Modellierung des Klimasystems

Transkript

1 Modellierung des Klimasystems Eva Bauer Erdsystemanalyse Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung Vorlesung zu GW2 (Modellierung erdsystemarer Prozesse), Uni Potsdam, 18. April 2011

2 Modellierung des Klimasystems I. Was ist das Klimasystem? II. Warum unterschiedliche Klimamodelle? III. Beispiele der Klimamodellierung zur Erdsystemanalyse Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,

3 I. Was ist das Klimasystem? Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,

4 I. Was kennzeichnet das Klimasystem? - Klimazustand, Klimavariabilität - Zeitskalen (Erreichen eines Gleichgewichts, Variabilitäten) - Ursachen für Klimaänderungen (extern, intern, anthropogen) - Prozesse, Wirkungsketten Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,

5 Gleichgewichtszeitskalen im Klimasystem

6 jährige Variationen im Quartär Klimarekonstruktion vom EPICA-Eisbohrkern Eisbohrkern der Antarktis 10 Grad 100 ppm Jahre (Luethi et al., 2008)

7 Abrupte Klimaänderungen (~ 1000 Jahre) Temperatur eines Eisbohrkerns in Grönland zeigt 18 sprunghafte Record Änderungen of δ O from GRIP über ice core Jahrtausende 20 Grad Letzte maximale Vereisung Jüngere Dryas (NorthGRIP Members,, 2004)

8 Beobachtete anthropogene Klimaänderungen seit ca AD (IPCC 2007)

9 Regionale Variabilitäten in Klimasystem (COADS Daten, Berry & Kent, 2009)

10 EXTERNE URSACHE Sonneneinstrahlung variiert mit Erdbahnparametern periodisch zwischen bis Jahre

11 Schema der Klimamodellklassen Schema der Klimamodellklassen 1. Energiebilanzmodell (EBM) 2. Erdsystemmodell mittlerer Komplexität (EMIC) 3. Allgemeines Zirkulationsmodell (GCM)

12 4 Grundprozesse der Klimamodellierung Strahlung Dynamik Oberflächenprozesse auf Land + Ozean Chemie

13 Pyramiden der Klimamodellierung Fortschreitende Entwicklung von Komplexität und Auflösung der Klimamodelle

14 II. Warum unterschiedliche Klimamodelle? Klimamodelle helfen, das Klimasystem zu verstehen. 1. Testen von Hypothesen zur Erklärung eines Klimazustandes oder Klimawandels 2. Reproduktion von Klimadaten und Interpretation von indirekten Proxydaten 3. Klimaprojektionen für angenommene Szenarien oder Zielfunktionen Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,

15 Zeitskalen für f r Klimaprozess-Modellierung

16 III. Beispiele von Klimamodellierungen 1. Glaziale-interglaziale Klimazyklen (Milankovitch-Theorie, 1941) 2. Anthropogener Klimawandel (Hitze-Extrem in Russland 2010) Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,

17 Orbital Parameters Solar Activity ATMOSPHERE Dynamics Radiation Transport - heat -water -dust POTSDAM Thermodynamics AEROSOLS GHGs Chemistry CO 2 Dust Momentum Heat Water Dust Land use INLAND ICE Dynamics Mass Balance Bedrock Modell SICOPOLIS Thermodynamics Temperature Snow Dust Topography Ice sheet coupler Dust Mill Atmosphere Surface Heat Interface Ocean coupler ASI Land Surface Modell Temperature Precipitation Vegetation Cover TERRESTRIAL VEGETATION Vegetation Dynamics VECODE Terrestrial Carbon Cycle geothermal heat Dust Momentum Heat Water Schema vom Erdsystemmodell CLIMBER-2 Calving of Icebergs OCEAN Dynamics Sea Ice Transport -heat -salinity -tracer Oceanic Carbon Cycle MUZON Thermodynamics CO 2

18 Zonal gemittelte Strahlungsenergieflüsse sse

19 Evaluation of Earth system model of intermediate complexity CLIMBER-2: Seasonal and latitudinal variations SAT ( C) Planetary Albedo (Petoukhov et al., 2005)

20 Klimasimulation der letzten Jahre mit Atmosphäre re-ozean-vegetation-eis-modell CLIMBER-2 2 (AOVI) Zeit (Ganopolski et al., 2010)

21 Dust observed in atmosphere at Saharan Dust Storm observed with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) on NASA s Terra satellite

22 Proxies of dust deposition over last 400,000 years Petit et al., Nature 1999

23 Vielfalt von Wechselwirkungen zwischen terrestrischer Staubproduktion, mariner Biosphäre und Klima (Jickells et al., 2005)

24 Comparison of global distributed dust deposition from CLIMBER-2 with DIRTMAP data Last Glacial Maximum MODERN (Bauer et al., 2010)

25 Staubdeposition über letzten Jahre von CLIMBER-2 2 (AOVI) & Proxiedaten a) ng/g ng/g Antarctica: dust concentration in ice (ng/g) b) g/m 2 /yr g/m 2 /yr Equatorial Pacific: dust deposition (g/m 2 /yr) (Bauer et al., 2010)

26 III. Beispiele von Klimamodellierungen 2. Anthropogener Klimawandel (Hitze-Extrem in Russland 2010) Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,

27 Hitze 2010 in Russland

28 Synoptische Wirbel räumlich r + zeitlich unterschiedlich aufgelöst in Modellen (hier GCM and SDAM) Längenskala ~ 3000km ca. Wellenzahl k ~ 10 resolved resolved param. (Coumou et al., 2011)

29 Closure: Find physically realistic parameterizations for synoptic moments + ageostrophic terms Kinetic Energy: Momentum Flux: Heat Flux: Moisture Flux: Advection Atm. Friction Surface Friction Coupling Ageostrophic terms (Coumou et al., 2011)

30 Code Design of new atmophere model AEOLUS1.0 Strict Object Oriented Approach, C++ Separation of Data Handling / Gridding / Calculations Flexible for future additions User-friendly Numerically efficient (Coumou et al., 2011)

31 Standard Spherical Grid SphericalGrid vector<interface> vector<cell> Functionality for fast access of specific Cells and Interfaces Reduced Spherical Grid (Coumou et al., 2011)

32 Core Building Blocks Cell Coordinates Volume ID Boundary Flag (SPOLE / NPOLE / etc) Neighbors (Cells & Interfaces) Interface Coordinates Area ID Normal vector Boundary Flag (SPOLE / NPOLE / etc) Neighbors (Cells) (Coumou et al., 2011)

33 Testen der Extremereignisse 2010: Hitze in Russland + Niederschlag in Pakistan

34 Modellierung des Klimasystems Empfohlene Literatur McGuffie, Kendal & Henderson-Sellers, Ann A Climate Modelling Primer 3. Edition - January Pages, Wiley & Sons Eva Bauer GW2, Uni Potsdam,