Die Rolle von gekoppelten versus ungekoppelten Reanalysen für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen

Description: Die Nachfrage nach zuverlässigen Klimaprognosen in verschiedenen sozioökonomischen Sektoren wird in der Zukunft steigen. Untersuchungen der Vorhersagbarkeit des Klimasystems auf zwischenjährlichen bis dekadischen Zeitskalen zeigen, dass eine Initialisierung der Erdsystemmodelle (ESM) mit Ozean- und Atmosphärenbeobachtungen die Vorhersage regionaler Klimagrößen verbessert. Jedoch leiden dekadische Klimaprognosen unter Initialisierungsschocks und systematischen Modellfehlern, welche die Vorhersagefähigkeit einschränken. Die Größe des Problems ist jedoch unbekannt. Zur Reduktion von Initialisierungsschocks in dekadischen Klimaprognosen sind ESM-Assimilationen, die Anfangsbedingungen dynamisch konsistent abschätzen können, ein möglicher Ansatz. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, den Einfluss von dynamisch konsistenten Anfangsbedingungen auf die Vorhersagegüte dekadischer Klimaprognosen zu quantifizieren.Unter einer Vielzahl von gekoppelten Datenassimilationsmethoden (GDA) ist die adjungierte Methode eine der vielversprechendsten. Da ihr Resultat die dynamischen ESM-Gleichungen respektiert, kann man damit eine dynamisch selbstkonsistente räumliche und zeitliche Evolution des Klimazustands erstellen, die für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen anwendbar ist. Zu diesem Zweck wird das gekoppelte adjungierte Modell mittlerer Komplexität CESAM (Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit Erd-System Assimilations-Modell) verwendet werden, um eine gekoppelte Ozean-Atmosphäre-Reanalyse zu erzeugen. Die Reanalyse wird als Anfangsbedingung für retrospektive Klimasimulationen dienen. Die Klimasimulationen werden mit verfügbaren Beobachtungen des Erdsystems verglichen werden, um die Vorhersagegüte des CESAMs zu evaluieren. Das in der CESAM implementierte dekadische Vorhersagekonzept wird sich auf die mehrjährige Variabilität der großskaliger Prozesse und Feedbacks innerhalb des gekoppelten Klimasystems konzentrieren. Der Vorteil des Vorhabens liegt in der Verfügbarkeit und der rechnerischen Effizienz des adjungierten CESAM-Modells. Da die Programmierung der adjungierten Codes für ESMs jedoch keine triviale Aufgabe ist, hat die adjungierte GDA-Methode im dekadischen Klimaprognosebereich bisher keine weitverbreitete Anwendung gefunden. Daher ist die Nützlichkeit adjungierter GDA für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen noch zu verstehen und zu demonstrieren; dies ist das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens. Innerhalb des modellkonsistenten Ansatzes werden Initialisierungsmethoden verglichen werden, die sowohl auf der gekoppelten Reanalyse als auch auf der einzelnen Ozean und Atmosphäre Reanalysen (einer weit verbreiteten Strategie) basieren. Diese Ergebnisse werden als Richtschnur für zukünftige Initialisierungsentwicklungen in komplexeren ESMs dienen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Klimaprognose ? Bodentemperatur ? Nudging ? Assimilation ? Daten ? Evolution ? Klimamodell ? Studie ? Meeresgewässer ? Forschungsprojekt ? Atmosphäre ? Klimaelement ? Klimasystem ? Erdsystem ? Bram-Verfahren ?

Region: Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Betreiber*in)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Geldgeber*in)
• Umweltbundesamt (Bereitsteller*in)

Time ranges: 2019-01-01 - 2025-07-01

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: The Role of Coupled Versus Uncoupled Reanalyses for Initialization of Decadal Climate Predictions
  Description: The need for reliable climate prediction is growing in demand for various socio-economic sectors. Coincidently, studies that investigate predictability of the climate system at interannual to decadal timescales demonstrated that the initialization of Earth System Models (ESMs) with the available oceanic and atmospheric observations can improve the ability of models to predict regional surface temperature up to several years ahead. However, the decadal predictions are shown to suffer from model errors and initialization shocks which limit predictability. The magnitude of this effect remains unclear. To eliminate initialization shocks and improve decadal predictions, we need ESMs that are able to estimate coupled initial conditions in a dynamically consistent way. The current project will be concerned with quantifying the impact of dynamically balanced initial conditions on the decadal prediction skill.Among a variety of coupled data assimilation (CDA) methods, the adjoint method is one of the most promising because its result is dynamically consistent with the ESM’s equations. Thus, a dynamically self-consistent space-time evolution of the climate state produced with the adjoint is suitable for initialization of decadal predictions. To this end, we will use the coupled adjoint model developed for the ESM of intermediate complexity CESAM (Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit Erdsystem Assimilations-Modell) to produce a coupled ocean-atmosphere reanalysis, which will serve as a source of initial conditions for ensembles of retrospective decadal predictions. These simulations will then be compared against the available observations to estimate the prediction skill of CESAM. A decadal prediction framework, which will be implemented within CESAM, will focus on the multiannual variability of large-scale processes and feedbacks acting within the coupled climate system. The advantage of the proposed research is the availability and the computational efficiency of the adjoint and forward CESAM. As programming adjoint codes for ESMs is not a trivial task, it is currently hindering widespread application of the adjoint-based assimilation for initialization of decadal predictions. Therefore, the merits of the adjoint CDA for decadal predictions are still to be understood and demonstrated; this is the major objective of the proposed research project. Thus, in a model-consistent approach, the project will compare initializations based on the coupled ocean-atmosphere reanalysis and based on the widespread strategy in decadal prediction studies of nudging toward the un-coupled reanalyses. Results of the project will serve to guideline future initialization developments for comprehensive ESMs. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1118379

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Aktiv

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