Die erste Version des ICON-Erdsystemmodells

Ein Forscherteam um Dr. Johann Jungclaus vom Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) hat eine Publikation im Journal of Advances in Modeling Earth Systems veröffentlicht, in der das erste gekoppelte Ozean-Atmosphäre-Land-Modell auf Basis des ICON-Systems, das ICON-Erdsystemmodell Version 1.0, dokumentiert wird.

Credit: Y. Schrader

Der Artikel beschreibt das gekoppelte ICON-Modell und untersucht seine Leistung mittels Auswertung einer Reihe von standardisierten Klimaänderungsexperimenten nach dem Protokoll des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Die Autor*innen verwendeten eine Modellkonfiguration mit moderater Auflösung, die es ihnen ermöglicht, die Ergebnisse mit dem Vorgängermodell MPI-ESM und anderen an CMIP beteiligten Modellen zu vergleichen. Ein CMIP-Experiment ist die "historische" Simulation, die vom Beginn der Industrialisierung Mitte des 19. Jahrhunderts bis heute läuft. Um der internen Variabilität des Klimasystems Rechnung zu tragen, führten die Autor*innen ein Ensemble von fünf Simulationen durch und stellten fest, dass ICON-ESM den beobachteten Verlauf des Klimawandels gut reproduziert (Abb. 1), auch wenn einige Diskrepanzen bestehen bleiben, wie z. B. eine Überschätzung der Erwärmung in der nördlichen Hemisphäre im späten zwanzigsten Jahrhundert (Abb. 1b).

 


Abb. 1: Zeitreihen der Oberflächentemperatur relativ zu den jeweiligen Mittelwerten von 1850-1899 für a) den Globus, b) die nördliche Hemisphäre und c) die südliche Hemisphäre für (rot-orange) das historische ICON-ESM-Ensemble und Beobachtungsdaten (blau) des Goddard Institute for Space Studies Oberflächentemperaturen-Datensatzes, (schwarz) des gemischten globalen Temperaturdatensatzes des Hadley Centre/Climate Research Unit und (hellblau) des vereinheitlichten NCDC Datensatzes der Land- und Ozeanoberflächentemperatur von der National Oceanic and Atmospheric Agency der USA. Die simulierte Oberflächentemperatur wird aus den Meeresoberflächentemperaturen über dem Ozean und den oberflächennahen Lufttemperaturen über dem Land berechnet. (aus: Jungclaus et al., 2022, CC BY-NC-ND 4.0)

 

ICON steht für "ICOsahedral Nonhydrostatic" und bietet einen neuartigen Rahmen für die Modellierung auf der Grundlage innovativer Konstruktionsprinzipien. Die numerischen Gitter werden beispielsweise durch fortlaufende Unterteilung der Flächen eines Ikosaeders (daher "ikosaedrisch") erzeugt und vermeiden Probleme, die von bisher verwendeten geographischen Gittern bekannt sind, wie Singularitäten an den Polen. Darüber hinaus sind die numerischen Konzepte von ICON so konzipiert, dass sie mit sehr hoher Effizienz auf moderner Recheninfrastruktur, wie dem neuen "Levante"-Rechner des Deutschen Klimarechenzentrums (DKRZ), laufen. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler*innen am MPI-M, dem Deutschen Wetterdienst (DWD) und anderen Institutionen in Deutschland und der Schweiz die Komponentenmodelle für Atmosphäre, Ozean, Land und den biogeochemischen Kreislauf entwickelt. Während die Leistungsfähigkeit dieser Modelle bereits einzeln erforscht wurde, war die Kopplung der Teilsysteme zum ersten ICON-Erdsystemmodell (Abb. 2) "ein anspruchsvolles Unterfangen, das zahlreiche Sensitivitätsexperimente erforderte, die von einem engagierten Team von Wissenschaftler*innen und Programmierer*innen aus allen drei Abteilungen des MPI-M und den Partnerinstitutionen durchgeführt wurden", sagt Dr. Johann Jungclaus.

 

Abb. 2: Schematische Darstellung der Modellkomponenten (farbige Kästen) und der Kopplungssoftware YAC (grau) des ICON-ESM. Die Linien zeigen die Interaktion zwischen den Komponenten an und die dreieckigen Strukturen im Hintergrund veranschaulichen das numerische Gitter der Modelle, wobei die Atmosphäre eine gröbere Auflösung (160 km) aufweist als der Ozean (40 km). (Credit: Y. Schrader)

 

Die Autor*innen betonen, dass ICON-ESM V1.0 nur ein erster wichtiger Meilenstein ist, von dem aus künftige Entwicklungsschritte neue Perspektiven in der Erdsystemmodellierung zu eröffnen versprechen. Beispiele für weitere Innovationen sind Konfigurationen mit hochvariabler Gitterauflösung oder ultrahochauflösende gekoppelte Simulationen, die als "digitale Zwillinge" der Erde dienen sollen. Ziel der laufenden Zusammenarbeit zwischen DWD und MPI-M ist insbesondere die Entwicklung eines Systems für "nahtlose" Vorhersagen von der Wetter- zur Klimaskala.

 

Originalveröffentlichung:

J.H. Jungclaus, S.J. Lorenz, H. Schmidt, V. Brovkin, N. Brüggemann, F. Chegini, T. Crüger, P. De-Vrese, V. Gayler, M.A Giorgetta, O. Gutjahr, H. Haak, S. Hagemann, M. Hanke, T. Ilyina, P. Korn, J. Kröger, L. Linardakis, C. Mehlmann, U. Mikolajewicz, W.A. Müller, J.E.M.S Nabel, D. Notz, H. Pohlmann, D.A. Putrasahan, T. Raddatz, L. Ramme, R. Redler, C.H. Reick, T. Riddick, T. Sam, R. Schneck, R. Schnur, M. Schupfner, J.-S. von Storch, F. Wachsmann, K.-H. Wieners, F. Ziemen, B. Stevens, J. Marotzke, M. Claussen. (2022). The ICON Earth System Model version 1.0. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 14, e2021MS002813. https://doi.org/10.1029/2021MS002813

 

Kontakt:

Dr. Johann Jungclaus
Max-Planck-Institut für Meteorologie
E-Mail: johann.jungclaus@we dont want spammpimet.mpg.de