Spaß mit Klimamodellen: Pleiten, Pech und Pannen

Das schöne in der Wissenschaft ist, dass man sich ganz phantastische Modelle ausdenken kann und dabei seine Kreativität voll ausleben kann. Und weil es nicht nur einen Wissenschaftler gibt, sondern ganz viele, gibt es auch eine ganze Reihe von Alternativmodellen. Schlimm wird es erst, wenn der Tag der Wahrheit naht. Hefte raus Klassenarbeit. Wenn also die verschiedenen Prognosen mit den real eingetretenen Messwerten verglichen werden. Wer hatte den richtigen Riecher und wer sollte sich schleunigst ein besseres Modell einfallen lassen?

Wenn sich dann herausstellen sollte, dass alle Modelle danebenliegen, sind die Modelle falsifiziert, entpuppen sich also als wertlos. Die Überprüfbarkeit von Modellen ist ein Grundprinzip der Wissenschaft, wie bereits Richard Feynman in einem seiner legendären Vorträge erläuterte:

 

Fehlgeschlagene Hypothesen hat es in der Wissenschaft sehr oft gegeben. Eine schöne Zusammenstellung der größten Wissenschaftsflops gibt es auf WUWT. Leider gehören auch die Klimawissenschaften in diese Kategorie. Roy Spencer hat einmal eine ganze Palette von 73 Klimamodellen mit der realen Temperaturentwicklung vergleichen, und alle schossen weit überhitzt über das Ziel hinaus:

Und gleich noch so ein Fehlschlag: Im August 2009 hatten Judith Lean und David Rind in den Geophysical Research Letters eine mutige Mittelfrist-Klimaprognose gewagt. Sie hatten für den Fünfjahreszeitraum 2009 bis 2014 eine Erwärmung von 0,15°C vorhergesagt. In Wahrheit erwärmte es sich in diesem Zeitraum überhaupt nicht. Eine bittere Pleite.

In den letzten Jahren dämmerte es den Forschern, dass vielleicht doch nicht nur das i-Tüpfelchen in den Modellen fehlte. Zu offensichtlich waren die Fehlprognosen. Kein einziges der vormals hochgelobten Klimamodelle hatte den mittlerweile seit 16 Jahre anhalten Erwärmungsstopp für möglich gehalten. Im September 2011 räumten Crook & Forster in einem Artikel im Journal of Geophysical Research ein, dass die vordergründige Reproduktion der realen Temperaturentwicklung in einem Klimamodell noch lange nicht bedeutet, dass die Mechanismen vollständig verstanden wären. Zu vielfältig sind die frei einstellbaren Parameter, die in der Regel bewusst so gewählt werden, dass eine Übereinstimmung aktiv herbeigeführt wird. Eine Vorhersagekraft kann sich daher hieraus nicht automatisch ableiten. Hier ein Auszug aus der Kurzfassung von Crook & Foster (2011):

In this paper, we breakdown the temperature response of coupled oceanatmosphere climate models into components due to radiative forcing, climate feedback, and heat storage and transport to understand how well climate models reproduce the observed 20th century temperature record. Despite large differences between models feedback strength, they generally reproduce the temperature response well but for different reasons in each model.

In der Mitgliederzeitschrift der American Geophysical Union (AGU), Eos, beschäftigte sich Colin Schultz mit dem Artikel und nahm kein Blatt vor den Mund:

Climate model’s historical accuracy no guarantee of future success
To validate and rank the abilities of complex general circulation models (GCMs), emphasis has been placed on ensuring that they accurately reproduce the global climate of the past century. But because multiple paths can be taken to produce a given result, a model may get the right result but for the wrong reasons.

Die Ernüchterung hat mittlerweile auch auf die IPCC-nahen Blogs übergegriffen. In einem Gastbeitrag auf Real Climate stellten Geert Jan van Oldenborgh, Francisco Doblas-Reyes, Sybren Drijfhout und Ed Hawkins am 15. April 2013 klar, dass die im aktuellen 5. IPCC Klimazustandsbericht verwendeten Modelle für regionale Klimaprognosen gänzlich ungeeignet sind:

To conclude, climate models can and have been verified against observations in a property that is most important for many users: the regional trends. This verification shows that many large-scale features of climate change are being simulated correctly, but smaller-scale observed trends are in the tails of the ensemble more often than predicted by chance fluctuations. The CMIP5 multi-model ensemble can therefore not be used as a probability forecast for future climate. We have to present the useful climate information in climate model ensembles in other ways until these problems have been resolved.

Auch Christensen und Boberg (2012) äußerten sich in einer Arbeit in den Geophysical Research Letters kritisch über die AR5-Modelle. Als Hauptresultate ihrer Studie führen die Forscher an:

–GCMs suffer from temperature-dependent biases
–This leads to an overestimation of projections of regional temperatures
–We estimate that 10-20% of projected warming is due to model deficiencies

Im Journal of Climate berichtete im Januar 2013 auch Matthew Newman in seinem Artikel “An Empirical Benchmark for Decadal Forecasts of Global Surface Temperature Anomalies über bedenkliche Einschränkungen der Modelle:

These results suggest that current coupled model decadal forecasts may not yet have much skill beyond that captured by multivariate red noise.

Im Prognoszeitraum von mehreren Jahrzehnten schneiden die Modelle nicht besser ab als Rauschen. Peinlich. Auch Frankignoul et al. 2013 machten sich im Journal of Climate ernsthafte Sorgen wegen der wenig beeindruckenden Leistung der Klimamodelle. Sie stuften die Resultate der Modelle schlichtweg als „unrealistisch“ ein, da die Rolle der Ozeanzyklen nicht korrekt implementiert wurde.

Ault et al. (2013) schauten sich im Juli 2013 in einer Arbeit in den Geophysical Research Letters die Klimamodelle des tropischen Pazifikraums an und machten eine schlimme Entdeckung: Keines der aktuellen Klimamodelle ist in der Lage, die Klimageschichte der Region während der vergangenen 850 Jahre zu reproduzieren. Auszüge aus der Kurzfassung:

[…] time series of the model and the reconstruction do not agree with each other. […] These findings imply that the response of the tropical Pacific to future forcings may be even more uncertain than portrayed by state-of-the-art models because there are potentially important sources of century-scale variability that these models do not simulate.

Bereits Lienert et al. (2011) hatten Probleme mit den Modellen für den Nordpazifik feststellen können. McKitrick & Vogelsang dokumentierten in einer im Juli 2014 im Fachjournal Environmetrics erschienenen Artikel eine signifikante Überschätzung der Erwärmung in Klimamodellen für die tropische Region während der vergangenen 60 Jahre.

Im März 2014 berichteten Steinhaeuser & Tsonis im Fachjournal Climate Dynamics über einen Vergleich von 23 verschiedenen Klimamodellen, inwieweit sie Temperatur, Luftdruck und Niederschläge für das 19. Und 20. Jahrhundert reproduzieren können. Die Ernüchterung war groß als die Forscher feststellten, dass die Modellergebnisse stark voneinander abwichen und zu allem Überfluss auch die Realität nicht richtig abbilden konnten. Eine genauere Besprechung der Arbeit gibt es auf The Hockey Schtick.

In einer Pressemitteilung vom 17. September 2012 beklagten sich Forscher der Universität von Arizona darüber, dass Klimamodelle bei Betrachtungen von drei Jahrzehnten und kürzer in der Regel versagen. Ähnlich erfolglos wären zudem Prognoseversuche auf regionaler Ebene:

UA Climate Scientists put Predictions to the Test
A new study has found that climate-prediction models are good at predicting long-term climate patterns on a global scale but lose their edge when applied to time frames shorter than three decades and on sub-continental scales.

Im Oktober 2012 hatte Klaus-Eckart Puls auf EIKE gewarnt, dass die Temperatur-Prognosen der Klima-Modelle bis heute für alle Atmosphären-Schichten falsch liegen:

Seit ca. 2 Jahrzehnten prognostizieren Klima-Modelle Trends (“Szenarien”) von Temperaturen für verschiedene Schichten der Atmosphäre: Bodennahe Luftschicht, Troposphäre und Stratosphäre. In der bodennahen Grenzschicht bis hinauf in die hohe Troposphäre “soll” es nach der AGW-CO2-Hypothese wärmer werden, in der Stratosphäre kälter. Meteorologische Messungen in allen diesen Atmosphäre-Schichten zeigen jeweils das ganze Gegenteil !

Was läuft wohl schief bei den Modellen? Zum einen hat man noch immer keinen Weg gefunden, den empirisch belegten systematischen Einfluss der Ozeanzyklen in die Modelle einzubauen. Zum anderen fehlt natürlich die Sonne in den Modellen, deren bedeutende Klimawirkung noch immer verleugnet wird. Es wird wohl noch ein bisschen dauern, bis die Sonne den ihr in den Rechnungen zustehenden Platz endlich einnehmen wird. Aber die Stimmen werden bereits lauter, dass bei der Sonne wohl etwas nicht stimmen kann. So kam im August 2014 im Journal of Atmospheric Sciences eine Arbeit von Timothy Cronin heraus, in der die Behandlung der Sonneneinstrahlung in den Modellen kritisiert wird. Siehe Diskussion auf The Hockey Schtick.

Die schlechte Prognosefähigkeit der Klimamodelle gibt mittlerweile immer mehr politischen Entscheidern Anlass zur Sorge. Hatte man sich nicht auf die Modellierungsresultate verlassen und bereits weitreichende gesellschaftliche Änderungspläne entwickelt? Zum Teil hatte man sogar damit begonnen diese umzusetzen. Nun steht plötzlich die Glaubwürdigkeit der Maßnahmen auf dem Spiel. Am besten wäre ein Modellierungsmoratorium. Ein Schnitt muss her. Es wird immer klarer, dass man nicht einfach so ins Blaue Weitermodellieren kann. Zeit zum Umdenken. Die bisherigen Klimamodelle unterscheiden sich leider in ihrer Qualität nicht sehr von den Computer-Unterhaltungsspielen zum Klimawandel, bei denen man von der gemütlichen Sofacouch möglichst viele CO2-Moleküle per Doppelklick abschießen muss und anschließend zum Lohn einen Freiflug im Privatjet des Klimaschützers Leonardo di Caprio bekommt.