Globale Klimamodellierung / Paläoklima

Bei der Modellierung des globalen Klimas sind wir besonders an der Untersuchung von Mechanismen interessiert, die langzeitliche Klimaänderungen hervorrufen. Das mittel- bis langfristige Ziel unserer Arbeit ist es, einen kompletten Eiszeitzyklus (135,000 Jahre vor heute bis heute) mit unserem gekoppelten Erdsystemmodell zu simulieren. Zurzeit liegt der Fokus unserer Arbeiten auf der Simulation des Anfangs der letzten Eiszeit und des Übergangs der letzten Eiszeit in die heutige Warmzeit. Mit Simulationen dieser Zeiträume versuchen wir die Prozesse zu verstehen, die für plötzliche Klimaschwankungen verantwortlich sind.

Da in solchen Simulationen Wechselwirkungen zwischen Eisschilden und anderen Klimakomponenten berücksichtigt werden müssen, wurde das Max-Planck-Institut Erdsystemmodell (MPI-ESM) mit dem Eisschildmodell mPISM und dem Geodynamikmodell VILMA gekoppelt (Abb. 1). Die Anwendung von Modellen für die Atmosphäre, Ozean, Land, Eisschild und Geodynamik, die auf dem neusten Stand der Wissenschaft sind, erlaubt es uns, jede Komponente des Klimasystems möglichst realistisch zu simulieren und Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten zu untersuchen. Weiterhin können wir dadurch unsere Modelle für verschiedene Parameter testen und unsere transienten Simulationen mit Beobachtungen von Proxies vergleichen.

Zusätzlich zu unseren voll gekoppelten transienten Simulationen führen wir auch Zeitscheibenexperimente mit vereinfachten Versionen unseres Modells durch. Mit diesen Simulationen erforschen wir die Sensitivität des Klimas. Ein Forschungsschwerpunkt ist hierbei der Effekt von Eisbergen auf das Klima. Dazu hat unsere Gruppe ein neues Eisbergmodul entwickelt, dass es uns erlaubt, die Auswirkung von Eisbergen auf die thermohaline Zirkulation im Atlantik und den Wärmetransport im Ozean zu untersuchen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist das Erforschen der Sensitivität der thermohalinen Zirkulation gegenüber Änderungen der Treibhausgaskonzentration, Sonneneinstrahlung und Eisschilde. Mit diesen Simulationen lässt sich untersuchen, ob es Kipppunkte im Klimasystem gibt. In einem institutsweitem Projekt haben wir außerdem den Effekt einer umgekehrten Erdrotation auf das Klimasystem untersucht.

Schwerpunkte der Forschungsarbeit:

  • Simulation der Eisschilde während des letzten glazialen Maximums und von Heinrich Ereignissen in einem voll gekoppelten Klima-Modell mit interaktiven Eisschilden (mehr in deutscher Sprache)
  • Gekoppelte Klima-Eisschild Simulationen von der letzten Kaltzeit in die heutige Warmzeit (mehr in deutscher Sprache)
  • Der Effekt von verschiedenen Treibhausgaskonzentrationen auf die thermohaline Zirkulation im Atlantik während des letzten glazialen Maximums (mehr in englischer Sprache)
  • Der Effekt von Eisbergen auf die thermohaline Zirkulation im Atlantik (mehr in englischer Sprache)
  • Das Klima der Erde mit umgekehrter Rotation (mehr in deutscher Sprache)


Kontakt:  Olga Erokhina, Marie Kapsch, Uwe Mikolajewicz, Clemens Schannwell, Florian Ziemen*

Regionale Klimamodellierung

Wir sind außerdem an Ozean- und Atmosphärendynamik auf regionalen Skalen interessiert, wobei unser Fokus auf dem nordwesteuropäischen Schelf (NWES) inklusive der Nordsee liegt. Durch die Analyse von Simulationen der Vergangenheit und der Gegenwart möchten wir die natürliche Variabilität im Klimasystem verstehen. Bei Zukunftsprojektionen wird zusätzlich der anthropogen verursachte Klimawandel wichtig. Wir analysieren physikalische und biogeochemische Austauschprozesse zwischen Schelfmeeren und dem offenen Ozean und untersuchen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Ozean und Meereis, sowie die Variabilität von Extremereignissen wie Sturmfluten.

Globalmodelle können komplexe Topographie und kleinskalige Prozesse, wie zum Beispiel Konvektion an starkem Gefälle, nicht adäquat auflösen. Um eine höhere horizontale Auflösung in einem bestimmten Gebiet zu erhalten, verwenden wir ein regionales Modellsystem, bestehend aus dem globalen Ozean-Meereismodell MPIOM, dem Biogeochemiemodell HAMOCC, dem regionalen Atmosphärenmodell REMO und dem hydrologischen Abflussmodell HD (Abb. 2). Anhand von Simulationen des globalen Klimamodells MPIOM-ECHAM, aus dessen Ergebnissen mit "downscaling" Methoden ein Antrieb für das regionale Modellsystem bereit gestellt wird, untersuchen wir Klimaauswirkungen auf den NWES für heutige, vergangene und zukünftige Zeitperioden. Dabei sind vor allem Ensemble-Rechnungen eine gute Basis, um die natürliche Variabilität zu bestimmen und von klimawandelinduzierten Signalen zu trennen. 

Schwerpunkte der Forschungsarbeit:

  • Räumliche Variabilitätsmuster der physikalischen Bedingungen in der Nordsee und ihre zugrunde liegenden Antriebsmechanismen (mehr in englischer Sprache)
  • Änderung des Nährstofftransports vom Atlantik auf den NWES unter zukünftigen Klimabedingungen (mehr in englischer Sprache)
  • Zusammenhang zwischen extremen Sturmflutereignissen in der Nordsee und multi-dekadischer Klimavariabilität im Nordatlantik (mehr in englischer Sprache)
  • Höhere Sturmfluten in der deutschen Bucht durch eine globale Erderwärmung (mehr in deutscher Sprache)

 

Kontakt:  Andreas Lang*, Uwe Mikolajewicz, Katharina D. Six

 

* früheres Gruppenmitglied