meinen Experimenten gehörigen Dateien angepasst werden und es galt noch den einen oder anderen kleinen Fehler in den Programmcodes zu korrigieren. Nach erfolgreichem Erhalt von Testausgaben für jedes der verschiedenen Auswerteprogramme konnte schließlich die eigentliche Auswertung beginnen. Die Auswerteprogramme waren im Regelfall so ausgerichtet, dass sie sowohl die EOF-Analysen der Daten durchführten als auch im Anschluss ein Grafikprogramm aufriefen (Grads, gmtplot oder Matlab) und diese die Ergebnisse in geeigneten Diagrammen darstellen ließen. Für einige der betrachteten Größen mussten die Modelldaten auch zunächst noch aufbereitet werden, um erst danach in die Auswerteprogramme einfließen zu können (zum Beispiel: Änderung der Zeichencodierung, Anpassung des Dateityps, Monatsmittelung). Für jedes der über 200 Diagramme, die für die Auswertung der vier Experimente mit einer Anpassungsperiode von zehn Jahren erzeugt wurden, mussten die Lagen der Extremwerte festgestellt und dementsprechend die Skalierung angepasst werden, um möglichst aussagekräftige Diagramme zu erhalten. Anschließend wurden alle Diagramme mit Hilfe von MS WORD auf Seiten im A4-Format nach mehreren Gesichtspunkten (zum Beispiel: klimaphysikalische Größe, Kopplungsdauer, Druckschicht) geordnet zusammengefügt und ausgedruckt.

Diese Prozedur nahm die zweite und dritte Praktikumswoche in Anspruch und wiederholte sich während der vierten und fünften Praktikumswoche für die vier Modellläufe mit einer Anpassungsperiode von einem Jahr. Während der letzten Praktikumswoche schließlich wurden die Ergebnisse der durchgeführten Experimente hinsichtlich des Ziels meiner Aufgabe qualitativ sowohl untereinander verglichen als auch teilweise mit äquivalenten Ergebnissen des Klimamodells des NCEP. Der Schwerpunkt lag dabei darauf herauszufinden welches der insgesamt acht Experimente am ehesten einen möglichen realen Klimaverlauf widerspiegelt und den Ergebnissen des NCEP-Modells am Nächsten kommt. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Struktur vieler der betrachteten klimaphysikalischen Größen für die Modellläufe mit 50, 100 und erstaunlicherweise auch wieder für 200 Jahre Anpassungsdauer größtenteils unrealistisch schwach ausgeprägt war. Lediglich bei den Experimenten mit 150 Jahren Anpassungsdauer konnten für fast alle betrachteten Größen vernünftigem Ergebnisse beobachtet werden. Des Weiteren konnte man erkennen, dass bei einer Anpassungsperiode von einem Jahr die großskaligen Oszillationen des Ozean-Modells BARBI fast keinen Einfluss auf die erhaltenen Ergebnisse haben und nur die kleinskaligen interannualen bis dekadischen Oszillationen des Atmosphären-Modells GS3L sichtbar sind. Allerdings ist der Einfluss der Ozean-Variabilität auch bei zehn Jahren Anpassungsperiode nur ansatzweise erkennbar, weshalb angenommen wurde, dass noch ein deutliches Ausdehnen der Anpassungsperiode nötig ist. Insgesamt ist meine Aufgabe also erfolgreich erfüllt worden mit dem Ergebnis, dass die optimalen Anfangsbedingungen für Experimente mit dem AOM bei 150 Jahren Anpassungsdauer und einer Anpassungsperiode von mindestens 20 Jahren liegen.

… Zunächst möchte ich erwähnen, dass meine Erwartungen allesamt durchaus erfüllt werden sind. … Allerdings muss ich zugeben, dass mich das Praktikum nicht vollends davon überzeugt hat meine Bachelor-Arbeit im Bereich der Klimamodellierung schreiben oder gar meine berufliche Zukunft bereits ganz darauf auszurichten. Das liegt jedoch nicht daran, dass das Thema Klimamodellierung inhaltlich uninteressant wäre, ganz im Gegenteil. Aber durch das Praktikum habe ich feststellen können, dass ein Beruf der fast ausschließlich aus theoretischer Arbeit am Computer besteht nur bedingt etwas für mich ist.

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11 Kommentare
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  1. @Michael Krüger
    interessanter Fund.
    Sehr interessant ist folgende Bemerkung bzw. Beobachtung des Praktikanten:

    Dabei konnte festgestellt werden, dass die Struktur vieler der betrachteten klimaphysikalischen Größen für die Modellläufe mit 50, 100 und erstaunlicherweise auch wieder für 200 Jahre Anpassungsdauer größtenteils unrealistisch schwach ausgeprägt war. Lediglich bei den Experimenten mit 150 Jahren Anpassungsdauer konnten für fast alle betrachteten Größen vernünftigem Ergebnisse beobachtet werden.

    Diese Beobachtung spricht sowohl für ein Tuning der Modelle auf einen bestimmten Beobachtungszeitraum von 150 Jahren. Das dürfte eigentlich meiner Meinung nach nicht sein, aber auch für eine Voreingenommenheit bei der Auswertung, denn was sind vernünftige Ergebnisse?

  2. @Heß

    Die haben jetzt einen 150-Jahes-Zyklus entdeckt, womit sie das Klima voraussagen können? 😉

    Ich kannte ein wenig die Modelle, bis vor 10 Jahren, am AWI Bremerhaven. Grundlegendes scheint sich da nicht verändert zu haben. Die Programmieren immer noch mit uralten Fortran-Codes, welche junge Doktoranden nicht mehr durchblicken, spielen mit den Randparametern, wie Anpassungszeitraum und die Anpassungsperiode und tunen die Ergebnisse an NCEP-Standards.

    Und während die Modelle tagelang durchgerechent werden, haben die lange weile und betätigen sich in Sachen Klimaschutz und Klimapolitik.

    Auf Basis dessen wird Klimaschutzpolitik gemacht.

  3. @Krüger

    Das heißt Modelle werden an Modelle angepasst und nicht an die Natur.

  4. @Heß

    So sieht es aus. Der Ausschuss ist dabei wesentlich größer, als das Brauchbare.

  5. Herr Krueger, nachdem Sie und andere zahllose Klimaskeptiker hier immer wieder einen Rueckgang oder eine Pause in der globalen Eráermung gepredigt haben haben die Temperaturdaten der letzten Jahre Sie offenbar verstummen lassen! Da waere es doch schoen wenn Sie und Ihre Sinnesgenossen ihre Irrtuemer oeffentlich einraeumen wuerden.

    http://www.washingtonpost.com/blogs/capital-weather-gang/wp/2015/07/17/earths-warmest-june-keeps-2015-on-record-breaking-pace/

    Auch Ihre energiepolitischen Prognosen erweisen sich als falsch: Weltweit nimmt man Abschied von der Kernenergie (z.B. jetzt auch in Frankreich wo man aus dieser nun nach und nach aussteigen will) und fossilen Energien!

    Auch hier sind Sie alle einem Irrweg nachgelaufen, haben aber fortlaufend Andere beschimpft, diese haetten keine Ahnung! Langsam aber sicher werden Ihre Luegengebilde offenbar! Einsicht von Ihnen und Ihren Freunden waere ueberfaellig!

  6. Frau Haupt,

    wo haben Sie das denn her?

    Auch Ihre energiepolitischen Prognosen erweisen sich als falsch: Weltweit nimmt man Abschied von der Kernenergie (z.B. jetzt auch in Frankreich wo man aus dieser nun nach und nach aussteigen will) und fossilen Energien!

    Das scheint mir eher dem Pipi-Langstrumpf-Syndrom geschuldet, als den Berichten aus der realen Welt entnommen.

  7. Gäääähhhn…

    Die mit stimulierenden Medikamenten vollgestopften Reihen GISS und NCEI zeigen für die vergangenen 14 Jahre seit 2001 eine überraschende Erwärmung von fast einem Zehntel Grad (Abbildung 2). Beim regulär kämpfenden HadCRUT fällt diese Erwärmung jedoch nur halb so hoch aus. Per Satellit ist überhaupt keine Erwärmung festzustellen, im Gegenteil, es wurde in den letzten knapp anderthalb Jahrzehnten sogar leicht kühler.

    http://www.kaltesonne.de/juni-temperaturen-im-visier-der-fahnder-sieger-der-tour-de-temperatur-unter-dopingverdacht/

  8. Nich uffregen…….dat klingt doch wieder nach Team Thorsten……zumindest scheint es die gleiche Waldschule zu sein.

    H.E.

  9. @ #5
    Interessant, dass die Temperaturdaten aus dem Washington Post Artikel gerade diejenigen sind, die vor kurzem eine „Anpassung“ erfahren haben. Man hat die Ozeantemperaturen dahingehend optimiert, dass die Temperaturen der Vergangenheit niedriger wurden und die aktuellen höher. Die Datensätze von HadCru, und stärker noch die Satellitenmessungen (UAH und RSS) zeigen nach wie vor eine Stagnation.

    Wobei es durchaus wahrscheinlich ist, dass auch hier das Jahr 2015 außergewöhnlich warm gemessen wird, oder gar einen neuen Rekord bei der Globaltemperatur gemessen wird. Die aktuelle El Nino Entwicklung spricht sehr dafür. Das ist ja auch kein Widerspruch, sondern ganz im Gegenteil das, was man erwarten würde. Wenn die Temperaturen auf hohen Niveau stagnieren, dann wird es auch in manchen Jahren Ausschläge nach oben geben.

  10. Nich uffregen…….dat klingt doch wieder nach Team Thorsten……zumindest scheint es die gleiche Waldschule zu sein.

    …nur neu durchgegendert. Erkennt man an der Sprache…,-)

  11. Die aktuelle El Nino Entwicklung spricht sehr dafür.

    Uli Kulke hat sich auch schon dazu ausgelassen.
    http://www.achgut.com/dadgdx/index.php/dadgd/article/el_nino_alles_wird_stuermisch._das_klima_und_die_politik

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