MiKlip erste Phase: TORUS

Auswirkungen einer verbesserten Arktis-Simulation auf dekadische Klimaprognosen

Das Projekt TORUS konzentriert sich auf die folgende technische und wissenschaftliche Schlüsselfrage: Wie werden dekadische Klimaprognosen von einer verbesserten Simulation der nordatlantisch-arktischen Schlüsselregion profitieren? Zur Untersuchung dieser Frage wird ein globales Modell, bestehend aus dem finite-Elemente Ozean-Meereis-Modell FESOM und dem atmosphärischen Modell ECHAM, implementiert. FESOM mit seinem unstrukturierten Gitter erlaubt eine starke regionale Verfeinerung von Schlüsselregionen. Das Projekt zielt darauf ab, den Einfluss einer verbesserten Darstellung der nordatlantisch-arktischen Schlüsselregion auf die Simulation der dekadischen Variabilität und Vorhersagbarkeit zu untersuchen.
Für die Validierung, Verbesserung und Initialisierung des neuen TORUS-Modellsystems sowie des MiKlip-Gesamtsystems werden neue ozeanographische Daten aus Feldmessungen in Schlüsselregionen des Arktischen Ozeans geliefert. Innerhalb des Projektes werden Sensitivitätsstudien bezüglich des Einflusses einer anderen Darstellung der Ozeandynamik und bezüglich des Einflusses einer regional verfeinerten Auflösung der Arktis durchgeführt, um ein verbessertes Verständnis von fundamentalen Mechanismen dekadischer Variabilität und Vorhersagbarkeit zu erlangen. Auf diese Weise tragen die Arbeiten mit dem globalen TORUS-Modellsystem zum MiKlip-Gesamtsystem bei. Mit dem TORUS-System werden weiterhin Ensemble-Simulationen für die nächste Dekade durchgeführt, auf deren Grundlage der Einfluss einer verbesserten Darstellung der nordatlantisch-arktischen Schlüsselregion und einer anderen Darstellung der Ozeandynamik auf die dekadischen Prognosen innerhalb des MiKlip-Systems abgeschätzt werden kann.
Dementsprechend umfaßt das Projekt TORUS verschiedene Arbeitspakete. Das globale, gekoppelte TORUS-Modellsystem, bestehend aus dem Ozean-Meereis-Modell FESOM mit unstrukturiertem Gitter und dem Atmosphärenmodell ECHAM6 wird implementiert und validiert. Nach der Durchführung von Kontrollsimulationen mit einem uniformen Gitter werden Sensitivitätsstudien zum Einfluss einer regional verfeinerten Modellierung auf dekadische Variabilität und Vorhersagbarkeit mit zwei verschiedenen Verfeinerungsstufen über der nordatlantisch-arktischen Region durchgeführt. Neue ozeanographische Datensätze werden erhoben und für die Validierung und Initialisierung des TORUS- und MiKlip-Systems aufbereitet. In der Endphase des Projektes wird TORUS mit Ensemblesimulationen zur Erstellung von dekadischen Klimavorhersagen beitragen.

TORUS - Abb. 1
Die Gitter des Atmosphärenmodells ECHAM (rechts) und des Ozean-Meereismodells FESOM (links), die über ein Austauschgitter und den Koppler OASIS4 miteinander gekoppelt werden.

Das TORUS-Projekt wird wichtige Beiträge zu den Forschungszielen im Rahmen des MiKlip-Gesamtsystem liefern:

  1. durch die Bereitstellung des globalen TORUS-Modellsystems, welches eine regionale Erhöhung der Auflösung in Schlüsselregionen erlaubt,
  2. durch die Bereitstellung eines globalen Modells für dekadische Vorhersagen mit einer anderen Darstellung der Dynamik des Meereis-Ozean-Systems als im MiKlip-System. Dadurch wird eine Abschätzung der Unsicherheiten der dekadischen Vorhersagen aufgrund von Modellunzulänglichkeiten möglich.
  3. durch ein verbessertes Verständnis von physikalischen Mechanismen, welche die dekadische Klimavariabilität und Vorhersagbarkeit insbesondere über der nordatlantisch-arktischen Region bestimmen.

Ziele

  • Bereitstellung eines Modellsystems mit einer alternativen Formulierung der Ozeandynamik, das eine regional verfeinerte Simulation der arktischen Schlüsselregion erlaubt. Um die numerischen, physikalischen und technischen Probleme des Modell-Nestings oder von offenen Grenzen zu vermeiden, werden wir ein globales Modell, bestehend aus dem Finite-Elemente Ozean-Meereis-Modell FESOM mit unstrukturiertem Gitter und dem Atmosphärenmodell ECHAM implementieren.
  • Abschätzung des Einflusses einer erhöhten räumlichen Auflösung. Im Rahmen von TORUS werden Sensitivitätsstudien durchgeführt, um den Einfluss einer regional erhöhten Auflösung über der nordatlantisch-arktischen Region auf das Modellklima und die simulierte dekadische Variabilität und Vorhersagbarkeit zu untersuchen.
  • Untersuchung von Mechanismen dekadischer Variabilität. Im Rahmen von TORUS werden ausgewählte dynamische Prozesse in der arktischen Schlüsselregion studiert, die für die Ausbildung der großskaligen atmosphärischen und ozeanischen Variabilitätsmuster und somit für die dekadische Variabilität und Vorhersagbarkeit fundamental sind.
  • Kopplung von Klimauntersystemen. Das vorgeschlagene Modell-Setup wird es erlauben, der Frage nachzugehen, ob eine regional höher aufgelöste Modellierung insbesondere des Meereises das Potential hat, die Simulation des mittleren Klimas und der dekadischen Variabilität insbesondere über der Arktis zu verbessern.
  • Bereitstellung von neuen arktischen ozeanographischen Beobachtungsdaten für die Modellvalidierung und -initialisierung. Um die regionalen Einflüsse von küstennahen Polynien und die Dynamik des arktischen haloklinen Wassers und des atlantischen Zwischenwassers  zu untersuchen, werden insbesondere neuen ozeanographische Daten in der nördlichen Karasee, der Laptevsee und im Gebiet des Lomonosov Rückens mit den sibirischen Schelfen erfasst und gewonnen.

TORUS - Ergebnisse aus DS1

Im Focus des Projektes TORUS steht die Verbesserung der Modellierung des arktischen Klimasystems innerhalb eines global gekoppelten Modellsystems. Um diese Ziel zu erreichen, wurde ein neues gekoppeltes Atmosphäre-Ozean-Meereis-Modell entwickelt. Die verwendete Ozean-Meereis-Modellkomponente FESOM benutzt unstrukturierte Gitter und bietet somit die Möglichkeit, die räumliche Auflösung in bestimmten Regionen entsprechend der wissenschaftlichen Fragestellung besonders hoch zu wählen. Die Arbeiten zur Modellentwicklung konzentrierten sich zunächst auf die technische Entwicklung des gekoppelten Modellsystems ECHAM5-FESOM. Nach dessen erfolgreicher Implementierung und dem offiziellen Release des Atmosphärenmodells ECHAM6 wurde die technische Entwicklung des neuen gekoppelten Modellsystems ECHAM6-FESOM begonnen und Ende 2012 innerhalb von DS1 erfolgreich abgeschlossen.

Nach dem Fine-Tuning des Modells ECHAM6-FESOM wurde eine lange Kontrollsimulation gestartet, die Auswertung der ersten 300 Jahre dieses Kontrolllaufes sind im Detail in Sidorenko et al. (2013) beschrieben. Es zeigt sich, dass die Güte der Modellergebnisse von ECHAM6-FESOM, gemessen am beobachteten Klima, vergleichbar ist mit der der besten CMIP5 Modelle. Vorhandene Modelldefizite, wie z.B. eine zu schwache meridionale Umwälzzirkulation im Ozean, Abweichungen in der Lage und Stärke des Nordatlantikstrom und das zeitweise Auftreten einer Eisbedeckung in der Labradorsee, sind typisch für Modelle dieser Komplexität. Für eine Verbesserung dieser Modelldefizite sollen zukünftig Gitterkonfigurationen mit einer weiter verfeinerten regionalen Auflösung, z.B. im Nordatlantik, getestet werden.

Darüberhinaus wurden seit Beginn der MiKlip-Phase DS2 vorbereitende Arbeiten für die geplanten Vorhersagbarkeitsstudien durchgeführt. Dies umfasste Sensitivitätsstudien und Ensemblesimulationen zum Einfluss einer stochastischen Meereisparameterisierung . durchgeführt werden. Die Sensitivitätsstudien belegen eine Beschleunigung der arktischen und antarktischen Meereisdrift im gekoppelten stochastischen System im Vergleich zu einer deterministischen multidekadischen Referenzsimulation und eine Zunahme des mehrjährigen Eises vor dem kanadisch-arktischen Archipel. Im Rahmen der Kooperation mit dem MiKlip-Projekt SPARCS wurden Sensitivitätsstudien zum Einfluss der Parameterisierung der Oberflächenflüsse über dem Meereis bei Berücksichtigung eines Formwiderstandes durchgeführt. Die vorläufigen Ergebnisse dieser Sensitivitätsstudien zeigen für die Arktis keine allgemeine Verbesserung der simulierten Eiskonzentration bei Berücksichtigung des Formwiderstandes, jedoch treten regional Änderungen auf. In der Antarktis zeigen sich hingegen im Winter und Frühling Verbesserungen in den simulierten Eiskonzentrationen.

Mehr zu TORUSNews-Icon

Diese Darstellung betrifft das Projekt während der ersten Phase von MiKlip. Für mehr Information zu Modul B Projekte während MiKlip II, besuchen Sie die MiKlip II - Modul B Seite. 

Kontakt

Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) AWI Potsdam
Dr. Dörthe Handorf
Prof. Klaus Dethloff
Dr. Wolfgang Dorn

AWI Bremerhaven
Prof. Thomas Jung
Dr. Jens Schröter
Dr. Sergey Danilov
Dr. Dmitry Sidorenko
Prof. Wolfgang Hiller
Dr. Dirk Barbi

Towards multi-resolution global climate modeling with ECHAM6-FESOM. Part II: climate variability

2016 - Climate Dynamics, pp. 1–26

Rackow, T. | H. F. Goessling, T. Jung, D. Sidorenko, T. Semmler, D. Barbi, and D. Handorf

Potential sea ice predictability and the role of stochastic sea ice strength perturbations

2014 - GRL, Vol. 41 (23), pp. 8396–8403

Juricke, S. | H. F. Goessling, and T. Jung

Towards multi-resolution global climate modeling with ECHAM6–FESOM. Part I: model formulation and mean climate

2014 - Clim. Dyn, Vol. 44 (3), pp. 757-780

Sidorenko, D. | T. Rackow, T. Jung, T. Semmler, D. Barbi, S. Danilov, K. Dethloff, W. Dorn, K. Fieg, H.F. Goessling, D. Handorf, S. Harig, W. Hiller, S. Juricke, M. Losch, J. Schröter,D. V. Sein, and Q. Wang