MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 Ein flexibles Vorhersagesystem für dekadische Klimaprognosen (FLEXFORDEC) FLEXFORDEC ist ein zentrales MiKlip- Projekt, das das zentrale dekadische Vorhersagesystem einrichtet. Auf der Konferenz wurden die generelle Struktur des Projekts inklusive aller Arbeitspakete, das ehemalige und das in der Produktion befindliche Vorhersagesystem, sowie laufende Entwicklungen vorgestellt. Für Entwicklungsstufe 1 werden zwei Vorhersagesysteme benutzt. Das erste, Baseline Version 0, entspricht den CMIP5- dekadischen Simulationen (http://cmippcmdi.llnl.gov/cmip5/) des Erdsystemmodells des Max-Planck-Institut für Meteorologie in niedriger Auflösung (MPI-ESM-LR). Das zweite, Baseline Version 1, welches sich zurzeit in Produktion befindet, benutzt zwar dasselbe Modell wie sein Vorgänger, jedoch unterschiedliche Startbedingungen. Gegenüber Baseline Version 0, in welchem nur der Ozean initialisiert wurde (NCEP angetriebene MPIOM), wurde bei Baseline Version 1 eine ozeanische (NEMOVAR) und atmosphärische Assimilation durchgeführt. Außerdem wird in Baseline Version 1 der Übergang von MPI-ESM-LR zur höher aufgelösten Version des Modells (MPI-ESM- MR) überlegt. (1) wird eine technische Infrastruktur implementiert, die Ensemblegenerierung und Datenassimilation bedingt. Der erste Schritt hierzu ist es, ein atmosphärisches Äquivalent zum vom Deutschen Wetterdienst (DWD) genutzten 3DVar und einen ozeanischen 3DVar (aktuell in Entwicklung in einem Projekt des Moduls A) ins MPI-ESM-System zu implementieren. Das Ziel, große Ensemble und komplexe Assimilationstechniken zu nutzen, stellt große Anforderungen an die Infrastruktur der Modellumgebung, etwa eine schnelle Fehlerbehebung und ein hohes Maß an Parallelisierung. Um dies zu gewährleisten, wird zurzeit der Meta-Scheduler Cylc in das MPI-ESM implementiert. Der dritte Aspekt ist von besonderer Bedeutung, da die Daten, die in FLEXFORDEC produziert werden, mit allen MiKlip-Nutzern geteilt und im Standardevaluierungssystem benutzt werden sollen. Daher wurde eine Arbeitsroutine für Metadatenimplementierung und Datenformate entworfen. Diese Routine wird zurzeit in die Umgebung des MPI-ESM eingepflegt. Ursprünglicher Beitrag: W. A. Mueller, H. Pohlmann, F. Vamborg, K. Kulkarni, K. Modali, D. Kleberg, and J. Marotzke, FLEXFORDEC - A flexible forecast system for decadal climate predictions, Poster 3ICESM-273. Sowohl Baseline Version 0 als auch Version 1 arbeiten mit einer Modellinfrastruktur, die für CMIP5 entwickelt wurde. Für zukünftige MiKlip-Systeme wird eine vorhersageorientiertere Infrastruktur notwendig sein. Um nun ein gut funktionierendes Modellsystem zu erstellen wird zurzeit in folgenden Bereichen gearbeitet: (1) Ensemble-Vorhersagesysteminfrastruktur, (2) Modellumgebungsinfrastruktur, (3) Nachbearbeitung und Kommunikation. Für Auswertung dekadischer Hindcasts: Klimaindizes und Wolken - ein Beitrag von VeCAP Das Ziel des VeCAP-Projekts ist es, zu der Bewertung der dekadischen, retrospektiven Vorhersagen (engl. hindcasts ) von MiKlip beizutragen. In einem ersten Schritt entwickelten die Autoren dazu einen Satz statistischer Methoden, welche MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 1
Wahrscheinlichkeitsabschätzungen der hindcasts gegen diverse, auf Beobachtungen basierte, Datensätze erlauben. Die Autoren präsentierten zwei Beispiele mit Fokus auf der Bewertung von Klimaindizes mit Hilfe von Reanalyse-Daten (ERA) und der Bewertung von Wolken im Vergleich zu aus Satellitendaten abgeleiteten Beobachtungen (CM SAF AVHRR GAC und NASA CloudSat) unter Verwendung von Satellitensimulatoren (COSP). Die Modelldaten stammten aus einem Zehn- Mitglieder-Ensemble aus dem MiKlip Baseline 0 System, initialisiert in 2001. Als statistische Analysen wurden die Varianzanalyse (engl. Analysis of Variance, ANOVA) und ein analytisches Wahrscheinlichkeitshistogramm (engl. Analysis Rank Histogram, ARH) verwendet. ANOVA zeigt an, ob ein gemeinsames Signal in einem Ensemble von Modelldaten existiert, welches auf potentielle Vorhersagbarkeit schließen lässt. Dahingegen weist ARH darauf hin, ob eine Vorhersage (oder hindcast ) kalibriert ist und den beobachteten Datenbereich umfasst. ANOVA des Darwin-minus-Tahiti-Southern- Oscillation-Index zeigen für das aus zehn Ensemble-Mitgliedern bestehende Mittel für Januar 2001-2010 eine erklärte Varianz von 60%. Ein Vergleich mit Reanalyse-Daten zeigt, dass dies mit einem unrealistischen ENSO zum Modellstart zusammenhängen kann. Die Daten zur Wolkenbedeckung (engl. fractional cloud cover ) wurden aus Satellitendaten und dem MiKlip-System gewonnen, wobei sie in letzterem Fall aus dem ISCCP-Satellitensimulator stammten. Die Bereiche potenzieller Vorhersagbarkeit wurden mit Hilfe von ANOVA identifiziert. Sie lagen hauptsächlich im Bereich des äquatorialen Pazifik, was die unrealistische ENSO zu Modellbeginn widerspiegelt. Durch Verwendung von ARH für einen globalen Vergleich des Vorhersagesystems mit Beobachtungen wurde eine Überschätzung des Ensemble-Spreads bezüglich der Wolkenbedeckung festgestellt. Dies weist darauf hin, dass es für diesen Parameter schwierig werden könnte, Vorhersagbarkeit abzuleiten, da das Vorhersagesystem bestimmte, beobachtete Situationen, nicht wiedergibt (Schärfe). Außerdem weisen die Autoren darauf hin, dass in Hinblick auf einzelne Monate große Unterschiede zwischen der Radarreflektivität für individuelle Ensemble-Member und den vom CloudSat-Radar gemessenen bestehen. Ursprünglicher Beitrag: T. Spangehl, M. Schröder, A. Hense, R. Glowienka-Hense, S. Stolzenberger, F. Kaspar and R. Hollmann, Evaluation of decadal hindcasts: climate indices and clouds, Poster 3ICESM- 206. Verschiedene Variationen der Atlantischen Multidekadischen Variabilität - ein Beitrag von MultiClip Diese Studie nutzt eine Vielzahl von Indizes um unterschiedliche Aspekte der multidekadischen Variation in der nordatlantischen Oberflächenwassertemperatur (engl. North Atlantic Sea Surface Temperature - NASST), der sogenannten Atlantic Multidecadal Variability (AMV), darzustellen. Das Ziel ist es, eine bessere Interpretation der AMV zu ermöglichen und damit die Antriebskräfte der AMV besser verstehen zu lernen. Zu diesem Zweck wurden drei standardisierte AMV-Indizes definiert und dann miteinander verglichen. Als Indizes wurden (1) die räumlich gemittelte NASST, (2) die räumlich gemittelte ΔNASST als Indikator für lokale NASST-Abweichungen von dem Mittel der globalen SSTs und (3) die entsprechende Hauptkomponente der ersten empirischen orthogonalen Funktion (EOF) der NASST festgelegt. Diese Indizes wurden für ungestörte und extern-angetriebene vorindustrielle Simulationen über mehrere Jahrhunderte mit mehreren Erdsystemmodellen unterschiedlicher Auflösung und Komplexität berechnet. Es wurde eine generelle Übereinstimmung MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 2
zwischen (1) und (2) in den AMV-Mustern beobachtet, wohingegen (3) in manchen Simulationen weniger als ein Drittel der gesamten Variabilität mit (1) und (2) gemein hatte. Dabei kann in allen Modellen mit allen Indizes eine multidekadische Variabilität beobachtet werden. Um Regionen mit großen Verstärkungen oder Dämpfungen der AMV-Signatur hervorzuheben wurde eine Skalierungsmethode angewandt, mit der angetriebene und nicht angetriebene Simulationen verglichen wurden. Mit dieser Methode wurde eine Abhängigkeit der Skalierungsmuster von der Art der Simulation und vom Index festgestellt. Im Ganzen können intern und extern angetriebene AMV- Eigenschaften in einem linearen Rahmen für keine der in Betracht gezogenen Indizes oder Simulationen eindeutig voneinander getrennt werden, was eine robuste Diagnose der simulierten vorindustriellen AMV als vorwiegend intern oder extern angetriebenes Phänomen verhindert. Die Benutzung verschiedener Indizes für die Beschreibung der simulierten NASST- Variabilität führt also zu unterschiedlichen Statistiken und Mustern, obwohl alle Indizes multidekadische Variabilität beschreiben. Somit konditioniert die Definition der AMV die Interpretation der statistischen und physischen Eigenschaften der NASST- Variabilität, weshalb die Autoren unterstreichen, dass ein multiperspektivischer Ansatz nötig ist, um die multidekadische Variabilität der NASST physikalisch verstehen zu lernen. Ursprünglicher Beitrag: D. Zanchettin, J. Bader, W. Mueller, O. Bothe, and J.-H. Jungclaus, Different flavors of the Atlantic Multidecadal Variability, Poster 3ICESM-108. Dynamische Reaktionen auf vulkanische Aerosole in der Strato- und Troposphäre - ein Beitrag von ALARM Vorhersagbarkeit von winterlichen Erwärmungen in der nördlichen Hemisphäre nach großen Vulkanausbrüchen in den Tropen zu testen. Als Erstes wurden die historischen Simulationen des CMIP5 Multi-Modell - Ensembles mit ERA-Interim Reanalysen verglichen. Diese Analyse zeigt, dass diese Modelle, ähnlich den früheren CMIP3, nicht fähig sind, den beobachteten starken vulkanischen Einfluss auf die Stratosphäre der winterlichen Nordhemisphäre abzubilden. Zusätzlich konnten die Autoren zeigen, dass die Korrektheit der Darstellung der CMIP5- Modelle unabhängig von der Position der Modellobergrenze ist (engl., low-top/high-top models). Das gekoppelte Aerosol- und atmosphärische Zirkulationsmodell MAECHAM5-HAM enthält detaillierte Aerosol-Mikrophysik, die nicht in den CMIP5-Modellen vorhanden ist. Dieses Modell wurde für Eruptionssimulationen benutzt. Das Ensemble-Mittel dieser Simulationen zeigt nach den Eruptionen einen beobachtungsnahen Zustand in der Nordhemisphäre. Diese Übereinstimmung zwischen Modell und Beobachtung wurde auf der Südhalbkugel nicht gefunden. Die Werte der unterschiedlichen Simulationen variierten stark, was auf eine große Variabilität des simulierten posteruptiven Verhaltens der Stratosphäre schließen lässt. Weiterhin hatte die Jahreszeit der Eruption einen signifikanten Einfluss auf die Modellergebnisse. Der simulierte Einfluss auf das Oberflächenklima war geringer als angenommen. Hierbei lag die signifikanteste Reaktion des Modells in einem positiven Frühlingssignal im Southern Annular Mode (SAM) nach Ausbrüchen im April. Ursprünglicher Beitrag: M. Toohey, K. Krüger, C. Timmreck, and S. Gleixner, Dynamical responses to volcanic aerosols in the stratosphere and troposphere, Poster 3ICESM-195. Das Ziel der vorgestellten Studie war es, die MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 3
Southern Annular Mode - Reaktion auf vulkanische Eruptionen in den MPI-ESM CMIP5-Simulationen - ein Beitrag von ALARM Diese Studie evaluiert die Fähigkeit des MPI- ESM-MR, troposphärische und stratosphärische Reaktionen des Southern Annular Mode (SAM) auf vulkanische Eruptionen abzubilden. Dazu wurden die mit dem MPI-ESM-MR durchgeführten CMIP5- historischen Simulationen, die vergangene Vulkanausbrüche als externer Antrieb enthalten, analysiert. Diese Simulationen weisen, genau wie in früheren Studien gezeigt, eine steigende Tendenz im SAM in dem simulierten Zeitraum auf. Die direkte Folge eines Ausbruchs in sowohl stratosphärischem als auch oberflächennahem SAM wurde für Reanalyse-Daten und die Simulationen betrachtet. Hierbei zeigten, nach dem Ausbruch, vier der fünf von der ERA-40- Reanalyse erfassten Ausbrüche eine Tendenz zu negativen stratosphärischen SAM, wobei sich allerdings nur zwei davon als statistisch signifikant herausstellten. Dies ist weiterhin begleitet von einer negativen Oberflächen- SAM im Sommer nach dem Ausbruch. Für die historischen Simulationen beobachteten die Autoren ein anderes Bild. Zwei der zehn von den historischen Simulationen erfassten Ausbrüche zeigten hier einen signifikanten Wechsel hin zu einem positiven stratosphärischen SAM im Frühling nach der Eruption, wobei diese Fälle kein klares Signal an der Oberfläche zeigen. Die anderen acht simulierten Ausbrüche zeigten weder in der Stratosphäre noch an der Erdoberfläche ein klares Signal der SAM. Die Autoren leiteten daraus ab, dass nur die stärksten Eruptionen der letzten 150 Jahre zu einem signifikanten simulierten Signal in der Stratosphäre führen. Projekts ist eine Untersuchung des Einflusses einer Kombination von ENSO und Vulkanausbruch auf das Klima in den genannten Simulationen. Ursprünglicher Beitrag: S. Gleixner, M. Toohey, K. Krüger, and H. Schmidt, Southern Annular Mode response to volcanic eruptions in the MPI-ESM CMIP5 simulations, Poster 3ICESM-337. Wie entwickeln sich große plötzliche stratosphärische Erwärmungen in CMIP5- Modellen? - ein Beitrag von ALARM Das Ziel dieser Studie war es, die Genauigkeit in der Repräsentation von stratosphärischer Wintervariabilität in high-top Klimamodellen anhand von plötzlichen stratosphärischen Erwärmungen (Sudden Stratospheric Warmings (SSWs)) und troposphärischem Blocking in drei der CMIP5-Modelle zu bestimmen. SSWs stehen in Beziehung mit Troposphäre-Stratosphäre- Troposphäre-Kopplungen, die üblicherweise mit einer Aufwärtsverschiebung der planetaren Wellen der zonalen Wellenzahlen 1 bis 3 eingeleitet werden. In einer vorhergegangenen Studie zeigten die Autoren bereits, dass drei Viertel der größeren SSWs im Zusammenhang mit der Wellenzahl 1 auftreten und die restlichen mit der Wellenzahl 2 zusammenhängen. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelten die Autoren ein Kriterium, um zwischen diesen zwei Haupttypen von SSWs zu unterscheiden. Die gemittelte Frequenz der SSWs im Gesamtmittel der CMIP5-Modelle war nah an der beobachteten, aber das W 1 /W 2 -Verhältnis, bestimmt mit dem o.g. Kriterium, variierte zwischen den einzelnen Modellen, wobei nur eins der Modelle (HadGEM2-CC) ein realitätsnahes Verhältnis abbildete. Die sogenannten final warmings wurden in allen Modellen beobachtet, auch die Intensität des Blocking wurde gut wiedergegeben, wobei im euro-atlantischen Sektor schwächere Werte abgebildet wurden. Der nächste Schritt innerhalb des ALARM MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 4
Zusätzlich analysierten die Autoren zukünftige projizierte Änderungen in der Frequenz großer SSWs und troposphärischen Blockings mit Hilfe der CMIP5-Simulationen mit dem rcp85 Treibhausgaspfad (emission pathway). Alle drei Modelle sagen einen Anstieg in der jährlichen Frequenz der großen SSWs vorher, wobei das MiKlip-Modell (MPI-ESM-LR) Werte nah einer SSW pro Jahr projiziert. Außerdem zeigen alle Modelle einen globalen Rückgang der Blocking- Aktivität. Ursprünglicher Beitrag: S. Bancalà, K. Krüger, M. Giorgetta and H. Schmidt, How do major SSWs develop in CCMVal and CMIP5 models?, Poster 3ICESM-318. Dekadische Variabilität und Extreme in Frequenz und Intensität Europäischer Wintersturmereignisse - ein Beitrag von EnsDiVal Das Ziel dieser Studie war es, dekadische Variabilität und Extremereignisse europäischer Winterstürme in Bezug auf Frequenz und Intensität besser zu verstehen. Dazu wurden zwei Methoden zur Identifikation und Verfolgung dieser winter storm events und Zyklone auf Reanalysen des 20. Jahrhunderts angewendet. Mit Sets mehrerer aufeinander folgender Winter mit entweder vielen oder wenigen Stürmen konnten die Autoren zeigen, dass hohe Frequenzen mit warmen Tropen, geringen Sturmfrequenzen in hohen Breiten, einem erhöhten meridionalen Oberflächenwassertemperatur (engl., sea surface temperatures SST)-Gradienten südlich von Grönland und einem starken Pazifische Dekaden-Oszillation (PDO)-ähnlichen SST- Signal im Pazifik einhergehen. Niedrige Frequenzen hängen dagegen mit einem horseshoe -SST-Muster im Atlantik und einem undeutlichen Signal in den Tropen oder im Pazifik zusammen. Bei einer Betrachtung der Signale einzelner Jahre wurden für Winter mit vielen Stürmen Muster ähnlich zur positiven Nordatlantischen Oszillation (NAO(+)), El-Nino-ähnliche SST-Muster und ein erhöhter meridionaler SST-Gradient im Atlantik beobachtet. Winter mit wenigen Stürmen gehen dagegen mit blockingähnlichen Mustern über Nordeuropa und der Barentssee sowie generell erhöhter Atlantik-SST einher. Weiterführend planen die Autoren eine Analyse der zeitlichen und räumlichen Entwicklung der beobachteten Muster, eine Verbindung der dekadischen Variabilität der Winterstürme mit Indizes in der Atmosphäre und dem Ozean, sowie eine Analyse der signifikanten Vorhersagequalität von Wintersturmfrequenz und -variabilität. Ursprünglicher Beitrag: T. Kruschke, H. Rust, B. Schyska, S. Wild, G.C. Leckebusch, and U. Ulbrich, Decadal Variability and Extremes of European Winter Storm Frequency and Intensity according to the 20th Century Reanalysis, Poster 3ICESM-336. Probabilistische dekadische Vorhersage für Zentral- und Westeuropa (PRODEF) Ziel des PRODEF-Projektes ist es, ein Tool zu entwickeln, das statistisch-dynamisches Downscaling (SDD) und probabilistische Vorhersagen für hochaufgelöste dekadische Vorhersagen über Zentral- und Westeuropa miteinander kombiniert. Der Fokus liegt hierbei auf drei Themen: Stürme, Windpotential für Energieversorgung und schwere Regenfälle, die zu Überflutungen führen können. Mit dem SSD-Ansatz werden Transferfunktionen zwischen großskaligen atmosphärischen Zuständen, also problemrelevanten Wetterarten, und lokalen Wettereigenschaften (etwa Windstößen) bestimmt. Nur einzelne repräsentative Abschnitte der verschiedenen Wettertypen werden dabei mit dem regionalen Klimamodell COSMO-CLM simuliert, um großskalige und kleinskalige Wetterereignisse miteinander zu verknüpfen. Daher kann der SSD-Ansatz ohne Schwierigkeiten auf ein großes Ensemble dekadischer, retrospektiver Vorhersagen (engl. hindcasts ) angewendet werden. MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 5
In der vorgestellten Studie konzentrierten sich die Autoren zunächst auf die Untersuchung des Ausmaßes, zu dem sich die den drei oben genannten Themen zugehörigen großskaligen, atmosphärischen Charakteristika in dekadischen hindcasts des MiKlip Baseline 0 widerspiegeln. Zehn Ensemble-Mitglieder für fünf getrennte Jahrzehnte der hindcast - Simulationen wurden mit NCEP-Reanalyse verglichen, um die Abbildung der NAO- Variabilität und die Frequenzen verschiedener Wetterzirkulationstypen (CWT) zu analysieren. Allgemein simulierten die hindcast -Simulationen die NAO-Variabilität in Bezug auf die Standartabweichung realistisch, für tatsächliche Zeitreihen können jedoch große Abweichungen zwischen den Ensemble-Mitgliedern auftreten. Auch das gemittelte Auftreten der CWT wurde von den hindcasts abgebildet, wobei die Frequenzen für Zyklone, Antizyklone und Westwinde sowohl in den hindcasts als auch in der NCEP-Reanalyse am Höchsten waren. Auch konnten systematische Modellabweichungen festgestellt werden, wobei die meisten Ensemblemitglieder das Auftreten von antizyklonischen CWTs unterund das Auftreten von Westwinden überschätzten. Für die NAO-Variabilität fanden die Autoren große Diskrepanzen zwischen den einzelnen Ensemble- Mitgliedern. Im laufenden MiKlip-Projekt wird der SSD- Ansatz auf das komplette MiKlip Baseline 0 Vorhersagesystem (mit insgesamt 286 Mitglieder) angewendet werden, um die aus unterschiedlichen Ausgangsbedingungen resultierenden Ungenauigkeiten abzuschätzen. Ursprünglicher Beitrag: J. G. Pinto, K. Born, R. Haas, and M. Reyers, Probabilistic Decadal Forecast for Central and Western Europe (PRODEF), Poster 3ICESM-75. MiKlip-Poster von der 3ICESM veröffentlicht im MiKlip Newsletter Dezember 2012 6