LongRunMIP - eine umfangreiche Sammlung von Modell-Simulationen über Jahrtausende

LongRunMIP ist ein Modell-Vergleichsprojekt von Simulationen allgemeiner Zirkulationsmodelle (General Circulation Model (GCM)), die sich über mehrere Jahrtausende erstrecken. Diese Simulationen sind notwendig, um die Gesamtreaktion des Klimasystems auf externe Antriebe sowie die Beziehung zwischen transienten und im Gleichgewicht befindlichen Zuständen zu verstehen. Über Jahrtausende lange Simulationen ohne externe Antriebe sind ebenfalls nützlich, da mit ihrer Hilfe untersucht werden kann, wie lang eine Datenreihe der internen Variabilität idealerweise sein sollte, um sie statistisch belastbar zu interpretieren. In diesem Sinne erfüllen die langen Simulationen ähnliche Zwecke wie große Ensemblesimulationen.

 

Die Geschichte
Während einer Diskussion über die Sinnhaftigkeit von Klimasensitivitätswerten beschlossen Jonah Bloch-Johnson (jetzt University of Reading, UK) und Maria Rugenstein (Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), jetzt Colorado State University, Boulder, USA) während eines Treffens der American Geosciences Union (AGU), sich nach vorhandenen Jahrtausende langen Simulationen von Modellen der allgemeinen Zirkulation von Atmosphäre und Ozean umzusehen, um die wahre Gleichgewichts-Klimasensitivität (ECS) zu bestimmen. Die ECS-Zahl könnte die in der Klimawissenschaft meist gesuchte Zahl sein. Sie quantifiziert die Änderung der globalen mittleren Oberflächenlufttemperatur der Erde, die sich aus der Verdoppelung der atmosphärischen Konzentration von Kohlendioxid, CO2, gegenüber dem vorindustriellen Niveau ergibt. Diese Zahl wird meist für Klimamodelle geschätzt und hat möglicherweise nicht einmal eine realistische Entsprechung in der realen Welt. Nur wenige Modellierungszentren kennen den genauen ECS-Wert ihres eigenen Klimamodells. Durch eigene Simulationen mit dem Community Earth System Model (CESM) im Jahr 2016 hatte Maria Rugenstein über den Einfluss der Wärmeaufnahme des Ozeans auf die sich während der Erreichung des Gleichgewichtszustands verändernden Strahlungsrückkopplungen gearbeitet, war aber über die Einschränkung durch nur eine einzige Version einer Klimasimulation beunruhigt [1].  


Rugenstein und Bloch-Johnson knüpften daraufhin Kontakt zu Chao Li am MPI-M, der einige Jahre zuvor während seiner Doktorarbeit über das Gleichgewicht von Ozeanwärmeaufnahme und Meereis in ECHAM5/MPIOM veröffentlicht hatte [2, 3]. Chao Li war einer der enthusiastischsten Mitwirkenden am LongRunMIP, so dass Rugenstein und Bloch-Johnson 2016 einen gewinnbringenden Workshop über die LongRunMIP-Daten und die damit mögliche Wissenschaft am MPI-M abhielten. Dennoch dauerte es zwei Jahre, um die Daten zu sammeln und zu homogenisieren. Derzeit besteht der Datensatz aus 16 Modellen aus 10 Modellierungszentren mit 53 Simulationen, die jeweils mindestens 1000 Jahre lang sind, oft bis zu 6000 Jahre. Die Beiträge umfassen CMIP3- bis CMIP6-Modelle. Mehrere weitere Zentren sind daran interessiert, neuere Versionen beizusteuern, und die Initiatoren denken darüber nach, wie die Bemühungen fortgesetzt werden können.

 

Die Ziele
Wissenschaftlich gesehen lag der anfängliche Schwerpunkt darauf, zu testen, wie genau die Schätzungen der Gleichgewichtsklimasensitivität von ihrem tatsächlichen Wert abweichen. Die häufigsten Abschätzungen in diesem Bereich basieren auf linearen Extrapolationen, oder aber das Energiebilanzmodell passt zu den Ergebnissen des Klimamodells über etwa 150 Jahre. Die Tiefsee braucht jedoch mehrere tausend Jahre, um sich auszubalancieren. Die Mitwirkenden in LongRunMIP zeigen, dass das Erreichen des Gleichgewichts im tiefen Ozean in dieser Art komplexer Modelle auch nach mehreren hunderttausend Jahren zu Veränderungen an der Oberfläche führt, die ausreichen, um die Strahlungsrückkopplungen noch zu verändern. Die "wahre" Gleichgewichtsklimasensitivität ist - je nach Modell - 5-40% höher als die üblicherweise verwendeten Schätzungen. Die Strahlungsrückkopplungen ändern sich in diesen Simulationen kontinuierlich [4].


LongRunMIP-Simulationen bieten einen Prüfstand für verschiedene Methoden und Theorien zur Berechnung von Rückkopplungen und Klimasensitivität [5] und werden als solche z.B. im kürzlich viel diskutierten WCRP-Bericht zur Klimasensitivität verwendet [6].

 

Weitere wissenschaftliche Erkenntnisse sind

  • eine neue Methode zur Definition von lokalen und entfernten Einflüssen von Strahlungsrückkopplungen: Bei einer ausreichend langen Aufzeichnung oder Modellsimulation prognostiziert die Methode Strahlungsrückkopplungen unter Erwärmung allein aus der internen Variabilität [7].
  • die Differenzierung der Zeit- und Zustandsabhängigkeit von Strahlungsrückkopplungen: Strahlungsrückkopplungen variieren sowohl mit den Oberflächentemperaturmustern als auch mit der globalen mittleren oder lokalen Temperatur. Beide sind schwer zu entwirren. Die Klimasensitivität wird außerdem durch die allgemeine Stärke der Antriebskräfte beeinflusst. Die Forschenden stellen fest, dass die Klimasensitivität belastbar über alle Modelle hinweg mit zunehmendem Antrieb aufgrund der Rückkopplungs-Temperaturabhängigkeit und nicht aufgrund der Abhängigkeit von der Definition des Antriebes zunimmt. In einigen Modellen verursacht die rückgekoppelte Temperaturabhängigkeit einige Grad zusätzlicher Erwärmung bis 2300 (Publikation in Vorbereitung).
  • Reaktionszeiten für die atlantische meridionale Umwälzzirkulation und die Umwälzzirkulation im Südlichen Ozean: Die Umwälzung nimmt zunächst mit der Erwärmung stark ab, regeneriert sich aber auf Jahrhundertzeitskalen. David Bonan, Maria Rugenstein und andere testen die bestehende Theorie über die Dichteunterschiede im Nordatlantik in Bezug auf diese Mechanismen der Regeneration mit LongRunMIP-Modellen (Veröffentlichung in Vorbereitung).
  • ein Verständnis der Reaktionszeiten und der lokalen Dynamik des Klimasystems, wie z.B. für den tropischen Pazifik und das Verhalten der El Niño/Southern Oscillation (ENSO) (Veröffentlichung von Chris Callahan).

 

Am MPI-M gibt es derzeit zwei Master-Studenten, die mit LongRunMIP-Daten arbeiten: Yiyu Zheng untersucht, wie sich die Vorhersagbarkeit von ENSO in einer wärmeren Welt verändert, in der sich der äquatorialpazifische Klimahintergrundzustand stark vom heutigen Zustand unterscheidet. Moritz Witt arbeitet daran, wie gut die Funktionen von zwei, drei oder vier Exponentialfits das Gleichgewichtsklima und die Reaktionen des Meereises vorhersagen können. Doktorand Tim Rohrschneider arbeitet über den langsamen Reaktionsmodus des Ozeans und liefert Erkenntnisse über den langfristigen Klimawandel.

Modellmittelwert des lokalen Beitrags zum globalen Rückkopplungsparameter (oben) und dessen Veränderung zwischen verschiedenen Zeitskalen einschließlich Flächenmittelwerten (unten). Mittlere Breitengrade werden relativ wichtiger für die Veränderung von Rückkopplungen im Laufe der Zeit. Aus: Rugenstein et al (2020), GRL. ©2020. John Wiley and Sons. All Rights Reserved.

Schlusswort

Maria Rugenstein: "Es war ein unterhaltsamer Prozess, ganz Bottom-Up und Learning-by-Doing. Wir waren zwei Doktoranden, und niemand sagte uns, was wir tun und worum wir uns kümmern sollten. Im Nachhinein hätten wir vieles anders gemacht, wie zum Beispiel den Austausch von Protokollen oder Metadatenanforderungen, aber die Wissenschaft dahinter ist sehr motivierend.“


Maria Rugenstein arbeitete fast zwei Jahre lang als Humboldt-Forschungsstipendiatin mit Postdoktorandenstatus am MPI-M mit den Abteilungen "Atmosphäre im Erdsystem" und "Ozean im Erdsystem". Ende Juli 2020 wechselte sie an die Colorado State University, USA, um eine Assistenzprofessur in der Abteilung für Atmosphärenwissenschaften zu übernehmen.

 

Animationen

RM_tas_anomaly_cmap_02_1_OHC_8_8_2018.mp4 zur Animation
RM_tas_anomaly_cmap_02_1_line_plots_8_8_2018.mp4 zur Animation

 

Veröffentlichungen

[1] Rugenstein, M.A.A., K. Caldeira and R. Knutti (2016) Dependence of global radiative feedbacks on evolving patterns of surface heat fluxes. Geophysical Research Letters, 43 (18), 9877-9885. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL070907


[2] Li, C., D. Notz, S. Tietsche and J. Marotzke (2013) The transient versus the equilibrium response of sea ice to global warming. J. Climate, 26 (15), 5624–5636. https://journals.ametsoc.org/jcli/article/26/15/5624/34216/The-Transient-versus-the-Equilibrium-Response-of


[3] Li, C., J.-S. von Storch and J. Marotzke (2012) Deep-ocean heat uptake and equilibrium climate response. Climate Dynamics, 40, 1071–1086. https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-012-1350-z


[4] Rugenstein, M., J. Bloch-Johnson et al. (2020) Equilibrium climate sensitivity estimated by equilibrating climate models. Geophysical Research Letters, 47 (4).
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL083898


[5] Rugenstein, M., J. Bloch-Johnson et al. (2019) LongRunMIP. Motivation and design for a large collection of millennial-length AOGCM simulations. Bull. Amer. Meteor. Soc., 100 (12), 2551–2570. (Overview paper) https://journals.ametsoc.org/bams/article/100/12/2551/344532/LongRunMIP-Motivation-and-Design-for-a-Large


[6] Sherwood, S., et al. (2020) An assessment of Earth’s climate sensitivity using multiple lines of evidence. Review of Geophysics, online available. https://doi.org/10.1029/2019RG000678


[7] Bloch.Johnson, J., M. Rugenstein and D.S. Abbot (2020) Spatial radiative feedbacks from internal variability using multiple regression. J. Climate, 33 (10), 4121–4140. https://journals.ametsoc.org/jcli/article/33/10/4121/345928/Spatial-Radiative-Feedbacks-from-Internal

 

Weitere Informationen
Webseite LongRunMIP: http://www.longrunmip.org/

„Im Fokus” zur ECS: https://www.mpimet.mpg.de/kommunikation/aktuelles/im-fokus/klimasensitivitaet/

 

Kontakt:

Dr. Maria Rugenstein
Jetzt Colorado State University
Webseite: https://mariarugenstein.github.io/
E-Mail: maria.rugenstein@we dont want spamcolostate.edu