B-WP4 - MOVIECLIP

MOVIECLIP ist der Nachfolger von MultiCliP, das Mechanismen multi-dekadischer Variabilität  und die relative Bedeutung interner Variabilität gegenüber dem Einfluss externer Antriebe untersucht hat. Der Schwerpunkt lag bei letzterem auf der Reaktion des Ozeans, der ein Gedächtnis auf Zeitskalen besitzt, die für kurzfristige Klimaprognosen relevant sind. MultiCliP hat ferner ozeanische und gekoppelte Variabilitätsmodi, sowie deren Fernwirkungen untersucht und zu einem verbesserten Verständnis der Kopplung zwischen Troposphäre und Stratosphäre beigetragen. MOVIECLIP zielt darauf ab, das physikalische Verständnis dekadischer Klimavariabilität weiter zu verbessern. Hierzu sollen auf diesen Zeitskalen relevante Prozesse identifiziert und analysiert, sowie ihre Wiedergabe im Erdsystemmodell MPI-ESM untersucht werden. Ein regionaler Fokus wird hierbei auf dem Nordatlantik und Kontinentaleuropa liegen. Dies beinhaltet insbesondere  Untersuchungen zur Rolle des Ozean-Wärmehaushalts. Das Projekt wird den Modellentwicklern gegenüber Empfehlungen aussprechen, was z.B. geeignete horizontale und vertikale Auflösungen anbelangt, um die Vorhersagequalität bezüglich bestimmter Vorhersagevariablen und/oder Regionen zu verbessern und/oder um den Ressourcenverbrauch an Rechenzeit durch eine geeignete Wahl der Modellauflösung zu optimieren. Desweiteren werden Methoden zur Verbesserung der Wiedergabe bestimmter Prozesse entwickelt (z.B. durch die Implementierung von Fehlerkorrektur-Methoden). In MOVIECLIP sollen existierende Klimasimulationen mit verschiedenen Modellversionen und -auflösungen sowohl mit dem gekoppelten MPI-Modellsystem als auch mit dessen atmosphärischer Komponente ECHAM6 mit vorgeschriebenen ozeanischen Randbedingungen analysiert werden. Zusätzlich sind dedizierte Sensitivitätsexperimente geplant, um den Einfluss spezifischer Prozesse zu isolieren.

Das Projekt gliedert sich in drei Teile: Das erste Arbeitspaket behandelt schwerpunktmäßig die Frage, welche Mechanismen die Vorhersagbarkeit ozeanischer Variabilitätsmodi im MiKlip-Vorhersagesystem kontrollieren. Außerdem soll der Einfluss der Ozeanvariabilität auf die großskalige Atmosphärenzirkulation untersucht werden. Spezifische Modi dekadischer Ozeanvariabilität werden im Hinblick auf die Fragen analysiert, inwieweit von ihnen Vorhersagbarkeit auf dekadischen Zeitskalen ausgeht, wie die Ozeansignale in die Atmosphäre weitergegeben werden und welches die relevanten Fernwirkungsmechanismen sind, die die Signale regional hervortretender Modi innerhalb der Atmosphäre an entfernte Regionen weitergeben.

Das zweite Arbeitspaket beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Modellfehlern im Ozeanmodell (z.B. dem Fehler in der Meeresoberflächentemperatur im Nordatlantik) und mit Strategien, diese Auswirkungen während des Laufs und/oder nachträglich zu korrigieren. In diesem Arbeitspaket wird eine enge Zusammenarbeit mit ATMOS-MODINI stattfinden. Im Gegensatz zu letzterem Teilprojekt werden in MOVIECLIP jedoch Methoden untersucht, den Einfluss der SST-Fehler innerhalb des Atmosphärenmodells zu korrigieren (z.B. durch Korrektur der mit dem SST-Fehler einhergehenden anomalen Wärmeflüsse), anstatt die Ozeanzirkulation selbst zu korrigieren, wie es in ATMOS-MODINI angestrebt wird.

Im letzten Arbeitspaket soll der Zusammenhang zwischen ozeanischen Variabilitätsmodi und Mechanismen der Wärmespeicherung und -abgabe im Nordatlantik untersucht werden. Dies beinhaltet z.B. differenzielle Variation der Wärmetransporte in Zusammenhang mit den großskaligen Wirbeln und der  Umwälzzirkulation und damit verbundene Divergenzen des meridionalen Wärmetransports. MOVIECLIP trägt bei zu koordinierten Multi-Modell Analysen im Rahmen des CMIP6 Projektes DCPP (Decadal Climate Prediction MIP).


Bisheriger Fortschritt

Im Rahmen der Arbeiten zu Arbeitspaket 1 lag der Schwerpunkt darauf, ein besseres Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Atlantischen Multidekadischen Variabilität (AMV) und der  Atlantischen Umwälzzirkulation (engl.  Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) in MPI-ESM zu erlangen. Es wurden statistische Analysen am sog. MPI Grand Ensemble durchgeführt. Hierbei handelt es sich um eine Experimentreihe bestehend aus einem 2000 Jahre umfassenden prä-industriellen Kontrolllauf (pictl), einem aus 100 Einzelläufen bestehenden Ensemble historischer Simulationen und einem 68 Einzelläufe umfassenden Ensemble aus Läufen, bei denen sich der CO2-Gehalt der Atmosphäre graduell um 1%/Jahr erhöht. In den Experimenten folgt die AMV der AMOC bei 45°N mit einem zeitlichen Versatz von etwa 4 Jahren; den AMV-Maxima folgt eine Abschwächung der AMOC ca. 10-15 Jahre später. Diese Korrelation ist über alle Experimente hinweg robust, aber die Amplitude variiert sowohl zwischen verschiedenen Teilzeiträumen des pictl Experiments als auch zwischen den einzelnen Läufen des historischen Ensembles. Darüber hinaus schwächt sich die Amplitude der Korrelation gegen Ende des 1%-Experiments deutlich ab. Letzteres geht mit einer deutlichen Abschwächung der Amplitude der multidekadischen AMOC-Variabilität einher. Es wurde eine positive Korrelation zwischen dem  (aufwärts gerichtetem) turbulenten Wärmefluss und der SST gefunden, was darauf hindeutet, dass der Ozean die dekadische Temperaturvariabilität verursacht.

In Arbeitspaket 2 haben wir die atmosphärische Antwort auf den Nordatlantischen SST Fehler untersucht. In Sensitivitätsexperimenten mit der atmosphärischen Modellkomponente des MPI-ESM wurde eine SST-Anomalie vorgeschrieben, die der Abweichung der SST im gekoppelten Modellsystem gegenüber den Beobachtungen entspricht. Die SST-Sensitivitätsexperimente zeigen, dass die auf Beobachtungen bezogenen Abweichungen der untersuchten Größen im gekoppelten Model zumindest zum Teil durch den SST-Fehler erklärt werden können, wobei die Amplitude des Fehlers im gekoppelten Modell deutlich größer ist. Die geopotentielle Höhe reduziert (erhöht) sich über warmen (kalten) SST-Anomalien, was zu großskaligen Änderungen im meridionalen Druckgradienten führt. Hierdurch kommt es wiederum zu einer südwärtigen Verschiebung der mittleren zonalen Windsysteme. Die einhergehende südwärtige Verschiebung der baroklinen Regionen verursacht eine Südverschiebung der Zugbahn nordatlantischer Sturmsysteme. Die Antwort des Niederschlags entspricht in erster Näherung dem Muster der SST-Anomalie (und der damit einhergehenden Anomalie der turbulenten Wärmeflüsse), ist zum Teil jedoch durch die Veränderungen in den Sturmsystemen beeinflusst. Letzteres gilt insbesondere im gekoppelten Modellsystem.