Gekoppelte Klima-Eisschild Simulationen von der letzten Kaltzeit in die heutige Warmzeit

Das Klimasystem hat sich während des Übergangs der letzten Kaltzeit in die heutige Warmzeit drastisch geändert. Ein Beispiel ist das komplette Abschmelzen der Eisschilde über Nordamerika und Skandinavien und der damit verbundene Meeresspiegelanstieg von ca. 120 m. Um Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Klimakomponenten zu simulieren, wird ein Modell des Erdsystems benötigt das explizit alle Klimakomponenten (z.B. Ozean, Atmosphäre, Eisschilde) modelliert. Ein solches Erdsystemmodell (ESM) haben wir in unserer Gruppe entwickelt. Es besteht aus der neuesten Version des MPI-ESMs, bestehend aus Modellen für die Atmosphäre, Land und Ozean, dem Eisschildmodell mPISM und dem Geodynamikmodel VILMA (Abb. 1). Zudem wurde das Modell durch die Implementierung eines neuen Eulerisches Eisbergmoduls, eines Moduls für die automatisierte Berechnung der Land-Ozean Maske (Meccia und Mikolajewicz, 2018) und, in Zusammenarbeit mit der Landabteilung, eines Moduls für die Berechnung von Flussrichtungen (Riddick et al., 2019) erweitert. Diese Module sind wichtig für die Simulation auf langen Zeitskalen, da sie es erlauben Prozesse zu simulieren, die signifikanten Einfluss auf das Klima haben.

Abb. 1: Diagram unseres gekoppelten Klima-Eisschild Modelsystems. Das komplette Modell besteht aus dem MPI Erdsystemmodell (Atmosphäre, Ozean, und Land), mPISM (Eisschilde) und VILMA (Lithosphäre). Es wird nur mit CO2 Konzentrationen und Insolation angetrieben. Die Pfeile zeigen auf wichtige Variablen, die zwischen den einzelnen Modellen ausgetauscht werden.

Der Hauptfokus unserer Forschung ist es den Übergang der letzten Kaltzeit in die heutige Warmzeit mit unserem gekoppelten Klima-Eisschild Model möglichst realistisch, im Vergleich zu Proxybeobachtungen, wieder zu geben. Das bedeutet, dass in der Übergangperiode alle Eisschilde der Nordhemisphäre mit Ausnahme von Grönland verschwinden sollten. Auch für die Südhemisphäre ist ein signifikanter Eisvolumenverlust seit der letzten Eiszeit zu erwarten. Außerdem sollen die Simulationen wichtige Klimaereignisse, wie Schmelzwasserpulse, die mit einem plötzlichen Rückzug der Eisschilde in Zusammenhang stehen, abbilden können. Um Klimainstabilitäten und Veränderungen in der Zukunft zu untersuchen sollen die Simulationen auch auf Zukunftsszenarien ausgeweitet werden.

Um einen möglichst realitätsnahen Übergang der letzten Kaltzeit in die heutige Warmzeit zu simulieren, müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden. Zum einen muss ein Kompromiss zwischen Modellauflösung und verfügbarer Rechnungsleistung gefunden werden. Um die Rechenzeit zu verringern nutzen wir eine relativ grobe Auflösung für die einzelnen Klimakomponenten (z.B. T31 für die Atmosphäre, GR30 für den Ozean). Zum anderen muss eine Modellkonfiguration gefunden werden, die sowohl den Zeitpunkt als auch die Größenordnung der Änderungen der Eisschilde in der Nord- und Südhemisphäre erfolgreich simulieren kann.

Um Simulationszeiten weiter zu verkürzen, führen wir das Modeltuning in einer asynchron gekoppelten Modellkonfiguration durch. Dazu simulieren wir die rechenintensivsten Modelkomponenten, wie Atmosphäre und Ozean, für 10 Jahre. Die schnelleren Modellkomponenten, wie die Eisschilde und die Geodynamik, werden mit dem wiederholten Antrieb von den kürzeren Atmosphäre-Ozean Simulationen für 100 Jahre gerechnet. Der Vorteil dieser Art der Kopplung ist, dass es uns erlaubt viele Simulationen mit verschiedenen Parametern zu testen. Der Nachteil dieser Kopplung ist, dass zu Zeiten von starken Klimavariationen die Reaktion von den langsam reagierenden Modellkomponenten (z.B. Ozean) nicht vollständig reproduzierbar ist. Somit muss das feine Modelltuning mit einer synchron gekoppelten Modellkonfiguration durchgeführt werden.

In den asynchron gekoppelten Simulationen haben wir eine Modellkonfiguration gefunden, die sowohl für die Nord- als auch für die Südhemisphäre in einem plausiblen Szenario des Übergangs der letzten Kaltzeit in die heutige Warmzeit resultiert. Die größten nordhemisphärischen Eisschilde werden kleiner und verschwinden mit der Ausnahme von Grönland. Am Höhepunkt der letzten Kaltzeit erstreckt sich das Antarktische Eisschild in der Südhemisphäre bis zum Kontinentalschelf, bevor es sich zurückzieht und seine heutigen Ausdehnung erlangt. Ein Anstieg der Schmelzraten ist der Hauptprozess, der für den Eismassenverlust im Norden verantwortlich ist. In der Südhemisphäre dagegen ist der Massenverlust hauptsächlich wärmeren Ozeantemperaturen und dem Abschmelzen der schwimmenden Eismassen zuzuschreiben. Zudem ist unser Modell in der Lage extreme Klimaereignisse wie Heinrich Ereignisse und erhöhte Schmelzwasserflüsse zu reproduzieren.

Kontakte: Olga Erokhina, Marie Kapsch, Uwe Mikolajewicz, Clemens Schannwell

Referenzen:

Meccia, V. L. and Mikolajewicz, U.: Interactive ocean bathymetry and coastlines for simulating the last deglaciation with the Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM-v1.2). Geoscientific Model Development, 11, 4677-4692, http://dx.doi.org/10.5194/gmd-11-4677-2018, 2018.

Riddick, T., Brovkin, V., Hagemann, S. and Mikolajewicz, U.: Dynamic hydrological discharge modelling for coupled climate model simulations of the last glacial cycle: the MPI-DynamicHD model version 3.0. Geoscientific Model Development, 11, 4291-4316. http://dx.doi.org/10.5194/gmd-11-4291-2018, 2018.