B-WP5 - ATMOS-MODINI

Gekoppelte Atmosphären/Ozean/Meereis Modelle, die in saisonalen und dekadischen Vorhersagen benutzt werden, haben meist einen systematischen Fehler im Nordatlatik mit zu kalten Meeresoberflächentemperaturen (engl.: sea surface temperature, SST), verursacht durch eine falsche Position des Golfstroms und der nordatlantischen Strömung (Abbildung 1). Dieser systematische Fehler mit zu kalten SST im Nordatlantik beeinflusst die darüber liegende atmosphärische Zirkulation und führt so auch zu einem systematischen Fehler in der atmosphärischen Zirkulation über dem Nordatlantik, und verändert auch die Variabilität im Euro-Atlantischen Sektor, Deutschland eingeschlossen.

Abbildung 1: Eine schematische Darstellung des typischen Verlaufs des Golfstroms und des Nordatlantikstroms in einem gekoppelten Vorhersagemodel. Die Umrisslinien folgen der beobachteten Oberflächenzirkulation. Eine große Diskrepanz ist im Bereich der Breitengrad zwischen Kanada und Europa. Diese ist die Region, in der sich das nordatlantischen kalte Bias sich wiederfindet.

Das erste Ziel von ATMOS-MODINI ist es, den systematischen Fehler im Nordatlantik im MiKlip Vorhersagesystem zu verringern, indem der Verlauf des Golfstroms und der nordatlantischen Strömung im Modell korrigiert wird und dann den Einfluss dieser Korrektur auf die Variabilität und die Vorhersagequalität des Modells zu testen, letzteres indem retrospektive Vorhersagen (engl.: Hindcasts) erstellt und validiert werden.

Das zweite Ziel von ATMOS-MODINI ist es, herauszufinden, wie die Initialisierung vom MiKlip System in den Tropen verbessert werden kann. Es ist bekannt, dass eine verbesserte Vorhersage der Tropen auch die Vorhersagbarkeit der extratropischen Atmosphäre verbessert. Jedoch ist die Initialisierung von Vorhersagesystemen speziell in den Tropen komplizierter als an anderen Breitengraden, da die Korioliskraft, die durch die Erdrotation verursacht wird, am Äquator verschwindet. In der ersten Phase von MiKlip haben wir mit MODINI ein einfach anzuwendendes Initialisierungsverfahren erforscht, das die Windschubspannung aus Beobachtungsdaten in der Ozeankomponente eines gekoppelten Vorhersagemodells zur Initialisierung benutzt. Wir haben gezeigt, dass Hindcasts, die mit MODINI initialisiert wurden, gute Vorhersagequalität im pazifischen Sektor hinaus bis in dekadische Zeitskalen anzeigen, was auch Auswirkungen auf die Vorhersagen von global gemittelter Temperatur und atmosphärischer Zirkulation hat.

In Abbildung 2 zeigen wir eine Vorhersage, die am 1. Januar 2015 mit der MODINI Methode initialisiert wurde und eine Erwärmung des tropischen Pazifiks anzeigt, die mindestens bis 2024 andauert. Das Modell sagt außerdem präzise voraus, dass 2015, global gesehen, das wärmste je aufgezeichnete Jahr sein würde. ATMOS-MODINI wird mit der Erforschung der MODINI Initialisierung fortfahren und außerdem Möglichkeiten ausloten, die MODINI Initialisierung mit anderen MiKlip Initialisierungsverfahren zu kombinieren.
 

Abbildung 2: Vorhersagen für Oberflächentemperatur in Celsius gegenüber dem 1990-2006 Mittelwert. Rot kennzeichnet eine Vorhersage für höhere Temperaturen gegenüber der Periode 1990-2006, Blau kennzeichnet eine Vorhersage für geringere Temperaturen (Thoma et al., 2015, für Details).

Bisheriger Fortschritt

Bezüglich des ersten Ziels wurde ein hochaufgelöstes Ozeanmodell (NEMO in 1/20 Grad Auflösung, VIKING20) analysiert, welches einen realistischen Verlauf der nordatlantischen Strömung enthält (Wang et al., eingereicht zur Veröffentlichung). Die Analysen ergaben, dass der Antrieb durch potentielle Energie (verwandt mit dem JEBAR Term) von besonderer Bedeutung ist, was wiederum bedeutet, dass die Interaktion der Tiefenzirkulation mit der Bodentopographie wichtig für die Dynamik der nordatlantischen Strömung ist. Außerdem wurde, basierend auf Drews et al (2015), die Methode der Strömungsfeld Korrektur im MPI-ESM-LR erfolgreich angewandt. Ohne die Verwendung einer Frischwasserfluss-Korrektur wurde in einer vorindustriellen Kontrollsimulation der systematische Fehler größtenteils entfernt.

Bezüglich des zweiten Ziels haben wir eine Reihe von retrospektiven Vorhersagen durchgeführt - unter Verwendung der MODINI Initialisierungsmethode, in denen die Ozeankomponente des MPI-ESM-LR mit Windschubspannungsanomalien aus Reanalysedaten angetrieben wurde (hier ERA-40 für 1958-1989 und ERA-Interim für 1990-2016). Die diesbezüglichen Experimente wurden als Teil der gemeinsamen Initiative zum Vergleich von Initialisierungsmethoden im Rahmen von MiKlip II durchgeführt.

Referenzen

  • Drews, A., Greatbatch, R. J., Ding, H., Latif, M. and Park, W. (2015) The use of a flow field correction technique for alleviating the North Atlantic cold bias with application to the Kiel Climate Model, Ocean Dynamics, 65, 1079-1093. doi: 10.1007/s10236-015-0853-7.
  • Thoma, M., Greatbatch, R.J., Kadow, C., Gerdes, R. (2015): Decadal hindcasts initialised using observed surface wind stress: Evaluation and Prediction out to 2024, Geophys. Res. Lett., 42 (15), 6454-6461. doi: 10.1002/2015GL064833.
  • Wang, Y., Claus, M., Greatbatch, R. J., Sheng, J.. Decomposition of the mean barotropic transport in a high-resolution model of the North Atlantic Ocean, submitted to Geophys. Res. Lett..

 

Kontakt

GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung Kiel
Prof. Dr. Richard J. Greatbatch
rgreatbatch(at)nospamgeomar.de

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