Neue Veröffentlichung: DYAMOND- Klimamodelle der nächsten Generation

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Prof. Bjorn Stevens, Direktor am Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) und Leiter der Abteilung „Atmosphäre im Erdsystem“, Prof. Masaki Satoh von der Universität Tokio und ihre Ko-Autoren beschreiben in einer neuen Studie das Projekt DYAMOND, einen Vergleich einer neuen Generation von Klimamodellen – globale Modelle, die auch Stürme auflösen können.

Vereinfacht gesagt ist die Hauptarbeit des Klimasystems, Energie umzuverteilen, da die Energie, die von der Sonne kommt, in Wärmeenergie (oder Enthalpie) umgewandelt wird, die in den Weltraum zurückgestrahlt wird. Die Effizienz dieses Prozesses bestimmt die globale Temperatur. Diese Umverteilung und ihre Effizienz hängt von zwei wesentlichen Enthalpietransporten ab, nämlich dem Transport vom Äquator zu den Polen und dem Transport von der Erdoberfläche in die Atmosphäre. Bestehende Klimamodelle sind bekannt für die Nutzung der physikalischen Grundgesetze, um den ersten Transport zu beschreiben, da sie die Zirkulationssysteme (extratropische Stürme) und die Ozeanwirbel, die dafür verantwortlich sind, auflösen. Wegen der begrenzten Computerkapazitäten sind sie allerdings nicht dazu in der Lage, den zweiten Transport explizit zu beschreiben, obwohl er eigentlich der wichtigere ist. Dieser Transport wird stattdessen in einer Weise semi-empirisch behandelt, die die Anwendung und die Genauigkeit der gegenwärtigen Modelle beschränkt. In letzter Zeit hat sich das Rechnerwesen so weiterentwickelt, dass es nun möglich ist, diesen zweiten Enthalpietransport explizit aufzulösen und global zu simulieren, was zu mehr physikbasierten Modellen führt. Weil diese Modelle alle „Stürme“ darstellen können, die mit den Haupttransporten in Verbindung stehen, heißen sie Globale Sturmauflösende Modelle (Global Storm Resolving Models).

Das MPI-M ist führend in der Entwicklung dieser sturmauflösenden Modelle. Zusammen mit der Universität Tokio (einem früheren Pionier in Entwicklung und Anwendung) hat das MPI-M einen allerersten Vergleich dieser Modelle im Rahmen des DYAMOND-Projekts organisiert. Neun Modelle nahmen an dem Projekt teil; jedes Modell simulierte 40 Tage und 40 Nächte der Atmosphären- und Landoberflächenentwicklung, beginnend von allgemeinen Anfangsbedingungen und mit vorgeschriebenen Ozeantemperaturen. Die simulierte Zeitspanne 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 ihrer Fähigkeiten, die Merkmale des Klimasystems stabil darzustellen, die in traditionellen Klimamodellen eher schwierig waren. Dies umfasst die Darstellung konvektiver Stürme und Wolken, und ihre Reaktion auf die solare Einstrahlung in Form des Tagesgangs. Zusätzlich zum Nachweis der Fähigkeit, viele Aspekte des Klimasystems besser zu repräsentieren, erbrachte die Simulation Ergebnisse mit Auflösungen, die besser mit Beobachtungen vergleichbar sind. Dieser offenkundige Realismus wird in der Abbildung 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 und als Kopplung zur Ozeanzirkulation anzuwenden. 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://www.mpimet.mpg.de/en/science/the-atmosphere-in-the-earth-system/field-studies/narval/
Sapphire: https://www.mpimet.mpg.de/wissenschaft/projekte/uebergreifende-aktivitaeten/sapphire/

 

Originalveröffentlichung

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