Erhebliche anhaltende Fehler in CMIP6-Simulationen von tropischen Niederschlägen

Eine Gruppe von Wissenschaftler*innen vorwiegend des Max-Planck-Instituts für Meteorologie (MPI-M) untersuchte die Darstellung tropischer Niederschläge durch Modelle, die in den Coupled Modelling Intercomparison Projects (CMIP) verwendet wurden. Ihre Analyse der Modellergebnisse, die aus über zwanzig Entwicklungsjahren und drei CMIP-Phasen stammen, ergab eine geringe allgemeine Verbesserung in der Darstellung tropischer Niederschläge.

S. Fiedler

Die Studie unterscheidet sich von früheren Studien, sowohl durch die Einbeziehung der CMIP6-Modelle, als auch durch die Breite der Analysen, die zur Bewertung der Darstellung tropischer Niederschläge durch CMIP-Modelle angewendet wurden. Die Autor*innen zeigen, dass zwar Verbesserungen in den Simulationen für einige Analysen festgestellt werden können, bei vielen jedoch nur geringe Verbesserungen zu verzeichnen sind und bei einigen die Fehler sogar zugenommen haben.

Die jüngste Modellgeneration stellt die Zustände der internen Variabilität besser dar, aber es bleiben Verzerrungen für die angetriebene (tages- und jahreszeitliche) Variabilität bestehen und haben bei einigen anderen Analysen sogar zugenommen. Konkret zeigen die Autor*innen Verbesserungen auf bei (1) den räumlichen Mustern der tropischen Niederschläge (2) der täglichen Variabilität und der Anzahl der Tage andauernder Trockenheit (3) den vorherrschenden Formen der natürlichen Variabilität wie der Madden-Julian Oszillation (MJO) und dem El Niño-/Southern Oscillation-Phänomen und (4) dem Trend zu extremen Trockenereignissen im 20. Jahrhundert. Hinsichtlich des saisonalen Zyklus werden in CMIP6 keine eindeutigen Verbesserungen gefunden. Nach wie vor zeigen sich Fehler (1) einer doppelten intertropischen Konvergenzzone (2) bei den Niederschlägen, die mit konvektiven Wolken verbunden sind, (3) der Tageszeit des Niederschlagsmaximums und (4) einer negativen Tendenz extremer Niederschlagsmaxima, die im Gegensatz zu den Beobachtungen steht. Beim Monsun finden sich bei CMIP6 teils sogar größere Abweichungen zu den Beobachtungen als bei den beiden früheren CMIP-Phasen.

Sogar bei den Analysen, bei denen die CMIP6-Modelle die Beobachtungen im Vergleich zu früheren CMIP-Phasen besser wiedergeben, ist das Tempo der Verbesserung langsam. Z. B. finden die Autor*innen für die Stärke der Ostwärtsbewegung der MJO eine deutliche Verbesserung. Aber selbst, wenn zukünftig auch weiterhin vergleichsweise große Fortschritte gemacht würden, wären immer noch zwei weitere CMIP-Phasen nötig, damit die MJO-Ergebnisse im Bereich der Beobachtungsdaten liegen. Bei anderen Analysen ist die nötige Zeitspanne sogar noch länger. Z. B. sind die Fehler bei der Klimatologie um ein Vielfaches größer als das projizierte Klimaänderungssignal aufgrund einer globalen Erwärmung von 2° C.

Unter dem Gesichtspunkt, dass CMIP-Modelle benutzt werden, um die Reaktion der tropischen Niederschläge auf anthropogene Antriebe zu projizieren, sind die Fehler entmutigend, die besonders hinsichtlich bekannter und starker Antriebsfaktoren bestehen, wie dem saisonalen und dem täglichen Zyklus. Selbst dort, wo die Autor*innen Verbesserungen feststellten, sind diese gering. Dieses langsame Fortschrittstempo stellt die Annahme in Frage, dass die Weiterentwicklung der Modelle im Rahmen von CMIP auf die Herausforderungen abgestimmt ist, die der Klimawandel für die Gesellschaft mit sich bringt. Die Autor*innen kommen zu dem Schluss, dass eine Kurskorrektur gerechtfertigt ist und dass sich zukünftige Bemühungen auf die Entwicklung einer neuen Generation von Modellen konzentrieren sollten. Diese sollten nicht mehr die Parameterisierung von Niederschlagssystemen in den Tropen erfordern, sondern deren kurzlebige Dynamik explizit und physikalisch und im Einklang mit anderen Bewegungsskalen erfassen.
 

Abbildung: Fläche und Intensität des Sommermonsuns. Gezeigt werden die Ergebnisse für den globalen Monsun (a, c) und für den Monsun über Land (b, d) für CMIP3, CMIP5 und CMIP6. Die Boxen und die Linien bezeichnen den Median, das Quartil, das 99% Perzentil und die Extrema (Punkte). Die horizontalen Linien stellen die Mittelwerte für die TRMM und CMORPH Beobachtungen dar. Die Abbildung zeigt, dass der Monsun bei CMIP6 größere Flächen betrifft und nasser ist als bei den vorherigen CMIP-Phasen, d. h. weniger  mit den Beobachtungen übereinstimmt. Adaptiert von Fiedler et al. (2020): Simulated tropical precipitation assessed across three major phases of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). CC BY 4.0

Originalveröffentlichung:

Fiedler, S., Crueger, T., D'Agostino, R., Peters, K., Becker, T., Leutwyler, D., Paccini, L., Burdanowitz, J., Buehler, S., Uribe, A., Dauhut, T., Dommenget, D., Fraedrich, K., Jungandreas, L., Maher, N., Naumann, A., Rugenstein, M., Sakradzija, M., Schmidt, H., Sielmann, F., Stephan, C., Timmreck, C., Zhu , X. & Stevens, B., 2020: Simulated tropical precipitation assessed across three major phases of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Monthly Weather Review, 148, 3653-3680. doi:10.1175/MWR-D-19-0404.1.

Diese Studie wurde zur Unterstützung des EU-Projekts CONSTRAIN durchgeführt.

Kontakt:

Dr. Traute Crueger
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 105
E-Mail: traute.crueger@we dont want spammpimet.mpg.de

Prof. Dr. Stephanie Fiedler
Universität zu Köln
Institut für Geophysik und Meteorologie
Tel.: 0221 470 3693
E-Mail: stephanie.fiedler@we dont want spamuni-koeln.de