DYAMOND - Klimamodelle der nächsten Generation

Vereinfacht gesagt besteht die Hauptaufgabe des Klimasystems in der Umverteilung von Energie, insbesondere wird die von der Sonne empfangene Sonnenenergie in Wärmeenergie (oder Enthalpie) umgewandelt, die dann in den Weltraum zurückgestrahlt werden kann. Die Effizienz dieses Prozesses bestimmt die globale Temperatur. Diese Umverteilung und ihr Wirkungsgrad hängen von zwei Haupttransportmodi der Enthalpie ab, einem vom Äquator zu den Polen und dem anderen von der Oberfläche zur Atmosphäre. Die bestehenden Klimamodelle zeichnen sich dadurch aus, dass sie die physikalischen Prinzipien zur Darstellung des ersten Transports nutzen, da sie die für diese Aufgabe verantwortlichen Zirkulationssysteme in der Atmosphäre und im Ozean auflösen. Aufgrund der begrenzten Computerleistung können sie jedoch nicht explizit den anderen Transport darstellen. Der vertikale Transport erfolgt hauptsächlich durch Konvektion, wie sie z.B. in Gewitterwolken auftritt, und dessen horizontale Skala kleiner ist als das, was moderne Klimamodelle auflösen können. Um dieses Problem zu umgehen, wird der Transport semi-empirisch behandelt, in einer Art und Weise, die die Anwendung und Genauigkeit heutiger Modelle einschränkt. In jüngster Zeit ist die Berechnung so weit fortgeschritten, dass es nun möglich ist, diesen konvektiven Enthalpietransport explizit aufzulösen und global zu simulieren, was zu viel physikalischeren Modellen führt. Da diese Modelle alle "Stürme" repräsentieren können, die mit den wichtigsten Arten des Enthalpietransports verbunden sind, werden sie als Globale Sturmauflösende Modelle (Global Storm Resolving Models, GSRM) bezeichnet.

Das Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) ist führend in der Entwicklung dieser GSRM. Zusammen mit der Universität Tokio (einem frühen Pionier in Entwicklung und Anwendung solcher Modelle) hat das MPI-M einen allerersten Vergleich dieser Modelle im Rahmen des sogenannten DYAMOND-Projekts organisiert. DYAMOND steht für DYnamics of the Atmospheric general circulation Modelled On Non-hydrostatic Domains und befasst sich mit zwei Hauptfragen: (i) wie empfindlich sind die Simulationen gegenüber einer bestimmten Implementierung, und (ii) was sind die Leistungs- und Analyse-Engpässe in Verbindung mit GSRM?

Die Idee zu DYAMOND entstand im Oktober 2017 und begann als gemeinsame Initiative des MPI-M (Bjorn Stevens, Direktor und Leiter der Abteilung „Atmosphäre im Erdsystem“) und der Universität Tokio (Professor Masaki Satoh). Weitere Impulse wurden durch die Beteiligung von US-Teilnehmern, die Unterstützung des Deutschen Wetterdienstes (DWD) durch das Projekt des Hans-Ertel-Zentrums für Wetterforschung (HErZ) (Daniel Klocke) gegeben. Im Rahmen des ESiWACE-Projekts, welches ebenfalls Interesse an hochauflösenden Simulationen hat, erklärte sich das Deutsche Klimarechenzentrum (DKRZ) bereit, die Ergebnisse zu beherbergen und als Analyse-Drehscheibe für die internationale Gemeinschaft der Klimamodellierer zu dienen (Joachim Biercamp).

Erster Vergleich von GSRM
Neun Modelle nahmen an der ersten Vergleichsstudie teil; jedes Modell simulierte 40 Tage und 40 Nächte der Atmosphären- und Landoberflächenentwicklung. Als Ausgangs- und Randdaten wurden die täglichen Meeresoberflächentemperaturen sowie globale meteorologische Analysen des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) zur Verfügung gestellt. Die simulierte Zeitspanne, beginnend am 1. August 2016 um 00 UTC, unter Verwendung globaler Modelle mit einem sturmauflösenden Gitterabstand von 5 km oder weniger, wurde in Koinzidenz mit der Flug-Feldkampagne NARVAL2 gewählt, die auch vom MPI-M initiiert und geleitet wurde. Für viele Modelle war es das erste Mal, dass sie über so einen langen Zeitraum und für so einen realistischen Test liefen. Der Vergleich erlaubte eine Bewertung der Fähigkeit dieser Modelle, die Merkmale des Klimasystems robust darzustellen. Dies umfasst die Darstellung konvektiver Stürme und Wolken, und ihre Reaktion auf die solare Einstrahlung in Form des Tagesgangs oder aber die Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ). Zusätzlich zum Nachweis der Fähigkeit, solche globalen sturmauflösenden Läufe über eine längere Zeitperiode rechnen zu können, erbrachte die Simulation Ergebnisse mit Auflösungen, die besser mit Beobachtungen vergleichbar sind. Dieser offenkundige Realismus wird in der Abbildung 1 gezeigt; es ist schwer, das Satellitenbild von den zehn Modellen zu unterscheiden, die den gleichen Zeitraum simulieren.

Die Simulationen, die innerhalb von DYAMOND durchgeführt wurden, wurden auch dazu benutzt, die technischen Anforderungen zu umreißen, die notwendig sind, um diese Art von Simulationsleistung auf die Entwicklung des Klimasystems über Dekaden hinweg und als Kopplung mit der Ozeanzirkulation anzuwenden. Das DYAMOND-Protokoll wurde so einfach wie möglich gehalten, mit möglichst wenigen Vorgaben für die Teilnehmenden, um die Teilnahme zu fördern und eine schnelle Umsetzung zu gewährleisten, die dann innerhalb eines Jahres stattfand, was für derartige Modellvergleiche außergewöhnlich ist. Neun verschiedene Gruppen aus sechs nationalen Einrichtungen auf drei Kontinenten haben Ergebnisse eingereicht und gezeigt, dass solche Simulationen heute machbar sind.

Ergebnisse
Vor DYAMOND wurden die meisten der hier verwendeten GSRM noch nie in dieser Konfiguration gerechnet, und noch nie zuvor hatten zwei dieser Modelle versucht, die gleiche Simulation durchzuführen. Auf der Grundlage erster Analysen zeigt sich, dass grundlegende Aspekte der allgemeinen Zirkulation durch die GSRM gut erfasst werden: Die ausgehende langwellige Strahlung stimmt gut mit Beobachtungen überein, ebenso wie der globale Niederschlag und die Verteilung des Niederschlagswassers. Die Übereinstimmung zwischen den Modellen ist so groß, dass es schwierig ist, festzustellen, ob Unterschiede zu Beobachtungen - z.B. mehr Niederschlag in der polwärts gerichteten Flanke der Sturmbahnen und in der äquatorialen Region unmittelbar südlich des Äquators - Mängel in den Modellen oder bei der Erfassung dieser Niederschlagsmengen darstellen.

Soweit es sich angesichts der Kürze der Simulationen und des grundlegenden Sturmauflösungssalgorithmus bestimmen lässt, werden die Entstehung und die Intensivierungsstatistik tropischer Wirbelstürme quantitativ und qualitativ gut erfasst. Zudem wurde ein Tageszyklus der globalen Niederschläge identifiziert, der in allen Simulationen konsistent und in den Beobachtungen ähnlich deutlich ist, während er in grobauflösenden Klimamodellen inkonsistent ist. Wenn man bedenkt, dass die Modelle nicht speziell für diesen Fall abgestimmt wurden, und dass angesichts des frühen Stadiums der Entwicklung kleinere Implementierungsfehler zu erwarten sind, ist diese Übereinstimmung bemerkenswert.

Die Simulationen sind jedoch nicht frei von Mängeln. Selbst die bisherige, noch relativ oberflächliche Analyse macht deutlich, dass es noch einige Herausforderungen gibt, die es zu bewältigen gilt, wenn man die Vorteile einer Simulation der allgemeinen Zirkulation der globalen Erdatmosphäre auf sturmauflösender Skala ernten will.

Eine der großen Herausforderungen sind die flache Konvektion und die Stratokumulus-Bewölkung, die mit den GSRM noch nicht aufgelöst werden können. Sie haben jedoch einen starken Einfluss auf den Energiehaushalt und die Meeresoberflächentemperaturen. Aufgrund der Fähigkeit der GSRM, diese Prozesse einerseits direkt mit der Zirkulation zu verknüpfen, und Beobachtungen auf ähnlichen Skalen andererseits, kann man optimistisch sein, dass die Forschung diese Herausforderungen bewältigen wird. Wenn dies der Fall ist, werden die GSRM eine verbesserte physikalische Grundlage für modellbasierte Untersuchungen des Erdklimas und des Klimawandels liefern und eine neue Generation von Klimamodellen einführen.

Eine weitere wichtige Motivation für das DYAMOND-Projekt war die Behebung von Leistungs- und Analyseengpässen in Verbindung mit GSRMs. Die gemachten Erfahrungen mit verschiedenen Rechnerarchitekturen und verschiedenen Modellen legen nahe, dass ein Durchsatz von 6 bis 10 Simulationstagen pro Tag auf 10-20 % der heutigen Supercomputer machbar ist. Es ist zu erwarten, dass GSRMs mit globalen Gittern in Größenordnungen bis 3 km in den kommenden Jahren einen Durchsatz von 100 simulierten Tagen pro Tag erreichen werden. Diese Durchsatzrate macht solche Modelle für ein breiteres Spektrum von Klimafragen anwendbar. Das Post-Processing der sehr großen Mengen an Output aus solchen Modellen ist eine Herausforderung, sowohl aufgrund des schieren Volumens als auch aufgrund der komplexeren Gitterstrukturen, die von vielen Modellen verwendet werden. Im Umgang mit diesem Output haben sich domänenspezifische Analysewerkzeuge wie die CDOs (Climate Data Operators) als unschätzbar wertvoll erwiesen und wurden für diese Simulationen optimiert.

Zusätzliche Experimente
Die teilnehmenden Gruppen von DYAMOND entschieden sich nach dem Erfolg der ersten Experimente, zusätzliche Simulationen durchzuführen. Eine zweite Reihe von Experimenten unter winterlichen Bedingungen auf der nördlichen Hemisphäre, die die boreale Sommerperiode durch eine Winterperiode ergänzen sollen, haben das Ziel: (i) die Darstellung der Madden-Julian-Oszillation in dieser Klasse von Modellen zu vergleichen, (ii) den Einfluss der Atmosphäre-Ozean-Kopplung — auf Sturm- und Ozean-Wirbelauflösungsskalen — auf die Konvektion und die allgemeine Zirkulation zu untersuchen, und (iii) eine Verbindung zur EUREC4A-Kampagne herzustellen, die auf mesoskalige Konvektionsmuster und die Kopplung an die Prozesse des oberen Ozeans abzielt. Als neue Komponente in der zweiten Phase werden nicht nur Experimente mit den Atmosphären- sondern auch mit gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Modellen durchgeführt. Viele Gruppen arbeiten aktiv an der Kopplung der Globalen Sturmauflösenden Modelle und hoffen, bis zum Zeitpunkt des Experiments einen Beitrag leisten zu können. Das Projekt bleibt offen für die Teilnahme anderer Gruppen und folgt eng dem Protokoll der ersten DYAMOND-Läufe.

Ausblick
Das Projekt DYAMOND arbeitet an einem Vergleich von GSRMs, die auf der dekadischen Zeitskala laufen. Es wird die Fähigkeit solcher Modelle untersuchen, die allgemeine atmosphärische Zirkulation und ihre Empfindlichkeit gegenüber der Oberflächentemperatur besser darzustellen, im Vergleich zu traditionellen Ansätzen, die eine statistische Darstellung der wichtigsten Arten des konvektiven Enthalpietransports verwenden. Eine drängende Frage ist, ob Veränderungen in Wolken, Niederschlag und wolkenkontrollierenden Faktoren ähnlich sind, wie sie aus (traditionellen) Modellen der atmosphärischen Zirkulation mit einer gröberen Auflösung und höher parametrisierten wolkenbezogenen Prozessen gewonnen wurden.

Die Simulationen führten auch zu neuen Formen des Workflows, die in Hackathons ausprobiert wurden – in kurzen und gemeinsamen Programmiersessions mit Gruppen von kleinen Teams, die über einen Zeitraum von Stunden bis Tagen intensiv zusammenarbeiten. DYAMOND ist der erste Edelstein, der aus dem Sapphire-Modellentwicklungsprojekt des MPI-M erwachsen ist, und dieser Aufbruch wirkt sich auf verschiedene andere Aktivitäten im Institut aus.

 

Mehr Informationen:

NARVAL2: https://mpimet.mpg.de/en/science/the-atmosphere-in-the-earth-system/field-studies/narval/
Sapphire: https://mpimet.mpg.de/wissenschaft/projekte/uebergreifende-aktivitaeten/sapphire/
Hans-Ertel-Zentrum: https://www.dwd.de/DE/forschung/forschungsprogramme/herz/herz_node.html;jsessionid=96387D22D95991DA0FE4C8F32B7E5EE1.live21071
ESiWACE: https://www.esiwace.eu/services/dyamond

 

Veröffentlichungen zu DYAMOND:

Brueck, M., C. Hohenegger and B. Stevens (2020) Mesoscale marine precipitation varies indepdently from the spatial arrangement from its convective cells, Quart. J. Roy. Meteor. Soc., accepted.

Hohenegger, C., L. Kornblueh, D. Klocke, T. Becker, G. Cioni, J. F. Engels, U. Schulzweida and B. Stevens, 2020: Climate statistics in global simulations of the atmosphere, from 80 to 2.5 km grid spacing. J. Meteorol. Society Japan, 98, in press, doi:10.2151/jmsj.2020-005.

Stephan, C.C., C. Strube, D. Klocke, M. Ern, L. Hoffmann, P. Preusse, and H. Schmidt (2019): Intercomparison of Gravity Waves in Global Convection-Permitting Models. J. Atmos. Sci.,76, 2739–2759, doi:10.1175/JAS-D-19-0040.1

Stevens, B., Satoh, M., Auger, L., Biercamp, J., Bretherton, C., Chen, X., Dueben, P., Judt, F., Khairoutdinov, M., Klocke, D., Kodama, C., Kornblueh, L., Lin, S.-J., Putman, W., Shibuya, R., Neumann, P., Roeber , N., Vanniere, B., Vidale, P.-L., Wedi, N. & Zhou, L. (2019). DYAMOND: The DYnamics of the Atmospheric general circulation Modeled On Non-hydrostatic Domains. Progress in Earth and Planetary Science, Vol. 6: 61, doi:10.1186/s40645-019-0304-z

 

Kontakt:

Prof. Dr.Bjorn Stevens
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 422 (Assistentin Angela Gruber)
E-Mail: bjorn.stevens@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Cathy Hohenegger
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 302
E-Mail: cathy.hohenegger@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Daniel Klocke
Deutscher Wetterdienst – Hans-Ertel-Zentrum für Wetterforschung
Tel.: 069 8062 3051
E-Mail: daniel.klocke@we dont want spamdwd.de