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B-WP1 - ALARM-II: Alert for LARge volcanic eruptions in Medium term climate prediction II

Zielsetzung des Projektes

Die Berücksichtigung des vulkanischen Strahlungsantriebes im MiKlip-Vorhersagesystem hat die Vorhersagegüte der globalen Mitteltemperatur über die letzten Jahrzehnte verbessert (Timmreck et al., 2016). Die regionalen vulkanischen Einflüsse, im Besonderen auf das Winterklima der Nordhemisphäre, welches stark von der Atmosphärendynamik kontrolliert wird, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden bzw. im gegenwärtigen Vorhersagesystem noch unzureichend repräsentiert. Ziel von ALARM-II ist es die Berücksichtigung vulkanischer Störungen im Vorhersagesystem so zu verbessern, dass die Klimaeffekte zukünftiger Eruptionen möglichst schnell und mit möglichst großer Genauigkeit vorhersagbar sind.

Struktur des Projektes

ALARM II besteht aus drei Arbeitsgebieten und wird von Dr. Claudia Timmreck (MPI-M) koordiniert. Ferner sind Dr. Hauke Schmidt (MPI-M) und Prof. Dr. Kirstin Krüger (UiO), als externe Partnerin, im Projekt involviert.

Aufgabenstellung des Projektes

ALARM-II untersucht zwar alle Jahreszeiten, konzentriert aber sich besonders auf den Nordhemisphärenwinter. Für diesen bestehen die größten regionalen Unsicherheiten für eine mittelfristige Klimavorhersage über Europa nach einer großen tropischen Vulkaneruption. Es wird konkret untersucht, ob diese Klimaveränderungen von der Ausgangslage des polaren Wirbels und der Auflösung des Vorhersagesystems abhängen.
ALARM-II untersucht inwieweit die saisonale und die dekadische Vorhersagbarkeit nach einer großen Vulkaneruption verbessert werden kann, wenn man vulkanisch bedingte Ozonveränderungen berücksichtigt.
Die Experimente der 6. Phase des gekoppelten Klimamodellvergleich (CMIP6) untersuchen die Auswirkungen zukünftiger Vulkanausbrüche auf die saisonalen und dekadischen Klimavorhersagen. ALARM II spielt darin eine wichtige Rolle in der Planung und Auswertung, basierend auf den Erfahrungen aus MiKlip.

Zu liefernde Ergebnisse des Projekts:

Empfehlung hinsichtlich der zu verwendenden Modellkonfiguration für Klimaprognosen nach vulkanischen Eruptionen
Verbesserung des Verständnisses für die Rolle der Hintergrundbedingungen und die Variabilität des Modelles nach einer vulkanischen Störung
Bewertung des Einflusses von vulkanisch bedingten Ozonveränderungen auf die Vorhersagbarkeit des Winterklimas der Nordhemisphäre
Synthese der saisonalen und dekadischen postvulkanischen Klimaveränderungen aus einem Multimodellvergleich
Ein Update der technische Anleitung für das MiKlip-Vorhersagesystem im Falle einer zukünftigen Vulkaneruption

Bisheriger Fortschritt

Mit Hilfe der multilinearen Regressionsmethode wurden, analog zu Schmidt et al. (2013), die Temperatur und Zirkulationsveränderungen in der mittleren Atmosphäre in Abhängigkeit von verschiedenen Antriebsfaktoren in 5 historischen MPI-ESM-HR-Simulationen mit CMIP5-Antriebsfeldern untersucht. Die Temperaturveränderungen nach vulkanischen Störungen zeigen für alle drei Modellauflösungen das typische Muster einer troposphärischen Abkühlung und einer Erwärmung in der unteren bis mittleren Stratosphäre. Das durch den vulkanischen Antrieb hervorgerufene äquatoriale positive Temperatursignal spiegelt sich in Westwindanomalien über weite Bereiche der stratosphärischen mittleren und hohen Breiten wider. Es ist jedoch schwierig, die Unterschiede zwischen den Modellauflösungen zu interpretieren, da das vulkanische Signal durch die große Variabilität im NH-Winter gestört ist. Die hohe Anzahl von Ensemblemitgliedern (≥ 25) in den geplanten VolMIP (Modellvergleichprojekt der klimatischen Auswirkungen von vulkanischen Aktivitäten) Pinatubo-Simulationen (Zanchettin et al., 2016) mit dem MPI-ESM in LR (niedrige Auflösung) und in HR (hohe Auflösung) bietet daher eine sehr gute Möglichkeit für eine weitergehende Analyse der vulkanischen Störung abhängig von der Modellauflösung.

Abbildung 1: Mittel über mehrere Modelle der zonal gemittelten Anomalie des Zonalwindes im ersten Winter nach den neuen stärksten tropischen Eruptionen seit 1880 (links) und nach den zwei stärksten Eruptionen seit 1880 – Krakatau und Mt. Pinatubo (rechts). Punkte zeigen an, wo wenigstens 90% der Modelle (mehr als 13 von 15) im Vorzeichen der Anomalie übereinstimmen. (Abbildung aus Bittner et al, 2016).

Das MPI Grand Ensemble, ein 100-Mitgliederensemble von historischen (1850-2005) Simulationen mit dem MPI-ESM-LR ist zunächst auf den stratosphärischen Temperatur- und Windresponse im ersten NH-winter nach einer tropischen Vulkaneruption untersucht worden (Bittner et al., 2016). Ca. 15 Ensemblemitglieder werden nach dem Pinatubo-Ausbruch benötigt um eine signifikante (95%) Auswirkung auf den Polarwirbel in der Nordhemisphäre im Zeitraum von Dezember bis einschließlich Februar (DJF) zu haben. Die Anzahl der notwendigen Ensemblemitglieder für einen signifikanten Einfluss hängt von der Größe der Anomalie und der interannualen Variabilität ab. Das Einbinden kleiner Eruptionen um die Stichprobengröße zu erhöhen, führt nicht notwendigerweise auch zu einer Verbesserung bei der Nachweisbarkeit des vulkanischen Signals. Die Untersuchung dynamischer Auswirkungen einer Vulkaneruption kann dabei in zu kleinen Ensembles zu falschen Schlussfolgerungen führen. Daher verfehlen CMIP5-Modelle nicht grundsätzlich, die dynamischen Auswirkungen tropischer Vulkaneruptionen wiederzugeben (Abbildung 1). Große Unsicherheiten bestehen noch in den Auswirkungen von Vulkanausbrüchen auf eine wirklichkeitsgetreue Atmosphäre aufgrund der geringen Anzahl beobachteter Ereignisse.

To address the question how does the pre-eruption climate state influence the impact of the volcanic signal on the prediction, we have performed together with Module D FLEXFORDEC/INTEGRATION decadal forecasts with the MiKlip prediction system, for the initialisation years 2012 and 2014, which differ in the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and North Atlantic Oscillation (NAO) phase llling et al (2018). Each forecast contains an artificial Pinatubo-like eruption starting in June of the first prediction year and consists of 10 ensemble members. Our results show that the average global cooling response over 4 years of about 0.2 K and the precipitation decrease of about 0.025 mm day⁻¹ is relatively robust throughout the different experiments and seemingly independent of the initialisation state. However, on a regional scale, we find substantial differences between the initialisations. The cooling effect in the North Atlantic and Europe lasts longer and the Arctic sea ice increase is stronger in the simulations initialised in 2014. In contrast, the forecast initialised in 2012 with a negative PDO shows a prolonged cooling in the North Pacific basin.

Referenzen:

Bittner, M., H. Schmidt, C. Timmreck and F. Sienz (2016) Using a large ensemble of simulations to assess the Northern Hemisphere stratospheric dynamical response to tropical volcanic eruptions and its uncertainty, Geophys. Res. Lett., 43, doi:10.1002/2016GL070587.
Schmidt, H., S. Rast, F. Bunzel, M. Esch, M.A. Giorgetta, S. Kinne, T. Krismer, G. Stenchikov, C. Timmreck, L. Tomassini and M. Walz (2013). The response of the middle atmosphere to anthropogenic and natural forcing in the CMIP5 simulations with the MPI-ESM., Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES), 5, 98-116, doi: 10.1002/jame.20014.
Timmreck, C., H. Pohlmann, S. Illing and C. Kadow (2016). The impact of stratospheric volcanic aerosol on decadal scale predictability. Geophys. Res. Lett, 43, doi: 10.1002/2015GL067431.
Zanchettin, D., M. Khodri, C. Timmreck, et al. (2016). The Model Intercomparison Project on the climatic response to Volcanic forcing (VolMIP): experimental design and forcing input data, Geosci. Model Dev., 9, 2701-2719, doi:10.5194/gmd-9-2701-2016.