Im Projekt S6 werden Klimamodell-Wolkenparametrisierungen untersucht, die auf Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen (probability density functions, PDFs) der subskaligen Variabilität von relativer Feuchte beruhen. Ziel des Projekts ist es, eine möglichst realistische, aber gleichzeitig möglichst wenig komplexe Parametrisierung zu entwickeln, die verlässlichere Klimasimulationen ermöglicht. Dies geschieht in der hier beantragten Phase I auf der Basis bereits existierender Parametrisierungen, die miteinander verglichen und mit den HD(CP)2-Beobachtungsdaten evaluiert werden sollen. Es sollen drei bestehende PDF-Wolken-Schemata im Klimamodell ECHAM untersucht werden. Für den Vergleich sollen Wetterlagen objektiv identifiziert werden, und die Entwicklung der statistischen Momente der simulierten Verteilungen soll verglichen werden. Es wird darauf hingearbeitet, die HD(CP)2-hochaufgelösten Simulationen und -Beobachtungen zu verwenden, um die simulierten Verteilungen zu evaluieren.
Für das Gesamtziel der PalMod Maßnahme ist nötig, mehrere Modell-Jahrhunderte an einem Tag simulieren zu können. Eine effiziente Implementierung des MPI-ESM Modells ist daher notwendig, um diese Durchsatzrate erzielen zu können. Dafür werden im Projekt bestehende Schwachstellen in den einzelnen Modellkomponenten behoben und neue bzw. angepasste Algorithmen entwickelt, die eine Performancesteigerung versprechen. Neben passenden numerischen Verfahren sollen auch neue Hardware Architekturen auf einen potentiellen Performancegewinn hin untersucht und das Modell dementsprechend portiert werden. Es werden in diesem Teilprojekt zunächst Funktionen im Klimamodell MPI-ESM (vor allem in der Atmosphärenkomponente ECHAM) untersucht, die Performance-relevant sind sich durch Interpolation (anstatt exakter Auswertung) beschleunigen lassen. Neue entsprechende Interpolationen werden ggfs. entwickelt, implementiert und in das MPI-ESM integriert. Auf Basis der bisherigen Erfahrungen werden performance-relevante Modellteile auf Hardwarebeschleuniger wie Grafikkarten und Xeon-Phi-Prozessoren portiert und der Performancegewinn untersucht. Ggfs. werden die angepassten Programmcodes in die aktuelle Version des Models MPI-ESM (bzw. ECHAM) integriert.
Die globale Umwälzbewegung (GOC) ist zentral für die Verteilung von Wärme und Kohlenstoff und spielt eine wichtige Rolle für das globale Klima. In AGULHAS-I wurde die regionale und globale Bedeutung des Agulhasstromsystems mit Ozeanmodellen untersucht. Die hier geschlussfolgerten Variabilitäten auf bis zu multi-dekadischer Zeitskala bedingen für eine weitere Untersuchung den Betrieb von gekoppelten Atmosphäre-Ozeanmodellen. AGULHAS-II konzentriert sich auf die Entwicklung und den Betrieb eines gekoppelten Ozean-Atmosphäre Systems für die Untersuchung großskaliger Einflüsse und Untersuchungen zum regionalen Klima im südlichen Afrika. Experimente mit dem gekoppelten Modell FESOM-ECHAM werden mit einer analogen Konfiguration auf Basis des Nesting-Ansatzes verglichen. Außerdem wird die Bildung und Ausbreitung von Zwischenwassermassen in die 'Benguela Boundary Upwelling Systems' untersucht. Als erster Schritt wird die existierende Ozeankonfiguration FESOM mit der aktuellen Version 6.3 des Atmosphärenmodells ECHAM gekoppelt (Meilenstein A1, Q2/2017). Ein erster Kontrolllauf soll unter präindustriellem CO2 Antrieb durchgeführt werden. Der Fokus ist dabei auf dem mechanistischen Verständnis, z.B. dem Einfluss des Agulhas leakage auf die Nordatlantische Zirkulation und die entsprechenden Wärme- und Frischwasserflüsse. Dedizierte Sensitivitätsexperimente werden durchgeführt. Die Klimasimulationen '20th/21st' (Meilenstein A2, Q1/2018) sollen dann die Frage untersuchen, welche Rolle die Agulhas leakage unter sich ändernden Klimabedingungen spielt. Augenmerk wird gelegt auf die Verschiebungen und Intensitätsänderungen der südhemisphärischen Westwinde und ob die Erhöhung des Agulhas leakage abschwächende Trends der Nordatlantischen Zirkulation in Folge einer Aussüßung im subpolaren Nordatlantik ausgleichen kann.
Die Agulhasstromsystem südlich von Afrika ist ein entscheidendes Glied in der globalen Umwälzbewegung und beeinflusst daher das globale Klima. Die Komplexität des Systems erfordert, dass eine realistische Simulation des Agulhasstromsystems nur mit hochauflösenden Modellen möglich ist. Darüber hinaus erfordert die Einbettung des Systems in die globale Zirkulation auf (multi) dekadischen Zeitskalen die Einbeziehung von gekoppelten Ozean-Atmosphären-Wechselwirkungen. Dieses Projekt kombiniert hohe ozeanische Auflösung mit aktiver Atmosphärendynamik mit Hilfe eines Nesting-Ansatzes. Diese Koppelung ermöglicht die Untersuchung Einflusses des Agulhasstromsystems auf die globale Umwälzbewegung auf dekadischen und multidekadischen Zeitskalen. Die existierende Ozeankonfiguration INALT01 wird mit der aktuellen Version 6.3 des Atmosphärenmodells ECHAM gekoppelt. Dieses geschieht in enger Abstimmung mit dem Partner AWI. Ein erster Kontrolllauf soll unter präindustriellem CO2 Antrieb durchgeführt werden. Dedizierte Sensitivitätsexperimente helfen, das mechanistische Verständnis, z.B. den Einfluss des Agulhas leakage auf die Nordatlantische Zirkulation, zu untersuchen. 'Global Warming' Simulationen sollen dann die Frage untersuchen, welche Rolle die Agulhas leakage unter sich ändernden Klimabedingungen spielt. Das in der ersten Phase entwickelte 1/20° Ozeanmodell INALT20 bleibt ein wichtiger Bestandteil für die Untersuchung der kleinskaligen und küstennahen Prozesse.
In Teilprojekt 6 werden Permafrost-relevante Prozesse wie der vertikale Kohlenstofftransport, die Stabilisierung organischen Materials und der Ab- und Umbau organischen Materials in das Ökosystemmodell JSBACH implementiert. Die dynamische Unterteilung der Landschaft in aerobe und anaerobe Bereiche findet besondere Berücksichtigung. Mittels eines Torfmodells kann die Akkumulation organischen Materials während interglazialen und interstadialen Zeitabschnitten quantifiziert werden. Mittels JSBACH wird die Vulnerabilität des Bodenkohlenstoffs unter sich ändernden Umweltbedingungen prognostiziert. Rückkopplungsmechanismen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre werden in gekoppelten Simulationen des JSBACH und des Atmophärenmodells ECHAM studiert.
Das Projekt TORUS konzentriert sich auf die folgende technische und wissenschaftliche Schlüsselfrage: Wie werden dekadische Klimaprognosen von einer verbesserten Simulation der nordatlantisch-arktischen Schlüsselregion profitieren? Zur Untersuchung dieser Frage wird ein globales Modell , bestehend aus dem finite-Elemente Ozean-Meereis-Modell FESOM und dem atmosphärischen Modell ECHAM6, implementiert. FESOM mit seinem unstrukturierten Gitter erlaubt eine starke regionale Verfeinerung von Schlüsselregionen. Das Projekt zielt darauf ab, den Einfluss einer verbesserten Darstellung der nordatlantisch-arktischen Schlüsselregion auf die Simulation der dekadischen Variabilität und Vorhersagbarkeit zu untersuchen. Für die Validierung, Verbesserung und Initialisierung des neuen TORUS-Modellsystems sowie des MiKlip-Gesamtsystems (Mittelfristige Klimaprognosen) werden neue ozeanographische Daten aus Feldmessungen in Schlüsselregionen des Arktischen Ozeans geliefert. Innerhalb des Projektes werden Sensitivitätsstudien bezüglich des Einflusses einer anderen Darstellung der Ozeandynamik und bezüglich des Einflusses einer regional verfeinerten Auflösung der Arktis durchgeführt, um ein verbessertes Verständnis von fundamentalen Mechanismen dekadischer Variabilität und Vorhersagbarkeit zu erlangen. Auf diese Weise tragen die Arbeiten mit dem globalen TORUS-Modellsystem zum MiKlip-Gesamtsystem bei. Mit dem TORUS-System werden weiterhin Ensemble-Simulationen für die nächste Dekade durchgeführt, auf deren Grundlage der Einfluss einer verbesserten Darstellung der nordatlantisch-arktischen Schlüsselregion und einer anderen Darstellung der Ozeandynamik auf die dekadischen Prognosen innerhalb des MiKlip-Systems abgeschätzt werden kann. Dementsprechend umfasst das Projekt TORUS verschiedene Arbeitspakete. Das globale, gekoppelte TORUS-Modellsystem, bestehend aus dem Ozean-Meereis-Modell FESOM mit unstrukturiertem Gitter und dem Atmosphärenmodell ECHAM6 wird implementiert und validiert. Nach der Durchführung von Kontrollsimulationen mit einem uniformen Gitter werden Sensitivitätsstudien zum Einfluss einer regional verfeinerten Modellierung auf dekadische Variabilität und Vorhersagbarkeit mit zwei verschiedenen Verfeinerungsstufen über der nordatlantisch-arktischen Region durchgeführt. Neue ozeanographische Datensätze werden erhoben und für die Validierung und Initialisierung des TORUS- und MiKlip-Systems aufbereitet. In der Endphase des Projektes wird TORUS mit Ensemblesimulationen zur Erstellung von dekadischen Klimavorhersagen beitragen. Das TORUS-Projekt wird wichtige Beiträge zu den Forschungszielen im Rahmen des MiKlip-Gesamtsystem liefern: (1) durch die Bereitstellung des globalen TORUS-Modellsystems, welches eine regionale Erhöhung der Auflösung in Schlüsselregionen erlaubt, (2) durch die Bereitstellung eines globalen Modells für dekadische Vorhersagen mit einer anderen Darstellung der Dynamik des Meereis-Ozean-Systems als im MiKlip-System. usw.
Ziel des Projekts ist die Verbesserung der Genauigkeit der Simulation planetarer Wellen über dem Atlantik und der deterministischen Vorhersagbarkeit der Witterung über Europa. Dieses Ziel soll durch die explizite Simulation der meso-beta Skalen der atmosphärischen Dynamik in der Entwicklungsregion stark wachsender Rossbywellenzüge erreicht werden. Die Veränderungen in der Dynamik sollen statistisch untersucht und die Relevanz der meso-beta Skalen für die dekadische Vorhersage in Europa quantifiziert werden. Auf diese Weise sollen Beiträge zum Verständnis der Mechanismen der interannuellen bis dekadischen Vorhersagbarkeit geleistet werden. Zunächst sollen die Modellkomponenten des operationellen Systems von MiKlip, ECHAM und COSMO-CLM, evaluiert und eine gekoppelte Version entwickelt werden. Die Ergebnisse der klassisch genesteten COSMO-CLM und der gekoppelten Simulationen sollen mit der Referenzlösung des ECHAM, den Beobachtungen und miteinander verglichen werden. Die Veränderungen der Dynamik und insbesondere der Entwicklung von außertropischen Stürmen und Zyklonen sollen speziell untersucht werden. Es ist vorgesehen, die Einflussfaktoren auf die Vorhersagbarkeit zu untersuchen, insbesondere die räumliche Auflösung des Regionalmodells und des Ozeans. Gegebenenfalls soll die Performance der gekoppelten Version optimiert, die relevanten Modellentwicklungen dokumentiert und in das operationelle Vorhersagesystem integriert werden.
Der Okavango-Fluss entspringt im zentralen Hochland Angolas und mündet in Botsuana im größten Binnendelta der Welt. Er ist die zentrale Lebensader für ein Mosaik aus Waldsavannen und ausgedehnten Feuchtgebieten. Klimawandel, Bevölkerungswachstum und Übernutzung bedrohen das gesamte Ökosystem. Als Folge davon kommt es zu erheblichen Konflikten um Land- und Wassernutzung. Das Projekt 'The Future Okavango' (TFO) hat zum Ziel, das Land- und Ressourcenmanagement in den betroffenen Regionen zu verbessern.
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