Einen Schritt näher an einer neuen Generation von Erdsystemmodellen

NextGEMS, ein ehrgeiziges europäisches Projekt zur Entwicklung einer neuen Generation von sturmauflösenden Erdsystemmodellen (SR-ESMs), ist nun offiziell.

Am 28. Mai 2021 unterzeichneten die EU und 26 Partner aus 13 europäischen Ländern und einem afrikanischen Land (Senegal) die Finanzhilfevereinbarung, die NextGEMS als vierjähriges, 11 Mio. € umfassendes Horizon 2020-Projekt finanziert, das am 1. September 2021 beginnt.  Das Projekt - koordiniert von Prof. Bjorn Stevens am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) und Dr. Irina Sandu, der Teamleiterin für physikalische Prozesse innerhalb der Earth System Modelling Section am ECMWF - wird zwei Prototypen von SR-ESMs (basierend auf ICON und IFS vom ECMWF) zu Produktionssystemen weiterentwickeln, um multidekadische (30 Jahre) Projektionen des zukünftigen Klimawandels zu erstellen.

Sturmauflösende Erdsystemmodelle (Storm-Resolving Earth System Models (SR-ESMs)) zeichnen sich durch ihr feines, 3 km großes Gitter in der Atmosphäre und im Ozean aus. Dies ermöglicht eine bessere physikalische Darstellung der atmosphärischen und ozeanischen Zirkulationssysteme, einschließlich ihrer Kopplung mit Erdsystemprozessen wie dem Kohlenstoff-, Nährstoff-, Wasser- und atmosphärischen Partikel- (Aerosol-) Kreislauf.  Es wird erwartet, dass eine physikalischere Darstellung der wichtigsten Klimaprozesse Verzerrungen reduziert und die Realitätsnähe der SR-ESM-Simulationen im Vergleich zu traditionellen Klimamodellen erhöht. Ensembles von Simulationen werden sich mit wissenschaftlichen Rätseln befassen, wie z.B. dem Einfluss der konvektiven Organisation auf die Klimasensitivität, dem Ausmaß des Aerosol-Antriebs und den Veränderungen von Extremen, die mit der tropischen Luft-Meer-Interaktion (einschließlich des afrikanischen Monsuns und der atlantischen Hurrikane) und der Land-Oberflächen-Interaktion in den mittleren Breiten (Trockenperioden und Verbindungen zwischen Hydrologie und Kohlenstoff) verbunden sind.
 

Die spezifischen Ziele von NextGEMS sind:

  • Die Entwicklung von zwei SR-ESMs für Anwendungen (i) durch den Nachweis ihrer Fähigkeit, das gekoppelte (Land-Ozean-Atmosphäre) Klimasystem realistischer darzustellen, auch durch die Fähigkeit, Beobachtungen besser zu nutzen; (ii) durch die Durchführung der ersten globalen, auf SR-ESMs basierenden Klimaprojektionen über mehrere Dekaden (30 Jahre), die auf "out-of-sample"-Klimatrajektorien, d.h. auf Überraschungen, getestet werden und dadurch eine neue Perspektive auf die Unsicherheit bieten; und (iii) durch die Erweiterung ihres Anwendungsbereichs, um mehr physikalisch gekoppelte "Erdsystem"-Prozesse, einschließlich des Kohlenstoffkreislaufs und des atmosphärischen Aerosols, zu erfassen.
     
  • SR-ESMs zu verwenden, um aufkommende und seit langem bestehende Hypothesen zu testen, die unser Verständnis des Klimawandels untermauern: (i) dass die konvektive Organisation einen wichtigen Beitrag zum Energiehaushalt der Erde und zur Stärke der Wolkenrückkopplungen leistet; (ii) dass eine explizitere Darstellung von Wolken-Aerosol-Wechselwirkungen den Aerosol-Strahlungsantrieb abschwächt; (iii) dass atmosphärische und ozeanische Zirkulationen auf einer Skala von 2 km bis 200 km von führender Bedeutung für die Luft-Meer-Flüsse in den Tropen sind und dadurch nicht nur das mittlere tropische Klima und das Klima der mittleren Breiten beeinflussen, sondern auch dessen Variabilität, einschließlich der Extreme; (iv) dass die Variabilität der Skala einzelner Stürme in Wettersystemen und der Landoberfläche das außertropische Klima und die Extreme stark beeinflussen, z.B. durch die Konditionierung von Zirkulationsregimen wie Blocking; (v) dass die Erfassung der Landschaftsvariabilität auf globaler Ebene den Realismus, mit dem das regionale Klima simuliert werden kann, stark verbessert; und (vi) dass die Variabilität der Skala einzelner Stürme durch ihren Einfluss auf hydrologische Extreme das Kohlenstoffbudget beeinflusst, mit den damit verbundenen Auswirkungen auf die globale Kohlenstoff(emissions)aufnahme.
     
  • Aufbau neuer, stärker integrierter Gemeinschaften von ESM-Nutzern durch: (i) Ausnutzung der Notwendigkeit, SR-ESMs um eine zentralisierte Infrastruktur herum zu entwickeln, um Entwicklungs- und Analyseparadigmen zu schaffen, die eine breitere und besser verteilte wissenschaftliche Gemeinschaft direkter einbeziehen können; und (ii) durch Ausnutzung der Affinität zwischen dem, was Menschen erleben, und dem, was SR-ESMs simulieren (d.h. Ereignisse, zusätzlich zu Statistiken), um nicht-wissenschaftliche Nutzer direkter in die Modellentwicklung einzubeziehen und dadurch die Wissens-Koproduktion zu fördern.

     

Um diese Ziele zu erreichen, wird NextGEMS auf innovative Weise agile Methoden wie Scrum, Hackathons oder Extreme Programming einsetzen. Durch diese Maßnahmen und durch die Fokussierung auf nur zwei Modelle will NextGEMS eine neue europäische Gemeinschaft von Forschenden und Anwendern rund um ein technologisch ambitionierteres Modellierungsunternehmen aufbauen.

Science Blog des ECMWF:
https://www.ecmwf.int/en/about/media-centre/science-blog/2021/better-glimpses-future-global-storm-resolving-simulations

Projektwebseite:
https://nextgems-h2020.eu/


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. Heike Konow
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 105
E-Mail: heike.konow@we dont want spammpimet.mpg.de


Dr. Daniel Klocke
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 144
E-Mail: daniel.klocke@we dont want spammpimet.mpg.de