Energetik des Klimas

Warum sind Skaleninteraktionen wichtig, und wie hängen sie mit der Energetik zusammen? Das Klimasystem wird auf großen Skalen angetrieben, wo Energie, z. B. von der Sonne, in großräumige Bewegungen eingebracht wird; aber auf kleinen Skalen gedämpft, wo Dissipation durch turbulente Bewegungen stattfindet. Dadurch wird dem System kinetische Energie entzogen. Die Skalenwechselwirkung ist der Schlüsselmechanismus, der Energie von den Antriebs- auf die Dissipations-Skalen überträgt. Aufgrund dieser Übertragungen ist die Skaleninteraktion nicht nur für die Bildung der mittleren Zirkulation entscheidend. Sie spielt auch eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Variabilität und der Empfindlichkeit der Zirkulation gegenüber Veränderungen der Antriebsfaktoren.  

Wir quantifizieren die Skaleninteraktionen mithilfe von globalen Zirkulationsmodellen mit der höchstmöglichen Auflösung. Wir verwenden die „höchstmögliche Auflösung“, um kleinskalige Prozesse auf der Grundlage von Grundprinzipien auflösen zu können, und "globale" (im Gegensatz zu regionalen) Modelle, um die Wechselwirkungen über alle aufgelösten Skalen hinweg explizit simulieren zu können. Unsere Schlüsselfragen sind, wie und warum sich ein Klimasystem mit umfassenden Skaleninteraktionen anders verhält als ein stark vereinfachtes Klimasystem (mit vielen Parametrisierungen). Unser ultimatives Ziel ist es, zu verstehen, wie Skaleninteraktionen das Klima, die Klimavariabilität und den Klimawandel beeinflussen. 

Ozeanische mesoskalige Wirbel können die Effizienz der Wärmeaufnahme des Ozeans beeinflussen, was sich voraussichtlich auf die Reaktion der globalen mittleren Oberflächentemperatur (GMST) auf einen CO2-Anstieg auswirken wird. Die aktuelle Generation von Klimamodellen stützt sich jedoch im Allgemeinen auf Wirbelparametrisierungen, da sie die mesoskaligen Wirbel des Ozeans nicht auflösen. Die Wirkung parametrisierter Wirbel kann von der Wirkung aufgelöster Wirbel abweichen. Dies kann zu Unterschieden in der GMST-Reaktion führen, die von einem Klimamodell mit wirbelauflösendem gegenüber einem nicht wirbelauflösenden Ozean projiziert wird. Wir untersuchen diesen Effekt anhand eines gekoppelten allgemeinen Atmosphäre-Ozean-Modells mit einer Ozeankomponente, die eine horizontale Auflösung von etwa 10 km hat (Putrasahan et al. 2021). Wir fanden heraus, dass in einer 4 °C wärmeren Welt die Auflösung von Wirbeln zu einer kühleren Reaktion der GMST führt. Diese Abkühlung ist energetisch mit einer größeren Wärmeaufnahme des Ozeans konsistent, die mit einer stärkeren Reaktion aller Wärmeprozesse (diffusive, mittlere und Wirbelwärmeadvektion) einhergeht, wenn mesoskalige Wirbel aufgelöst werden.

Über mesoskalige Wirbel in der Tiefsee ist wenig bekannt, da sie schwer zu beobachten sind und nicht direkt aus Satellitendaten abgeleitet werden können. Wir zeigen, dass im Atlantik in den Tiefen des tiefen westlichen Randstroms (DWBC) die Wirbelflüsse unterhalb des DWBC-Kerns nicht durch die klassische Gent-McWilliams-Parametrisierung dargestellt werden können (Lüschow et al., 2019). Wir zeigen außerdem, dass die Auflösung tiefer mesoskaliger Wirbel zu einer Verlangsamung der DWBC als Reaktion auf eine Zunahme der Windspannung an der Meeresoberfläche führt (Lüschow et al., 2021). Dieser Wirbeleffekt schwächt die Wippe zwischen der oberen Umwälzzelle, bekannt als AMOC, und der unteren Umwälzzelle, bekannt als AABW-Zelle, ab, die in Modellen ohne Wirbelauflösung gefunden wurde.