Der Mehrwert von Hekto- und Kilometerskalen für Klimasimulationen

Eine neue Studie von Professor Bjorn Stevens et al. im Journal of the Meteorological Society of Japan beschreibt den Mehrwert von Simulationen auf Größenskalen von Kilometern (Auflösung von Gewitterzellen) und Hektometern (wirbelauflösend) für die Darstellung von Wolken und Niederschlagsprozessen in Klimamodellen.

Eine neue Studie von Professor Bjorn Stevens et al. im Journal of the Meteorological Society of Japan beschreibt den Mehrwert von Simulationen auf Größenskalen von Kilometern (Auflösung von Gewitterzellen) und Hektometern (wirbelauflösend) für die Darstellung von Wolken und Niederschlagsprozessen in Klimamodellen. Die Veröffentlichung beschreibt, was die Forschenden in einem sechsjährigen deutschen Projekt herausfanden, um den Einsatz von Modellen im Kilometer- und Hektometermaßstab zum besseren Verständnis von Wolken und Klima voranzutreiben und zu erforschen. Die Studie ist die wichtigste Veröffentlichung dieses Projekts, das den Namen High Definition Clouds and Precipitation for Climate Prediction (HD(CP)2) trägt. Sie fasst Beiträge und Fachwissen aus dem gesamten Projekt zusammen.

Die zunehmende Rechenleistung eröffnet den Forschenden neue und spannende Möglichkeiten der Klimamodellierung. Durch sie werden globale gekoppelte Klimasimulationen möglich, die Konvektion auflösen (Kilometerskala) und einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten abdecken. Zudem werden globale wirbelauflösende Simulationen für Zeiträume von Stunden bis Tagen denkbar. Mit diesen Rechenkapazitäten werden sich die Forschenden viel weniger auf Parametrisierungen verlassen müssen und viel besser ausgerüstet sein, um die Einschränkungen der zugrundeliegenden physikalischen Gesetze für die Entwicklung des Klimasystems zu untersuchen. Stevens und seine Koautoren zeigen, dass dies das Potenzial für wissenschaftliche Durchbrüche bietet.


Visualisierung eines Frontensystems mit eingebetteter Konvektion in einem Süd-Nord-Querschnitt, der sich über Deutschland von den Alpen (links) bis zur Ostsee (rechts) erstreckt. Dargestellt sind flüssiges Wolkenwasser (Grau), Wolkeneis (Magenta) und Niederschlag (Blau) sowohl für eine Large-Eddy-Simulation mit Hektometer-Rasterabstand (155 m, obere Abbildung) als auch für ein hochmodernes Klimamodell (untere Abbildung).


Mit Hilfe von konvektions- und wirbelauflösenden Modellen stellten die Forschenden fest, dass sich die Darstellung des Niederschlags bei Modellen im Kilometer- und Hektometermaßstab qualitativ sprunghaft verbessert. Während die weitere Verfeinerung der Auflösung von der Kilometer- auf die Hektometerskalen Details und kleine quantitative Unterschiede bei der Darstellung von Niederschlägen hinzufügt, sind Hektometerskalen gerade für die Darstellung von Wolken wichtig. Bei der Auswertung der Simulationen mit einer beispiellosen Fülle von In-situ-, Satelliten- und Oberflächenfernerkundung zeigen die Autoren, dass es im Hektometermaßstab möglich wird, viele entscheidende Aspekte des Wolkenfeldes zu erfassen: von der vertikalen Verteilung der Wolkendecke, über die Verteilung der Wolkengrößen, bis hin zum (täglichen) 24-stündigen Zyklus. Zu den qualitativen Verbesserungen gehört insbesondere die Fähigkeit, Cumuluswolken von Schichtwolken unterscheiden zu können. Damit bejaht die Studie die ursprünglich durch das HD(CP)2-Projekt gestellte Frage: „Wenn wir das Klimasystem auf Hekto- oder Kilometerskala simulieren könnten, würde dies die Darstellung von Wolken und Niederschlag wesentlich verbessern?“

Die Autoren betonen außerdem, dass es durch die Möglichkeit, Large-Eddy-Simulationen für realistische Fälle über große und realistische Gebiete durchzuführen, nun möglich wird, die Näherungen kritischer zu bewerten. Das liegt daran, dass die Simulationen Phänomene darstellen, die tatsächlich beobachtet werden, und nicht nur ihre Statistiken. Dadurch werden die Modelle und die Beobachtungen, ganz zu schweigen von den Modellierern und Menschen, die Messungen durchführen, viel näher zusammengebracht, was ein gutes Vorzeichen für die Überwindung der verbleibenden Modellmängel ist.

Originalveröffentlichung:
Stevens, B., C. Acquistapace, A. Hansen, R. Heinze, C. Klinger, D. Klocke, H. Rybka, W. Schubotz, J. Windmiller, P. Adamidis, I. Arka, V. Barlakas, J. Biercamp, M. Brueck, S. Brune, S. A. Buehler, U. Burkhardt, G. Cioni, M. Costa-Suròs, S. Crewell, T. Crüger, H. Deneke, P. Friederichs, C. C. Henken, C. Hohenegger, M. Jacob, F. Jakub, N. Kalthoff, M. Köhler, T. W. van Laar, P. Li, U. Löhnert, A. Macke, N. Madenach, B. Mayer, C. Nam, A. K. Naumann, K. Peters, S. Poll, J. Quaas, N. Röber, N. Rochetin, L. Scheck, V. Schemann, S. Schnitt, A. Seifert, F. Senf, M. Shapkalijevski, C. Simmer, S. Singh, O. Sourdeval, D. Spickermann, J. Strandgren, O. Tessiot, N. Vercauteren, J. Vial, A. Voigt, and G. Zängl, 2020: The added value of large-eddy and storm-resolving models for simulating clouds and precipitation. J. Meteor. Soc. Japan, 98, Special Edition on DYAMOND: The DYnamics of the Atmospheric general circulation Modeled On Non-hydrostatic Domains, https://doi.org/10.2151/jmsj.2020-021

Kontakt:
Prof. Dr. Bjorn Stevens
Max-Planck-Institute für Meteorologie
E-Mail: bjorn.stevens@we dont want spammpimet.mpg.de