B-WP2 - STRATO-II: Die Rolle der Stratosphäre für dekadische Klimavorhersagen – Validierung und Bewertung des MiKlip Modellsystems

Die dynamische Variabilität der Stratosphäre beeinflusst das Wetter und Klima auf der dekadischen Zeitskala, weshalb eine Nichtberücksichtigung stratosphärischer Variabilität die Unsicherheit dekadischer Vorhersagen erhöht. Die Bereitstellung verlässlicher und robuster dekadischer Klimavorhersagen erfordert deshalb eine angemessene Berücksichtigung dekadischer stratosphärischer Variabilität, sowie ihrer Wechselwirkung mit dem troposphärischen Wetter und den Ozeanen.

STRATO - II - Abb. 1 (Klicken zum Vergrößern)
Abbildung 1: Dekadische Energiespektralanalyse (PSA) berechnet aus Reanalysedaten ERA-Interim für den Zonalwind bei einem stratosphärischen Höhenniveau von 30 hPa. Die Varianz (gegeben in log m²/s²) ist farbcodiert in Abhängigkeit von der Periode (gegeben in Monaten) und der geographischen Breite aufgetragen. Besonders markant ist z.B. die hohe Varianz in den Tropen bei etwa 24 Monaten. Dieses Muster ist vor allem auf die quasi-zweijährige Oszillation (QBO) zurückzuführen.

Im MiKlip-Vorgängerprojekt STRATO waren bereits wichtige Faktoren dekadischer stratosphärischer Variabilität untersucht worden. Die Berücksichtigung stratosphärischer Prozesse führt zu einer Verbesserung der Vorhersage dekadischer Klimaänderungen (Dameris, 2015). Relevante stratosphärische Prozesse hinsichtlich der Rolle der solaren Aktivität (11-jähriger Sonnenzyklus), sowie der internen Variabilität der Stratosphäre auf dekadischen Zeitskalen, wurden identifiziert. Im Bezug auf die stratosphärische Dynamik einer dekadischen Zeitskala dominieren die sogenannte quasi-biennale Oszillation (QBO) in den Tropen und der polare Vortex die stratosphärische Variabilität. Dies ist unter anderem anschaulich anhand der sogenannten dekadischen Power-Spektral-Analyse (PSA) dargestellt (Abbildung 1). Die Untersuchung der Wiedergabe der Sonnenzyklus-induzierten Variabilität der vorangegangenen Modellentwicklungsstufen von MiKlip zeigte eine deutliche Überschätzung des stratosphärischen Sonnensignals, d.h. das solare Signal in den kurzwelligen Strahlungserwärmungsraten war zu stark. Diese Strahlungserwärmungsraten werden signifikant durch die vorgeschriebenen Ozonänderungen der Modelle charakterisiert (Abbildung 2).

B2 - STRATO II Abb. 2
Abbildung 2: Sonnensignal in den kurzwelligen Strahlungserwärmungsraten (a und b) und im Ozon (c und d), Regressionskoeffizienten auf die Sonnenaktivität gegeben durch den F10.7cm solaren Radiofluss. a und c) Ergebnisse einer gekoppelten AO-CCM Simulation mit EMAC-O, b und d) Ensemblemittel aus fünf Simulationen mit MPI-ESM-LR

Ziele

Im Vorhaben STRATO-II wird die Bedeutung der Stratosphäre für mittelfristige Prognosen des Klimas untersucht und bewertet. Ziel von STRATO-II ist es, die Wiedergabe der stratosphärischen dekadischen Variabilität im MiKlip-Vorhersagesystem in Bezug auf den solaren Antrieb, die Klimaänderung und die Erholung der stratosphärischen Ozonschicht, sowie ihrer Auswirkungen speziell auf das europäische Klima zu validieren und verbessern. STRATO-II wird eine detaillierte Validierung des MiKlip Vorhersagesystems einschließlich einer Risikoabschätzung und Unsicherheitenanalyse bezogen auf stratosphärische Einwirkungen vornehmen. Das MiKlip Vorhersagesystem wird anhand von entsprechenden Ergebnissen des Klima-Chemiemodells (CCM) EMAC untersucht und bewertet werden. Ein innovativer Aspekt ist dabei die Berücksichtigung von Wechselwirkungen zwischen chemischen Prozessen in der Stratosphäre und dem Klimawandel. So werden z.B. die Rolle von stratosphärischen Wasserdampffluktuationen (auf der kurzen und langen Zeitskala) und die Variabilität der stratosphärischen Ozonschicht (einschließlich ihrer erwarteten Erholung aufgrund der Regulierung der Chlorfluorkohlenstoffe (FCKs) entsprechend dem Montrealer Protokoll) explizit in EMAC berücksichtigt und können deshalb detailliert untersucht werden. Klima-Chemie-Wechselwirkungen, insbesondere Ozonfeedbacks, werden in Kooperation mit dem MiKlip Projekt FAST-O3-II untersucht werden. In der Zukunft wird von der Entwicklung entgegengesetzter regionaler Trendmuster ausgegangen, z.B. von einer Abnahme des tropischen Ozons und einer gleichzeitigen Ozonzunahme in den Extratropen, deren Ausmaß auch eine Folge des Klimawandels und des eintretenden Treibhausgasszenarios sein wird (vgl. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014, WMO (2014)). In diesem Projekt sollen die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die stratosphärische dekadische Variabilität sowie die direkten und indirekten Effekte auf den europäischen Sektor auf der dekadischen Zeitskala herausgearbeitet werden.

Projektfortschritt

In STRATO-II wurden die im Zuge von STRATO-I durchgeführten Untersuchungen weiter vorangetrieben, dabei stand die Evaluierung der aktuellsten Modellversionen des MiKlip-Vorhersagesystems im Hinblick auf das solare Signal im Nordatlantischen Sektor im Fokus. Im Rahmen dessen wurden unter anderem die mit dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus assoziierten Anomalien des Bodendrucks in historischen Ensemble-Simulationen analysiert. Dabei konnte aufgezeigt werden, dass die Modellversion HR eine realistischere Abbildung des aus Beobachtungsdaten bekannten solaren Signals im Vergleich zu den Versionen LR und MR aufweist. Im weiteren Projektverlauf sollen nun die wesentlichen Ursachen der Signalverbesserung herausgearbeitet werden, wobei insbesondere die Übertragungsmechanismen des solaren Signals zwischen der mittleren Atmosphäre und der Troposphäre betrachtet werden.

Kontakt

Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie
Prof. Dr. Ulrich Cubasch
cubasch(at)nospamzedat.fu-berlin.de

Dr. Kerstin Prömmel
kerstin.proemmel(at)nospammet.fu-berlin.de

Classification of stratospheric extreme events according to their downward propagation to the troposphere

2016 - Geophys. Res. Lett., Vol. 43, pp. 6665–6672

Runde, T., | M. Dameris, H. Garny, and D. E. Kinnison