DYAMOND - Klimamodelle der nächsten Generation

Neun Modelle nahmen an der ersten Vergleichsstudie teil; jedes Modell simulierte 40 Tage und 40 Nächte der Atmosphären- und Landoberflächenentwicklung. Als Ausgangs- und Randdaten wurden die täglichen Meeresoberflächentemperaturen sowie globale meteorologische Analysen des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) zur Verfügung gestellt. Die simulierte Zeitspanne, beginnend am 1. August 2016 um 00 UTC, unter Verwendung globaler Modelle mit einem sturmauflösenden Gitterabstand von 5 km oder weniger, 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 der Fähigkeit dieser Modelle, die Merkmale des Klimasystems robust darzustellen. Dies umfasst die Darstellung konvektiver Stürme und Wolken, und ihre Reaktion auf die solare Einstrahlung in Form des Tagesgangs oder aber die Lage der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ). Zusätzlich zum Nachweis der Fähigkeit, solche globalen sturmauflösenden Läufe über eine längere Zeitperiode rechnen zu können, erbrachte die Simulation Ergebnisse mit Auflösungen, die besser mit Beobachtungen vergleichbar sind. Dieser offenkundige Realismus wird in der Abbildung 1 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 hinweg und als Kopplung mit der Ozeanzirkulation anzuwenden. Das DYAMOND-Protokoll wurde so einfach wie möglich gehalten, mit möglichst wenigen Vorgaben für die Teilnehmenden, um die Teilnahme zu fördern und eine schnelle Umsetzung zu gewährleisten, die dann innerhalb eines Jahres stattfand, was für derartige Modellvergleiche außergewöhnlich ist. Neun verschiedene Gruppen aus sechs nationalen Einrichtungen auf drei Kontinenten haben Ergebnisse eingereicht und gezeigt, dass solche Simulationen heute machbar sind.

Vor DYAMOND wurden die meisten der hier verwendeten GSRM noch nie in dieser Konfiguration gerechnet, und noch nie zuvor hatten zwei dieser Modelle versucht, die gleiche Simulation durchzuführen. Auf der Grundlage erster Analysen zeigt sich, dass grundlegende Aspekte der allgemeinen Zirkulation durch die GSRM gut erfasst werden: Die ausgehende langwellige Strahlung stimmt gut mit Beobachtungen überein, ebenso wie der globale Niederschlag und die Verteilung des Niederschlagswassers. Die Übereinstimmung zwischen den Modellen ist so groß, dass es schwierig ist, festzustellen, ob Unterschiede zu Beobachtungen - z.B. mehr Niederschlag in der polwärts gerichteten Flanke der Sturmbahnen und in der äquatorialen Region unmittelbar südlich des Äquators - Mängel in den Modellen oder bei der Erfassung dieser Niederschlagsmengen darstellen.

Soweit es sich angesichts der Kürze der Simulationen und des grundlegenden Sturmauflösungssalgorithmus bestimmen lässt, werden die Entstehung und die Intensivierungsstatistik tropischer Wirbelstürme quantitativ und qualitativ gut erfasst. Zudem wurde ein Tageszyklus der globalen Niederschläge identifiziert, der in allen Simulationen konsistent und in den Beobachtungen ähnlich deutlich ist, während er in grobauflösenden Klimamodellen inkonsistent ist. Wenn man bedenkt, dass die Modelle nicht speziell für diesen Fall abgestimmt wurden, und dass angesichts des frühen Stadiums der Entwicklung kleinere Implementierungsfehler zu erwarten sind, ist diese Übereinstimmung bemerkenswert.

Die Simulationen sind jedoch nicht frei von Mängeln. Selbst die bisherige, noch relativ oberflächliche Analyse macht deutlich, dass es noch einige Herausforderungen gibt, die es zu bewältigen gilt, wenn man die Vorteile einer Simulation der allgemeinen Zirkulation der globalen Erdatmosphäre auf sturmauflösender Skala ernten will.

Eine der großen Herausforderungen sind die flache Konvektion und die Stratokumulus-Bewölkung, die mit den GSRM noch nicht aufgelöst werden können. Sie haben jedoch einen starken Einfluss auf den Energiehaushalt und die Meeresoberflächentemperaturen. Aufgrund der Fähigkeit der GSRM, diese Prozesse einerseits direkt mit der Zirkulation zu verknüpfen, und Beobachtungen auf ähnlichen Skalen andererseits, kann man optimistisch sein, dass die Forschung diese Herausforderungen bewältigen wird. Wenn dies der Fall ist, werden die GSRM eine verbesserte physikalische Grundlage für modellbasierte Untersuchungen des Erdklimas und des Klimawandels liefern und eine neue Generation von Klimamodellen einführen.

Eine weitere wichtige Motivation für das DYAMOND-Projekt war die Behebung von Leistungs- und Analyseengpässen in Verbindung mit GSRMs. Die gemachten Erfahrungen mit verschiedenen Rechnerarchitekturen und verschiedenen Modellen legen nahe, dass ein Durchsatz von 6 bis 10 Simulationstagen pro Tag auf 10-20 % der heutigen Supercomputer machbar ist. Es ist zu erwarten, dass GSRMs mit globalen Gittern in Größenordnungen bis 3 km in den kommenden Jahren einen Durchsatz von 100 simulierten Tagen pro Tag erreichen werden. Diese Durchsatzrate macht solche Modelle für ein breiteres Spektrum von Klimafragen anwendbar. Das Post-Processing der sehr großen Mengen an Output aus solchen Modellen ist eine Herausforderung, sowohl aufgrund des schieren Volumens als auch aufgrund der komplexeren Gitterstrukturen, die von vielen Modellen verwendet werden. Im Umgang mit diesem Output haben sich domänenspezifische Analysewerkzeuge wie die CDOs (Climate Data Operators) als unschätzbar wertvoll erwiesen und wurden für diese Simulationen optimiert.