Bericht zum Neubeginn der CLM- Konsortialrechnungen infolge

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1 BugReport: CO2 Modellversion: CLM2.4. Datum: Bericht zum Neubeginn der CLM Konsortialrechnungen infolge einer notwendigen Korrektur der CO 2 Konzentrationen im CLM Zusammenfassung Andreas Will, BTU Cottbus In der Modellversion clm2.4.8 wurde ein erheblicher Fehler in den vorgegebenen Konzentrationen des CO 2 Gehalts der Atmosphäre entdeckt. Die mit der Modellversion durchgeführten Teile der Konsortialrechnungen sind als Datengrundlage für den BMBF Förderschwerpunkt "Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkungen" nicht brauchbar, da sie systematische Fehler enthalten, deren genaue räumliche und quantitative Verteilung weder theoretisch noch empirisch bestimmt werden kann. Da die Fehleramplituden die gleiche Größenordnung hatten, wie die Abweichungen der ECHAM5Antriebsdaten von den Beobachtungen, konnte der Fehler nicht im Rahmen der parallel durchgeführten Standardevaluierung (Vergleich mit Beobachtung) gefunden werden. Die Rechnungen werden seit dem 20.September mit der korrigierten Version clm durchgeführt. Um Ergebnisse möglichst zeitnah zur Verfügung stellen zu können, werden die Kontrollrechnungen des Zeitraum 1955 bis 20 und die Szenarienrechnungen des Zeitraums 2001 bis 20 zum Teil parallel durchgeführt. Im Rahmen der Evaluierung des CLM ist bei einem detaillierten Vergleich von Testrechnungen aufgefallen, dass die Ergebnisse der Berechnungen des Gegenwartsklimas mit den Einstellungen ico2rad=0 (konstanter CO 2 Gehalt der Atmosphäre) und ico2rad=2 (Szenario A1B eff) deutlich voneinander abwichen. Die Nachprüfung ergab, dass die im CLM implementierte jahreszahlabhängige Funktion 7 2 fo (y) = y y y y 4 zur Berechnung des effektiven CO2 Gehalts des Szenarios A1B zu grob falschen CO2 Konzentrationen im Zeitraum 1950 bis 20 führt. Dies zeigt Abbildung 1.

2 Abbildung 1: Funktionaler Verlauf von fa1beff_o (y). Die Skala links gibt den relativen Massenanteil ain der Luft an. Die rechte Skala gibt den Anteil in ppm an. Die Überprüfung der anderen implementierten Szenarien ergab: ico2rad CO2 Szenario Fehler bis clm2.4. in % 1 A1B CO A1B CO2 eff B1 CO2 4 B1 CO2 eff 5 A2 CO2 6 A2 CO2 eff In der Version CLM wurden die Koeffizienten des Polynoms 4.Ordnung für die Approximation des CO2 Gehalts der Atmosphäre in allen Szenarien korrigiert. Das A1B CO2 effszenario wurde mithilfe der Funktion fn(y) = y y y y 4

3 approximiert. Abbildung 2 zeigt den Verlauf von fn(y). Abbildung 3 gibt die Abweichungen von fn(y) gegenüber dem A1B CO 2 eff Szenario an. Die ab der Version CLM verwendete Funktion fn(y) hat im Zeitraum eine Standardabweichung σ_ fn (y) von dem im ECHAM5 verwendetenco 2 Szenario von 2.6 ppm. Diese Abweichung ist vernachlässigbar, da sie kleiner ist als die interannuelle Variabilität der atmosphärischen CO 2 Konzentration. Die Standardabweichung σ_ fn (y) ließe sich nur mithilfe einer deutlichen Erhöhung des Polynomgrades der Funktion fn entscheidend reduzieren. Abbildung 2: Funktionaler Verlauf von fn (y) (y 0 =0) und der Funktion fn2(y2000) (y 0 =2000).. Skala wie in Abbildung 1. Abbildung 3: Differenz von fn (y) und A1B effszenario. Skala wie in Abbildung 1 Relevanz der Konzentration für die Simulationsergebnisse CO 2 Um die Relevanz der überhöhten CO 2 Konzentrationen fo (y) zu untersuchen, wurden zwei jährige Testrechnungen für den Zeitraum durchgeführt. Die Konfiguration der Simulation NCEP1a entsprach weitgehend der Konfiguration der CLMKonsortialläufe2006. Es wurde lediglich anstatt dx=0.165 eine horizontale Auflösung dx=0.44 Grad und anstatt ECHAM5 die NCEPReanalysen als Antriebsdaten verwendet. Die Referenzsimulation NCEP1j unterschied sich von NCEP1a nur durch die Verwendung eines konstanten CO 2 Gehalts von 330 ppm anstatt des durch fo(y) funktional vorgegebenen. Abbildung 4 zeigt die Differenz der mittleren bodennahen Temperatur T_2m der Referenzsimulation NCEP1j gegenüber NCEP1a des Zeitraums (NCEP1jNCEP1a). Die Simulationen zeigen eine großräumige Differenz von 0.5 K. Wie erwartet zeigt der Vergleich einen NordSüd

4 Gradienten und einen WestOstGradienten der Temperaturdifferenz. Konsistent mit der Theorie zeigt die Simulation mit beobachtetem CO 2 Gehalt (NCEP1j) kleinere Temperaturen als die Simulation mit dem deutlich erhöhten CO 2 Gehalt (NCEP1a). Allerdings ist der Unterschied verglechsweise klein. Andere Variablen zeigen ebenfalls geringe, systematische Unterschiede zwischen den Simulationen. Abbildung 5 zeigt die Differenz der mittleren Jahresniederschläge, der beim erhöhten CO 2 (NCEP1j) überall um bis zu % niedriger ist bis auf den Ostrand, wo er um rund % höher ausfällt. Während man das Temperatursignal der erhöhten CO 2 Konzentration noch erwarten kann, ist die räumliche Verteilung der Niederschlagsdifferenz ( Abbildung 5) unerwartet. Entsprechendes gilt für andere dynamische Variablen. Abbildung 4: Differenz (NCEP1jNCEP1a) (Links) der Mittel und Jahresgang der Monatsmittel des Gebietsmittels (des rot umrandeten Gebiets im linken Bild, rechtes Bild) der 2mTemperatur des Zeitraums Abbildung 5 :Differenz (NCEP1jNCEP1a) der Mitelwerte der Jahresniederschläge des Zeitraums Links: Absolute Differenz Rechts: Relative Differenz, normiert mit dem Jahresniederschlag der NCEP1aSimulation Die wesentlichen Gründe für die unerwartet schwache Reaktion des CLM auf stark erhöhte CO 2 Konzentrationen sind die vorgeschriebenen Werte am Rand des Simulationsgebiets und

5 die ebenfalls aus den Antriebsdaten übernommenen Ozean und Meeresoberflächentemperaturen. Wie Abbildung 4 zeigt, bilden die Landpunkte rund 50% des Simulationsgebiets. Man sieht deutlich, dass die Differenzen NCEP1jNCEP1a mit der Kontinentalität zunehmen, d.h. mit dem Abstand der Luftmassen von der Küste. Die Luft strömt innerhalb von 3 bis 7 Tagen durch das Simulationsgebiet durch und sorgt für eine Temperierung des regionalen Klimas. Die Differenz der Simulationen NCEP1j und NCEP1a zu klein ist, um durch Vergleich zwischen NCEP1j und Beobachtungen entdeckt werden zu können. Der systematische Fehler kann jedoch weder theoretisch noch empirisch bestimmt werden, außer durch direkten Vergleich der Simulationen. Es kann also nicht vorhergesagt werden, wie der entsprechende systematische Fehler in anderen Simulationen in Abhängigkeit von der Zeit zu bestimmen wäre. Konsortialläufe Für die Durchführung der Konsortialläufe wurde das CO 2 Szenario A1B als Referenz ausgewählt und deshalb in der Konfiguration der namelistparameter ico2rad=2 gesetzt. Genau dieses Szenario war in der seit März 2006 verwendeten Programmversion CLM_2.4.8 grob falsch vorgeschrieben. Wie der Vergleich der Testrechnungen zeigte, kann der systematische Fehler (Bias) der Konsortialrechnungen nicht bestimmt werden. Quantitativ ist der Bias jedoch so groß, dass eine sinnvolle Interpretation der Ergebnisse der Konsortialrechnungen ohne eine eindeutige Bestimmung des Bias zumindest über erhebliche Zeiträume hinweg in Frage gestellt ist. Abbildung 6: Differenz (B1_1A1B_1) der 2mTemperaturen der Konsortiallaufsimulationen B1_1 und A1B_1 der Jahre 2001 bis 20 mit clm Links: Mittelwert Rechts: mittlere Monatsmittel des Gebietsmittels über Deutschland. Eine direkte Bestimmung des Bias der Konsortialrechnungen ist nur für den Zeitraum 2001 bis 20 möglich durch Vergleich der mit clm2.4.8 durchgeführten Konsortialrechnungen B1_1 und A1B_1, da der CO 2 Gehalt der B1_1 Simulation rund 500 ppm beträgt im Unterschied zu rund 3000 der A1B_1 Simulation. Die Differenz der mittleren 2mTemperatur der Jahre 2001 bis 20 der Konsortiallaufsimulationen B1_1 und A1B_1 ( Abbildung 6) zeigt systematische Unterschiede zwischen den Simulationen, die von gleicher Größenordnung sind wie die von NCEP1j

6 NCEP1a (Abbildung 4) aber mit einer anderen räumlichen Verteilung des Bias. Entsprechendes gilt für die anderen Variablen der Simulation. Eine Verallgemeinerung des empirischen Ergebnisses für andere Zeitäume der Simulation ist damit nicht möglich. Die Reaktion des Modells auf die erhöhten CO 2 Konzentrationen ist zu schwach, um zu offensichtlichen Unterschieden in den klimatologischen Feldern zu führen. Dies zeigt der Vergleich der Ergebnisse der A1B_1Simulation mit CRUDaten ( Abbildung 7), der begleitend durchgeführt wurde. Trotz erhöhten CO 2 zeigt der Vergleich der 2mTemperaturen der A1B_1Simulation ( mit clm2.4.8) einen positiven Bias von 0.5 bis 1 K im nördlichen Europa, dem Alpenraum und Spanien und einen entsprechenden negativen Bias in der PoEbene und über dem Balkan. Insgesamt stimmt die simulierte 2mTemperatur besser mit der Beobachtung überein als in allen bisher durchgeführten Evaluierungssimulationen, die mit i co2rad=0, d.h. mit beobachteten CO 2 Konzentrationen durchgeführt wurden. Auch andere Variablen zeigen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Beispielsweise zeigt der sensitiv reagierende Gesamtniederschlag TOT_PREC Abweichungen in der Jahresniederschlagssumme in der Größenordnung von 20% ( Abbildung 7 rechts). Abbildung 7: Differenz (A1B_1CRU) der Mittelwerte der Jahre 1979 bis 1993 der Konsortiallaufsimulationen (CLM2.4.8) und der CRUDaten. Links: 2mTemperatur (T_2m) Rechts: Gesamtniederschlag (TOT_PREC) Da sich die Simulationen A1B_1 und B1 und die Simulationen NCEP1j und NCEP1a nur in den CO2 Konzentrationen unterscheiden, aber unterschiedliche räumliche Verteilungen des Bias für unterschiedliche Antriebsdaten zeigen, ist das Ergebnis auf andere Zeitabschnitte der Kon nicht voraussetzen, dass der Bias linear in sortiallaufsimulationen nicht übertragbar. Man kann auch terpretiert werden kann. Es ist also nicht möglich, einen Konsortiallauf mit einem Antriebsdatensatz mit clm zu wiederholen und den empirisch bestimmten Bias auf die anderen Ensemblemitglieder zu übertragen. Die infolge der überhöhten CO2 Konzentration aufgetretene Bias und der nichtlineare Charak Konsortiallaufsimulationen mit der Modell ter des Modells führten zu der Empfehlung, die version clm2.4.8 abzubrechen und mit der Modellversion clm (mit korrigierten CO2 Konzentration) neu zu beginnen. Um die Ergebnisse zeitnah zur Verfügung stellen zu können, wurde entschieden, die Simulationen des Gegenwartsklimas (1955 bis 2000) und die Szena (2001 bis 20) im Rahmen der zur Verfügung stehenden Rechenleistung am rienrechnungen DKRZ gleichzeitig zu beginnen.

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