Klimamodellierung

Gruppenleiter: Marco Giorgetta

 

Numerische Modelle werden benutzt um das Wissen über das Klimasystem in für Computer berechenbarer Form auszudrücken, und um diese als numerische Laboratorien für die experimentelle Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Änderungen (Formulierung der Prozesse, Auflösung, Wahl der Anfangs- oder Randbedingungen) zu nutzen. Die Klimamodellierungsgruppe entwickelt das ECHAM6 Atmosphärenmodell, das auch im Max-Planck Erdsystemmodell (MPI-ESM1) zum Einsatz kommt, sowie das neue ICON Atmosphärenmodell. Die Modellentwicklung erfolgt in enger Kooperation mit Entwicklern anderer Gruppen und Abteilungen des MPI-Ms, und im Fall von ICON auch mit anderen Institutionen, insbesondere dem DWD und DKRZ. M. Giorgetta vertritt die AES Abteilung in der Steuerungsgruppe für die Entwicklung des gekoppelten Modells des MPI-Ms. Zusätzlich nutzt die Gruppe die Modelle zur Erforschung der Dynamik tropischer Wellen und der Wechselwirkung zwischen Wellen und Grundströmung bzgl. der quasi-zweijährigen Oszillation.

 

Die ECHAM6 Entwicklung wird seit ECHAM6.1, das für CMIP5 verwendet wurde, kontinuierlich weitergeführt. Korrekturen verschiedener Fehler in physikalischen Parametrisierungen haben zu einer energieerhaltenden Parametrisierung der physikalischen Prozesse geführt (ECHAM6.2), und eine anschließende Kalibrierung der Wolkenprozesse zu einer "normalen" Klimasensitivität (ECHAM6.3). Zusätzlich wurden technische Verbesserungen erzielt, wie z.B. ein parallelisierter Ausgabemechanismus (ECHAM6.3).

 

Da die Entwicklung von ECHAM6 und MPI-ESM1 schon weit fortgeschritten ist, wird die zukünftige Modellentwicklung zunehmend auf das ICON Atmosphärenmodell fokussiert, insbesondere auf drei Varianten: ICON-LES, ICON-CSR und ICON-GCM:

  • Das ICON-LES Modell wird typischerweise mit Auflösungen von 100 bis 1000 m benutzt werden und eignet sich damit für die Untersuchung der Wolkendynamik. Nebst der Entwicklung von angepassten Prozessmodellen, wie z.B. einem 3-dimensionalen Turbulenzmodell, ist hierfür vor allem die Optimierung aller Modellkomponenten für eine hochgradig parallele Ausführung auf 104 bis 105 Kernen notwendig. Das neue ICON-LES wird mit den etablierten UCLA-LES und PALM Modellen verglichen (Opens external link in current windowsiehe hier). Im Opens external link in current windowHD(CP)2 Projekt wird das ICON-LES Modell für Simulationen über ganz Deutschland eingesetzt. Diese Entwicklungen erfolgen in enger Zusammenarbeit mit dem DWD, dem DKRZ und der Modellinfrastrukturgruppe am MPI-M, mit Unterstützung durch das HD(CP)2 Projekt.
  • Das ICON-CSR Modell wird typischerweise bei Auflösungen von 1 bis 5 km benutzt werden um die Dynamik hochreichender tropischer Konvektion und deren Organisation zu untersuchen. Flache Konvektion wird parametrisiert dargestellt. Das ICON-CSR Modell kann sowohl in realistischen als auch idealisierten Bedingungen benutzt werden, letzteres z.B. auch auf einer doppelperiodischen f-Ebene. Mit ICON-CSR werden die Organisation von konvektiven Wolken in größeren Gebieten sowie die Dynamik tropischer Wellen in der Tropopausenregion untersucht werden. Zudem wird dieses Modell in Zusammenarbeit mit dem Tropical Vibes Projekt für Simulationen im Gebiet des tropischen Atlantiks entwickelt.
  • Das ICON-GCM Modell wird typischerweise bei Auflösungen von 10 bis 100 km zum Einsatz kommen, womit die physikalischen Prozesse vollständig parametrisiert werden müssen, wofür das ECHAM Physikpaket ins ICON Modell übertragen wurde. Dieses ICON Modell wird als Komponente für das zukünftige MPI-ESM2 verwendet werden. Diese Entwicklung erfolgt in Zusammenarbeit mit der Ozean- und Landabteilung sowie der Modellinfrastrukturgruppe des MPI-M.

Da diese Modellreihe einen breiten Bereich von Auflösungen und Zeitschritten aufspannt, werden auch die Effekte der verschiedenen Kopplungsmöglichkeiten zwischen dem dynamischen Kern, der in allen Konfigurationen derselbe ist, und den fallspezifischen physikalischen Parametrisierungen untersucht. Diese Untersuchungen werden zusammen mit der Gruppe für angewandte Mathematik und numerische Physik durchgeführt.