Wie unterscheiden sich Wetter und Klima?

Einige der Fragen zum Klimawandel betreffen die Unterscheidung von Wetter und Klima. Hinter beidem steht die gleiche Physik. Die Sichtweise auf die Atmosphäre ist aber jeweils eine andere und damit die Methoden und die Möglichkeiten, damit umzugehen.

Wetter ist der augenblickliche oder zeitlich begrenzte Zustand der Luft und der damit direkt gekoppelten Größen. Zu dem Zustand gehören Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit in verschiedenen Höhen, Bewölkung und Sonneneinstrahlung, Bodentemperatur und -feuchte, Niederschlag, die Wetterlage, also die geographische Verteilung von Luftdruck- und Windsystemen und Wetterfronten, und sogar die chemische Zusammensetzung der Luft abhängig von Ort und Höhe.

Wie jeder weiß, ist es schwierig, das Wetter vorherzusagen. Derzeit liegt die Grenze für sinnvolle Wettervorhersagen bei ca. 10 Tagen. Über 3-4 Tage hinweg kann man schon recht gut das Wetter vorhersagen. Das liegt daran, daß die Wettervorhersage ein Anfangswertproblem bei einem komplexen, stark gekoppelten System ist, dessen Entwicklungspfade sehr eng beieinanderliegen. Anfangswertproblem heißt, zu einem großen Teil ist das Wetter der nahen Zukunft davon geprägt, welchen Zustand es gerade jetzt hat - wenn man den jetzigen Zustand sehr gut beschreiben kann, wird auch die Wettervorhersage für die nächsten Tage recht gut. Komplex und stark gekoppelt heißt, daß die Beschreibung der weiteren Veränderungen erfordert, ein engmaschiges Gitter über das Vorhersagegebiet zu legen, und an jedem Gitterpunkt die Gleichungen für zahlreiche stark voneinander abhängige Größen bei einem kleinen Zeitschritt zu lösen. Solche Rechnungen macht man nicht von Hand, sondern mit extrem leistungsstarken Computern. Nahe beieinanderliegende Entwicklungspfade heißt schließlich, daß wegen der starken Kopplungen kleine Änderungen der Bedingungen entscheiden können, wohin sich Tiefs und Hochs verlagern, ob es regnet oder nicht und so weiter. Schon geringfügig veränderte Anfangsbedingungen führen nach wenigen Tagen zu stark verschiedenem Wetter. Daher ist es prinzipiell nicht möglich, Wettervorhersagen über solche Zeiträume zu machen, über die sich geringfügig verschiedene Anfangszustände weit voneinander auseinanderentwickeln können und dabei praktisch ihren Anfangszustand vergessen haben. Aus dem Anfangswertproblem wurde ein Randwertproblem bei einem überkomplexen System, das nicht mehr geschlossen beschrieben werden kann.

Klima ist die Mittelung von Wetter über einen so langen Zeitraum, daß man sinnvoll von einem typischen oder durchschnittlichen Zustand der Luft und angekoppelter Größen an einem Ort reden kann. Der sinnvolle Zeitraum ist sicher größer als ein Jahr, denn über das Jahr hinweg beschreiben die Jahreszeiten die typische Entwicklung, und die muß man zumindest vollständig erfassen. Da es aber im Wechsel auch eher warme oder kalte oder naße oder trockene Sommer und Winter geben kann, muß die Mittelung auch über mehrere Jahre gehen. Üblicherweise bezeichnet man als Klima die mittleren Bedingungen in der Luft und angekoppelten Orten über 30 Jahre.

Will man das Klima mit Modellen beschreiben, liegt ein typisches Randwertproblem vor. Das Klima auf der Erde stellt sich abhängig von äußeren Einflüssen (Sonneneinstrahlung) und Systemeigenschaften (vorhandenes Wasser, vorhandene Verteilung von Land und Meer, Gebirge, großräumige Zirkulation der Luft abhängig von der Temperaturverteilung über die Breitengrade und so weiter) ein. Das System ist zwar weiterhin stark gekoppelt und komplex, aber die mittleren Eigenschaften sind zu einem gewissen Genauigkeitsgrad berechenbar. So kann man die mittlere Temperatur der Luft, die mittlere Temperaturverteilung abhängig von Breitengrad und Höhe, die Lage der Klimazonen, die Verteilung von Feuchte, mittlerer Bewölkung und Niederschlag und so weiter berechnen, ohne sich dabei auf einen bestimmten Anfangszustand beziehen zu müssen.

Das Klima ist aber nicht konstant. Wir wissen, daß es sich schon immer im Wandel befunden hat, der augenfälligste Beweis dafür sind die Eiszeiten. Wenn wir also verschiedene 30-Jahreszeiträume vergleichen, müssen wir erwarten, daß sich zwischen ihnen verschiedene Werte wie zum Beispiel die mittlere Temperatur verändert haben. Dieser Wandel erfolgt natürlich auch innerhalb eines 30-Jahreszeitraumes. Man kann das beschreiben, indem man die Veränderungen einer Größe, wie zum Beispiel der Temperatur, in verschiedene Anteile aufgliedert: den Mittelwert über 30 Jahre, den Trend über die 30 Jahre hinweg (Anstieg oder Abfall der Temperatur), mehrjährige Zyklen oder nicht-zyklische Variationen, Jahreszeiten und die Variationen, die durch das Wetter im engeren Sinne erzeugt werden. Klimaänderungen sind also dieser Trend über den 30-Jahreszeitraum hinweg. Die mehrjährigen Zyklen und einzelne warme oder kalte Jahre zählen hingegen nicht zum Klima, sondern zum Wetter im weiteren Sinne. Mehrjährige Zyklen und auch nicht-zyklische Variationen werden zum Beispiel von Meeresströmungen angetrieben. Warmes und kaltes Oberflächenwasser aus solchen Strömungen kann wiederum zu Luftdruckunterschieden führen, die Wettersysteme antreiben. So führt das Ausbleiben einer kalten Meeresströmung vor der Westküste Südamerikas grob vereinfacht zu insgesamt wärmeren Temperaturen in den Tropen und auf der Südhalbkugel. Ein starker El Nino macht sich mit höheren globalen Temperaturen bemerkbar, was man 1998 gut sehen konnte. Das Gegenstück dazu ist La Nina, welcher 2007/2008 recht kräftig ausgeprägt ist.
30-Jahreszeiträume zur Ermittlung des Klimas werden von der World Meteorological Organization WMO festgelegt.
Eine Einführung in die Klimatologie bietet zum Beispiel Ernst Heyer: Witterung und Klima, B.G.Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart - Leipzig, 1993. Man kann sich auch bei Wikipedia einen Überblick verschaffen.