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., 2017). 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. Durch die Korrektur gibt es einige kleine Verbesserungen in der Repräsentation der atmosphärischen Zirkulation im Winter, zum Beispiel in der Stärke der Westwinde, sowie in der Frequenz von Blockierung. Allerdings ist die niederfrequente atlantische Variabilität im „korrigierten“ Modell schwächer als im „unkorrigierten“ Modell, im Gegensatz zu Ergebnissen von Drews und Greatbatch (2016) mit dem Kieler Klimamodell.

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 (Polkova et al., eingereicht zur Veröffentlichung). Die Ergebnisse zeigen, entgegen der Studie von Thoma et al. (2015), dass MODINI die Probleme des MIKLIP Systems (PreOp-LR) bei der Initialisierung der dekadischen Variabilität im Pazifik nicht gänzlich beheben kann. Die relativ schlechte Performance von MODINI bleibt bestehen, wenn man sich die selbe Periode (1990-2006) ansieht, was wiederum auf die Sensitivität von dekadischen Vorhersagen auf das Windprodukt hinweist, das bei der Initialisierung verwendet wurde (siehe auch Pohlmann et al., 2017).

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.

  • Drews, A., Greatbatch, R. J. (2016), Atlantic Multidecadal Variability in a model with an improved North Atlantic Current, Geophys. Res. Lett., 43 (15), 8199-8206. doi: 10.1002/2016GL069815

  • Pohlmann, H., Kröger, J., Greatbatch, R. J., Müller, W. A. (2017), Initialization shock in decadal hindcasts due to errors in wind stress over the tropical Pacific, Clim. Dyn., 49 (7-8), 2685-2693. doi: 10.1007/s00382-016-3486-8.

  • Polkova, Y., Brune, S., Kadow, C., Romanova, V., Gollan, G., Baehr, J., Glowienka-Hense, R., Greatbatch, R. J., Hense, A., Illing, S., Köhl, A., Kröger, J., Müller, W. A., Pankatz, K., Stammer, D., Initialization and ensemble generation for decadal climate predictions: A comparison of different methods, submitted to J. Adv. Model. Earth Syst.

  • 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. (2017): Decomposition of the mean barotropic transport in a high-resolution model of the North Atlantic Ocean, Geophys. Res. Lett. 44 (22), 11,537-11,546. doi: 10.1002/2017GL074825.

 

Kontakt

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

Impact of the MJO on the interannual variation of the Pacific–Japan mode of the East Asian summer monsoon

2018 - Climate Dynamics pp 1–13

Xinyu Li | Gereon Gollan, Richard J. Greatbatch, Riyu Lu

Decadal Variability of Eddy Kinetic Energy in the South Pacific Subtropical Countercurrent in an Ocean General Circulation Model

2018 - Journal of Physical Oceanography

Jan K. Rieck | Claus W. Böning, Richard J. Greatbatch

Reconstructing Tropical Pacific Sea Level Variability for the Period 1961–2002 Using a Linear Multimode Model

2018 - Journal of Geophysical Research: Oceans

Richard J. Greatbatch | Xiaoting Zhu, Martin Claus

Evidence for the Maintenance of Slowly Varying Equatorial Currents by Intraseasonal Variability

2018 - Geophysical Research Letters, 45(4), pp. 1923-1929

Richard J. Greatbatch | Martin Claus, Peter Brandt, Jan‐Dirk Matthießen, Franz Philip Tuchen, François Ascani, Marcus Dengler, John Toole, Christina Roth, J. Thomas Farrar

Decomposition of the Mean Barotropic Transport in a High-Resolution Model of the North Atlantic Ocean

2017 - Geophysical Research Letters, 44(22), pp. 11,537-11,546

Yuan Wang | Martin Claus, Richard J. Greatbatch, Jinyu Sheng