Mittelfristige Klimavorhersage – Eine Herausforderung

Das Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) berechnet seit Jahren mit seinen Erdsystemmodellen globale Klimavorhersagen für das 21. Jahrhundert. Diese Rechnungen werden unter anderem in den Weltklimaberichten des IPCC veröffentlicht. Die Planungshorizonte von Politik und Gesellschaft sind jedoch nicht so sehr auf jahrzehntelange Trends ausgelegt und sind insofern eher an Vorhersagen des Klimawandels für die nächsten 10 bis 30 Jahre interessiert. Solche mittelfristigen Vorhersagen sind eine wesentliche Voraussetzung für eine verbesserte Anpassung an das sich wandelnde Klima.

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts MiKlip (Mittelfristige Klimaprognose) widmet sich das MPI-M daher jetzt auch der dekadischen Klimavorhersage. Es gibt erste vielversprechende Ergebnisse für das Gebiet des Nordatlantiks.

Dekadische Vorhersagen bedeuten eine Herausforderung für die Klimaforschung. Es müssen neue Klimavorhersagesysteme geschaffen werden, um für diese vergleichsweise kurzen Zeithorizonte verlässliche Aussagen zur Klimaentwicklung und damit einhergehende, extreme Wetterausprägungen machen zu können.

Die Entwicklung des aktuellen Vorhersagesystems im Rahmen von MiKlip findet federführend am MPI-M unter der Leitung von Prof. Jochem Marotzke statt. Hauptziele von MiKlip sind, die Grundlagenforschung auf diesem Gebiet voran zu bringen und andererseits die voroperationelle Nutzung des neuen Modellsystems zu erreichen, um im nächsten Schritt regelmäßige Vorhersagen für die Öffentlichkeit machen zu können.

Das neue Klimavorhersagesystem baut auf dem existierenden Erdsystemmodell MPI-ESM auf. Mit Hilfe der Forschungsergebnisse aus MiKlip wird es nach und nach verbessert. Zurzeit wird bereits an der dritten Generation des Systems gearbeitet. Die Vorhersagen, die hier vorgestellt werden, wurden mit der zweiten Generation erzeugt.

Warum neue Modellsysteme für dekadische Vorhersagen?
Auf Zeitskalen von einigen Jahren bis hin zu Jahrzehnten (Dekaden) hängt die Verteilung der Klimagrößen nicht nur von den menschengemachten Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre ab, sondern auch von der natürlichen Variabilität des Klimasystems. Die natürliche Variabilität beruht auf externen Antrieben wie den Schwankungen der einfallenden Sonnenstrahlung oder auf Vulkanen sowie der internen Variabilität des Klimasystems. Die interne Variabilität ist überwiegend chaotisch, aber in der dekadischen Zeitdimension gibt es deutliche Hinweise auf ein längerfristiges "Gedächtnis" einzelner interner Prozesse. Das Gedächtnis dieser langsamen Prozesse versucht die dekadische Klimavorhersage auszunutzen.

Eine zentrale Bedeutung kommt hierbei der Trägheit des Ozeans und seiner Schlüsselprozesse zu. Daher werden insbesondere Informationen wie etwa Temperaturen und Salzgehalte des Ozeans vorgegeben und für die Vorhersagen nutzbar gemacht. Diese Anfangsbedingungen sind für dekadische Prognoserechnungen entscheidend; für langfristige Projektionen sind sie unerheblich.

Hindcasts
Die Güte der Vorhersagbarkeit wird in der zeitlichen Rückschau bestimmt; man nennt es im Englischen treffend "Hindcast", also "retrospektive Vorhersage". Hier konnten in MiKlip bereits Erfolge verbucht werden: Die Hindcasts zeigen im Rahmen der drei bisherigen Generationen von dekadischen Vorhersagemodellen deutlich Fortschritte, beispielsweise für die Oberflächentemperaturen im Ozean. Weitere Übereinstimmungen gibt es für die Sommertemperaturen in Europa, für starke außertropische Tiefdruckgebiete, die quasi-zweijährige Oszillation und auch für die Atlantische Meridionale Umwälzbewegung (AMOC). Dabei werden in den späteren Generationen des Modellsystems bessere Ergebnisse erzielt.

Insbesondere werden die Oberflächentemperaturen im Gebiet des Nordatlantiks (Subpolarwirbel) in allen drei Generationen in den Hindcasts gut dargestellt. Das gibt den Wissenschaftlern eine gewisse Zuversicht, dass für dieses Gebiet die eigentlichen Vorhersagen gemacht werden können.

Vorhersagen
Die tatsächliche Vorhersage wird zurzeit aus einem Ensemble aus zehn Simulationen mit der zweiten Generation des MiKlip-Modellsystems erzeugt. Diese zehn Simulationen wurden mit dem Anfangszustand vom 1. Januar 2014 initialisiert und zehn Jahre in die Zukunft berechnet (2014-2023). Subtrahiert man von der berechneten Vorhersage das klimatologische Mittel der Jahre 1971-2000 aus den Langzeitszenarienrechnungen des CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), erhält man eine sogenannte Anomalievorhersage.


Abb.:1: Anomalievorhersage für Oberflächentemperatur. Das obere Bild zeigt die Vorhersage für das Jahr 2014, das untere Bild für das Mittel der Jahre 2015 bis 2022.

Im aktuellen Fall zeigt die Vorhersage (Abb.1, oben) im Vergleich zum klimatologischen Mittel für das kommende Jahr eine Erwärmung über Land. In den Regionen, für die die Hindcasts eine gute Vorhersagbarkeit vermuten ließen (z.B. im Nordatlantik), zeigt sich im Vergleich eine Abkühlung oder wenig Veränderung (Stagnation). Für die acht Jahre danach (Abb. 1, unten) ist das Bild ähnlich, aber die zu erwartende Erwärmung stärker.



Abb. 2: Anomalievorhersage für die Oberflächentemperatur der Region des Subpolarwirbels (im Nordatlantik). Im schattierten Bereich zeigt die weiße Linie das Ensemblemittel und Orange den Konfidenzbereich der Vorhersage. Zum Vergleich sind auch Beobachtungen aus dem HadCRU-Datensatz (schwarz) und die nicht initialisierten Läufe der Langfristprojektionen (aus CMIP5) (schwarz gestrichelt) dargestellt.


Um sich die Region, in der das Vertrauen durch die guten Hindcasts besonders hoch ist, genauer anzusehen, wurden die Vorhersagen für die Region des Subpolarwirbels im Nordatlantik gemittelt (Abb. 2). Diese Vorhersage zeigt eine Fortsetzung der Stagnation, die auch zuvor in den Beobachtungen sichtbar war.

Die Genauigkeit der Vorhersagen ist noch Gegenstand der aktuellen Forschung. Zum Beispiel zeigen die dekadischen Modellprognosen anderer Forschungseinrichtungen eine leicht andere Entwicklung der Temperaturen im Bereich des Nordatlantiks. Verglichen werden diese Prognosen am Hadley Centre, MetOffice, UK, im Rahmen eines Multimodell-Projekts, an dem MiKlip ebenfalls von Beginn an teilnimmt (3. Link, s.u.). Der erste Vergleich der verschiedenen Vorhersagesysteme wurde bereits 2013 veröffentlicht (Smith et al., 2013). Im Unterschied zum Vorhersagesystem des MPI-M zeigen einige Modelle statt einer Stagnation eine leichte Abkühlung im Nordatlantik. Es müssen noch einige wissenschaftliche Fragen geklärt werden, bevor das Vorhersagesystem in den operationellen Gebrauch übergeben werden kann. Die Weichen sind gestellt.

Zum Projekt MiKlip:
MiKlip wird vom BMBF gefördert und umfasst 35 Unterprojekte bei einer Beteiligung von 22 deutschen Forschungseinrichtungen. Das Projekt wird am MPI-M federführend von Prof. Jochem Marotzke, Direktor am MPI-M, geleitet und von Dr. Freja Vamborg koordiniert. MiKlip besteht aus fünf Modulen. Sie umfassen: Anfangsbedingungen/Initialisierung, Prozesse und Modellierung, Regionalisierung, Synthese und Evaluierung. In ihnen werden die Arbeiten zur Bestimmung des bestmöglichen Anfangszustandes, die Beschreibung der für die mittelfristige Vorhersage entscheidenden Prozesse (z.B. durch die Modellierung der Kryosphäre und Biosphäre), die Erhöhung der regionalen Auflösung durch Regionalisierung sowie die Verbesserung und Anpassung des statistischen Post-Processings gefördert. Zu guter Letzt muss das gesamte Modellsystem zusammengeführt ("Synthese") und überprüft werden ("Evaluierung").

Weitere Informationen:
Opens external link in current windowwww.fona-miklip.de
http://www.mpimet.mpg.de/en/science/projects-new/miklip-projekt.html
Opens external link in current windowhttp://www.metoffice.gov.uk/research/climate/seasonal-to-decadal/long-range/decadal-multimodel

Kontakt:
Prof. Dr. Jochem Marotzke
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 311 (Kornelia Müller)
E-Mail: Opens window for sending emailjochem.marotzke@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Freja Vamborg
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: 040 41173 310
E-Mail: Opens window for sending emailfreja.vamborg@we dont want spammpimet.mpg.de

Dr. Wolfgang Müller
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Tel.: +49 40 41173 370
E-Mail: Opens window for sending emailwolfgang.mueller@we dont want spammpimet.mpg.de

Veröffentlichungen (fett gedruckt = Autoren des MPI-M):

Müller, W. A., J. Baehr, H. Haak, J. H. Jungclaus, J. Kröger, D. Matei, D. Notz, H. Pohlmann, J.-S. von Storch, and J. Marotzke, 2012: Forecast skill of multi-year seasonal means in the decadal prediction system of the Max Planck Institute for Meteorology. Geophys. Res. Lett., 39, L22707, doi:10.1029/2012GL053326.

Kadow, C., S. Illing, O. Kunst, H.W. Rust, H. Pohlmann, W.A. Müller, and U. Cubasch, 2014: Deterministic and Probabilistic Metrics in the MiKlip Decadal Prediction System. Met. Z. Special Issue, in preparation.

Pohlmann, H., W. A. Müller, K. Kulkarni, M. Kameswarrao, D. Matei, F. S. E. Vamborg, C. Kadow, S. Illing, and J. Marotzke, 2013: Improved forecast skill in the tropics in the new MiKlip decadal climate predictions. Geophys. Res. Lett., 40, 5798-5802. doi:10.1002/2013GL058051.

Smith, D. M., A. A. Scaife, G. J. Boer, M. Caian, F. J. Doblas-Reyes, V. Guemas, E. Hawkins, W. Hazeleger, L. Hermanson, C. K. Ho, M. Ishii, V. Kharin, M. Kimoto, B. Kirtman, J. Lean, D. Matei, W. A. Müller, H. Pohlmann, A. Rosati, B. Wouters, and K. Wyser, 2013: Real-time multi-model decadal predictions. Clim. Dyn, 41, 2875-2888, doi:10.1007/s00382-1600-0.