Millennium

Koordinator: Johann Jungclaus, MPI-M


Das letzte Jahrtausend ist die am besten dokumentierte Phase von Klimavariabilität auf der Skala von Jahrhunderten. Während des späten Holozäns fanden Klimaschwankungen statt, die ihre Spuren in der Geschichte hinterließen (Mittelalterliches Optimum, Kleine Eiszeit). Die Ursachen für diese Schwankungen, ihre Amplitude (Abbildung 1) und die relative Rolle der natürlichen Variabilität des Systems und den Veränderungen im externen Antrieb (solar, vulkanisch, orbital) sind bis heute nicht geklärt. Diese Kenntnis ist allerdings notwendig, um die relative Rolle der anthropogenen Störung durch die Emission von Treibhausgasen und durch Landnutzungsänderungen einzuschätzen.

 

Da die Rekonstruktionen des vergangenen Klimas auf mit wachsendem Zeitabstand von heute immer spärlicheren Daten beruhen, sind numerische Simulationen notwendig, um die zu Grunde liegenden Prozesse und Rückkopplungsmechanismen zu verstehen. Weiterhin lassen sich durch Simulationen gewonnene Daten dazu verwenden, statistische Rekonstruktionsmethoden zu überprüfen.

 

Der nicht-lineare Charakter der Wechselwirkungen, die interne Variabilität des Klimasystems, und die relativ geringe Amplitude in den Schwankungen des externen Antriebs verlangen danach, das Jahrtausendexperiment unter der Verwendung des gleichen Antriebs mit leicht veränderten Anfangsbedingungen zu durchlaufen (Ensemble Ansatz).

 

In der Modellentwicklung ist in den letzten Jahren ein deutlicher Fortschritt erzielt worden, der sich in der Entwicklung vom dritten zum vierten Bericht des IPCC wiederspiegelt. Die Ozean- und Atmosphärenmodelle verwenden nicht nur immer höhere Auflösungen, sondern konnten auch durch Verbesserungen in den Parameterisierungen dazu gebracht werden, realitätsnähere Ergebnisse zu liefern. Ein wesentlicher Fortschritt ist der Verzicht auf die sog. Flusskorrektur. Weiterhin demonstrieren die Einbeziehung weiterer Komponenten wie der Vegetation und der Biogeochemie den Fortschritt in Richtung der Modellierung des Erdsystems.

 

Das hier beschriebene Projekt wurde 2006 als Gemeinschaftsvorhaben innerhalb der Community Earth System Modelling (COSMOS) Initiative begonnen und innerhalb des MPI-M als „Integrated Activity“, als Schwerpunktaktivität abteilungsübergreifender Aktivitäten definiert. Eine Liste der Subprojekte findet sich hier.

 

Die Resultate der Millenniumsexperimente sollen es erlauben,

  • das Klimamodell, das im IPCC Prozess für die Zukunftsprojektionen verwendet wurde, anhand der vergangenen Klimavariabilität zu testen

  • die Rolle des externen Antriebs durch Schwankungen im orbitalen, solaren und vulkanischen Antriebs zu erfassen

  • die Rolle von Landnutzungsänderungen zu untersuchen

  • die Bedeutung der anthropogenen Klimaänderung im 20. und 21. Jh.einzuschätzen,

  • Interannuale, interdekadische und multidekadische Veränderungen in den Variabiltätsmoden (ENSO, NAO, SAM) und ihre Wechselwirkungen zu untersuchen

  • Die Rolle der inter- und multidekadischen Veränderungen in der Ozeanzirkulation zu untersuchen

  • Regionale „hot spots“ der Klimaveränderlichkeit und räumliche Variabilität durch unterschiedliche Prozesse zu identifizieren, zusammen mit dem Vergleich zu lokalen Proxy-daten

  • Die Bedeutung des Kohlenstoffkreislaufs für die Klimavariabilität zu untersuchen

  • Statistische Methoden der Klimarekonstruktion zu überprüfen

  • Extremwetterstatistiken über lange Zeitskalen zu ermitteln

 

 

Abb. 1: 1000-jährige Temperaturrekonstruktionen aus 10 verschiedenen Quellen; Quelle: http://en.wikipedia.org


 

Das Erdsystemmodell

Das Max Planck Institut Erdsystemmodell (MPI-ESM) besteht aus dem Atmosphärenmodell ECHAM5, dem Ozean- und Meereismodell MPIOM und den integrierten Modulen für Landvegetation (JSBACH) und Ozeanbiogeochemie (HAMOCC). Diese Modellversion ermöglicht es, den geamten Kohlenstoffkreislauf interaktiv zu berechnen.


Die Modellkonfiguration

Für die Simulationen werden zwei verschiedene Gitterauflösungen verwendet: ECHAM5: T31L19 und MPIOM GR3.0/L40. Dies entspricht einer horizontalen Auflösung von etwa 3.75° in der Atmosphäre und 3° im Ozean.

ECHAM5: T63L31 und MPIOM GR1.5/L40 (entspricht einer horizontalen Auflösung von etwa 1.8° in der Atmosphäre und 1.5° im Ozean; diese Konfiguration wurde auch für die IPCC-AR4 Simulationen verwendet).


Rekonstruktionen des externen Antriebs

Im Projekt werden Rekonstruktionen der externen Antriebsvariablen verwendet, die dem neuesten Stand der Wissenschaft entsprechen.

 

Totale Solare Einstrahlung (Total Solar Irradiance, TSI) (N. Krivova, S. Solanki, MPI für Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau)

 

Die TSI Zeitserie des sichtbaren Anteils der solaren Einstrahlung beruht auf einer Zusammenfassung von Beobachtungen der Sonnenflecken, die bis in das 17. Jh zurückreichen, und Rekonstruktionen des Kohlenstoffisotops C-14 aus Baumringen. Der aktuelle Stand der Forschung geht dabei von einer sehr geringen Variabilität im niederfrequenten multi-annualen Bereich aus, die eine doppelte Amplitude (Maximum minus Minimum Wert) von nur 0.1% des mittleren Wertes der Solarkonstante (1367Wm-2) aufweist.

 

 

Vulkanische Aerosole und Radiusverteilung (T. Crowley, Univ. Edinburgh)

 

Die auf Daten aus Eisbohrkernen der Arktis und Antarktis beruhende Rekonstruktion gibt die Verteilung der optischen Dicke (aerosol optical depth, AOD) in 10-Tages Zeitschritten aufgeteilt auf vier Bänder (30-90N, 0-30N, 30S-0, 90S-30S) an. Anwachs- und Abfallraten wurden durch Kalibrierung mit modernen Beobachtungen von Vulkanausbrüchen erstellt. Der Datensatz beinhaltet zudem Angaben über die zeitliche Entwicklung der Grössenverteilung der Partikel, eine Information, die besonders für grosse Vulkanausbrüche von Wichtigkeit ist.


 

Landnutzungsänderung (J. Pongratz, MPI-M)

 

Ein bis 1700 zurückreichender Datensatz für die Verteilung landwirtschaftlich genutzter Flächen wurde mithilfe eines Skalierungsansatzes, in den die Bevölkerungsdichte eingeht, bis zum Jahr 800 erweitert.


 

Stand der Modellexperimente (November 2008):

 

Kontrollexperiment

 

Ein Satz von Experimenten wird mit der Modellversion mit relativ grober Auflösung gerechnet (siehe oben). Diese erlaubt die Durchführung von Sensitivitätsstudien und eines größeren Ensembles. Nach Einschwingrechnungen über mehrere tausend Jahre wurde das Kontrollexperiment, bei dem keine Variation der externen Antriebsgrößen vorgeschrieben werden und dessen Orbitaleinstellungen, die denen des Jahres 800 entsprechen, im Februar 2008 gestartet. Das Modell rechnete bis Mai 2008 2000 Simulationsjahre. Das Modell liefert ein stabiles Klima mit ähnlichen Eigenschaften anderer Kontrollexperimente des vorindustriellen Klimas. Die Temperaturvariabilitaet ueber Europa der Modellsimulationen stimmt mit der 500-jaehrigen Rekonstruktion von Luterbacher et.al 2004 ueberein (Abb. 2).

Parallel zu diesem Kontrollexperiment wurden die Einschwingsimulationen mit der höher aufgelösten Konfiguration begonnen.

Abb. 2: Europäische Winter (DJF) Oberflächentemperaturen (nur Landpunkte) aus dem Millenniumskontrollexperiment (oben) und der Rekonstruktion von Luterbacher (2004). Dünne Linien: jährliche Werte, dicke Linien: 11-jähriges laufendes Mittel.

Experimente mit komplettem Antrieb

 

Ein Ensembleexperiment mit fünf Simulationen, die sich durch die Anfangsbedingungen im Ozean unterscheiden, wird zur Zeit durchgeführt. Drei Simulationen sind bereits abgeschlossen.

Die Experimente zeigen, daß das Modellsystem in der Lage ist, einen stabilen Kohlenstoffkreislauf zu simulieren und realistiche Klimavariationen aufweist (Abb. 3). Die Abkühlung in der Kleinen Eiszeit ist jedoch schwächer ausgeprägt als in einigen Rekonstruktionen und in früheren Modellstudien, in denen ein stärkeres solares Forcing verwendet wurde. Vulkane treten als Antrieb besonders stark heraus und diese, wie auch die Landnutzungsänderungen beeinflussen den Kohlenstoffkreislauf (Abb. 4) und hinterlassen lang anhaltende Auswirkungen in den Kohlenstoffspeichern. Ensemblesimulationen erweisen sich als wichtig, um beobachtete und modellierte Klimavariationen zu interpretieren.

Abb. 3: Entwicklung der simulierten Temperature für die letzten 1200 Jahre: Nordhemisphärische 2m Temperatur, Anomalies über Land bezogen auf das Mittel von 1961-1990. Ensemble E1 (rot) und Ensemble E2 (blau) im Vergleich mit dem Bereich der Rekonstruktionen (graue Schattierung, nach Jansen et al., 2007). Schwarze horizontale Linien zeigen das Kontroll-Experiment und seinen 5%-95% Perzentil-Bereich. Grüne horizontale Balken zeigen Perioden, in denen die Ensembles nicht mit einander überlappen. Zeitreihen sind geglättet (31 Jahre laufendes Mittel). Kreuze auf er rechten Achse zeigen das Ensemble-Mittel (Jahresmittel) am Ende der Simulationen (2005).
 
 


Abb. 4:  CO2-Konzentrationen (31-Jahre laufendes Mittel) der (a) Ensemble E1 (rot) und E2 (blau) im Vergleich mit einer Sammlung von Eiskern-Rekonstruktionen (graue Schattierung), schwarze horizontale Linien sind das Mittel und der 5-95 Perzentil Bereich des Kontrollexperiments, (b) die entsprechenden CO2-Konzentrationen für die Experimente mit nur einer Antriebs-Komponente: Standard Solar (rot), stärkere solare Komponente (blau), Landnutzungsänderung (grün) und vulkanische Aerosole (lila).

 

 


Sensitivitätsexperimente zum externen Antrieb

Um die Rekonstruktionen der verschiedenen externen Antriebe isoliert zu testen, werden Sensitivitätsexperimente durchgeführt, bei denen nur eine Forcierungskomponente eingesetzt wird.

Für das Vulkanforcing wurde ein Testdatensatz eingesetzt, um die Vulkanausbrüche von 1258 und 1992 (Pinatubo) zu untersuchen. Ensemblesimulationen wurden in Zusammenarbeit mit der Integrierten Aktivität „Supervulkan“ durchgeführt.


Für den solaren Antrieb werden unterschiedliche Skalierungen der Variation getestet. In den vergangenen Jahren wurden Modellsimulationen des letzten Millenniums mit älteren Rekonstruktionen gerechnet, die weitaus höhere Amplituden aufwiesen als der Datensatz des MPI-S. Der Effekt einer stärker schwankenden solaren Einstrahlung wird getestet, indem die Variation der TSI Zeitreihe auf 0.25% skaliert wird.

Der Effekt der Landnutzungsänderung wird zur Zeit im Rahmen der Dissertation von J. Pongratz (EGU 2008 Poster (pdf-Format 3,8 MB) Download Startet den Datei-Download>>>) untersucht. Auch hier wurden Experimente mit verschiedenen Realisieungen der Rekonstruktion durchgeführt.


Experimente mit kompletten Antrieb

Ein Ensemle von Simulation befindet sich derzeit in Produktion und die Resultate werden im Herbst 2008 vorliegen.

Weiterführende Aktivitäten

Zusätzlich zu den laufenden und geplanten Analysen und Auswertungen der Experimente sind Aktivitäten begonnen worden oder in Planung, die die Behandlung weitergehender Fragestellungen erlauben:

Direkte Simulation von Paläoproxies

Die Modellierung von stabilen Isotopen im Wasserkreislauf wird als COSMOS Aktivität in Zusammenarbeit mit der „Paleoclimate Dynamics Division“ des Alfred Wegener Instituts (Bremerhaven) und den MPI’s für Biogeochemie (Jena) and Meteorologie (Hamburg) durchgeführt.


Einfluß solarer Variationen auf die stratosphärische Zirkulation

Während die begonnenen Millenniumssimulationen nur die Variation der TSI berücksichtigen, können Änderungen im Spektralbereich ebenfalls das Klima beeinflussen. Im Bereich der ultravioletten Strahlung gibt es Wechselwirkungen der Ozonchemie mit dem atmosphärischen Energiehaushalt. Hier sollen Sensitivitätsstudien mit einer Modellversion vorgenommen warden, die eine besser aufglöste Stratosphäre und ein vereinfachtes Chemiemodell beinhatet. Diese Aktivität ist Teil der ENIGMA Partnerschaft Erdsystemmodellierung.

Beiträge der Millenniumsimulationen zu anderen Projekten

Das Millenniumsprojekt ist nicht nur eine integrierte Aktivität im MPI-M und in COSMOS und ENIGMA, es trägt auch durch die Bereitstellung der Daten und des Modellsystems maßgeblich zu weiteren Projekten bei: CLISAP, den Integrierten Projekten der EU ENSEMBLES und THOR und liefert Randwerte für „Downscaling“-simulationen mit Regionalmodellen. Die umfangreichen Entwicklungs- und Optimierungsarbeiten für das MPI-ESM, bilden zudem die Grundlage für das Modellsystem, das für die IPCC AR5 Simulationen zur Verfügung gestellt wird.

 

 

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References

Links


Publikationen

Referenz:

Jungclaus, J. H., Lorenz, S. J., Timmreck, C., Reick, C. H., Brovkin, V., Six, K., Segschneider, J., Giorgetta, M. A., Crowley, T. J., Pongratz, J., Krivova, N. A., Vieira, L. E., Solanki, S. K., Klocke, D., Botzet, M., Esch, M., Gayler, V., Haak, H., Raddatz, T. J., Roeckner, E., Schnur, R., Widmann, H., Claussen, M., Stevens, B., and Marotzke, J.: Climate and carbon-cycle variability over the last millennium, Clim. Past, 6, 723-737, doi:10.5194/cp-6-723-2010, 2010.


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Timmreck, C., S. J. Lorenz, T. J. Crowley, S. Kinne, T. J. Raddatz, M. A. Thomas, and J. H. Jungclaus (2009), Limited temperature response to the very large AD 1258 volcanic eruption, Geophys. Res. Lett., 36, L21708, doi:10.1029/2009GL040083.


2008:

Pongratz, J., C. Reick, T. Raddatz, and M. Claussen (2008), A reconstruction of global agricultural areas and land cover for the last millennium, Global Biogeochem. Cycles, 22, GB3018, doi:10.1029/2007GB003153.