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14.11.2014

Globale Klimamodellierung Hoch entwickelte Klimamodelle versuchen, das Klima so realitätsnah wie möglich abzubilden und Aussagen über seine künftigen Veränderungen zu machen.

Modellierung anthropogener und natürlicher Klimavariationen

Das Klima und seine zeitliche Entwicklung werden von einer Reihe natürlicher und anthropogen verursachter Einflussfaktoren gesteuert, wie z.B. die Zunahme der Konzentrationen von Treibhausgasen und ozonzerstörender Substanzen, die natürliche Variabilität der Sonneneinstrahlung oder sporadische Vulkaneruptionen.

Eine Projektion der zukünftigen Klimaentwicklung und ein Verständnis der involvierten Mechanismen erfordern Simulationen mit globalen Klimamodellen, die möglichst alle relevanten Prozesse beinhalten. Die Arbeitsgruppe „Atmosphärendynamik mit Schwerpunkt Mittlere Atmosphäre“ der Freien Universtität Berlin verwendet das Klima-Chemiemodell (CCM) ECHAM-MESSy Atmosphere Chemistry (EMAC) Modell, um insbesondere die klimarelevanten Prozesse in der Stratosphäre, wie die Änderungen der Ozonschicht oder die Auswirkungen von Schwankungen der Sonnenaktivität, auf das Klima und Wetter in der darunter liegenden Troposphäre zu untersuchen.

"EMAC basiert auf dem ECHAM5-Klimamodell (Roeckner et al., 2006) und wurde am Max-Planck-Institut für Chemie mit dem "Modular Earth Submodel System (MESSy, Jöckel et al., 2005, 2006) gekoppelt. MESSy stellt eine standardisierte Schnittstelle zur modularen Erweiterung des Modellsystems dar und umfasst Submodelle, z.B. für die Berücksichtigung atmosphärenchemischer Prozesse (Sander et al., 2005). EMAC wird am FUB Institut für Meteorologie mit einer Auflösung von 39 Schichten bis in 80 km Höhe und mit hoch auflösendem, solarem Strahlungsschema (Nissen et al., 2007) eingesetzt.

Beispiel: Zukünftige Entwicklung der Ozonschicht

Nach Inkrafttreten des Montrealer Protokolls zur Regulierung Ozon zerstörender Chlor- und Bromsubstanzen Ende der 1980er Jahre zeigen Messungen einen langsamen Abbau des stratosphärischen Gesamtchlorgehaltes.

Abb.1 zeigt die erwartete stratosphärische Chlorbelastung zusammen mit der zukünftigen Entwicklung des polaren Gesamtozons jeweils im Frühjahr der Arktis und Antarktis aus koordinierten Zukunftsprojektionen von 17 Klima-Chemiemodellen, u.a. EMAC (WMO, 2011).

Abb1, (Figure 3.11 aus WMO, 2011): Auf 1980 normierter Multi-Modelltrend im Gesamtozon (DU; links) und im reaktiven anorganischen Chlor (Cly) in ca. 20 km Höhe (parts per billion (10-9); rechts) in den Breiten 60°N–90°N im März (obere Reihe) und den Breiten 60°S–90°S im Oktober (untere Reihe) (dicke graue Linie) mit 95% Konfidenz- und 95% Vorhersageintervallen als hell und dunkel schattierte Bereiche. Farbige Linien zeigen die individuellen, an 1980 angepassten Modelltrends. Die rote vertikale Linie gibt das Jahr an, in dem die Gesamtheit der Modelle wieder zu 1980er Werten des Gesamtozons und Chlorgehaltes zurückkehrt.

Abb1, (Figure 3.11 aus WMO, 2011): Auf 1980 normierter Multi-Modelltrend im Gesamtozon (DU; links) und im reaktiven anorganischen Chlor (Cly) in ca. 20 km Höhe (parts per billion (10-9); rechts) in den Breiten 60°N–90°N im März (obere Reihe) und den Breiten 60°S–90°S im Oktober (untere Reihe) (dicke graue Linie) mit 95% Konfidenz- und 95% Vorhersageintervallen als hell und dunkel schattierte Bereiche. Farbige Linien zeigen die individuellen, an 1980 angepassten Modelltrends. Die rote vertikale Linie gibt das Jahr an, in dem die Gesamtheit der Modelle wieder zu 1980er Werten des Gesamtozons und Chlorgehaltes zurückkehrt.

Der Gesamtozongehalt im arktischen Frühjahr wird sich zwischen 2020 und 2035 wieder bis auf das Niveau von 1980 erholen, zwei bis drei Jahrzehnte, bevor der Chlorgehalt sich wieder 1980er Werten nähert. Antarktisches Ozon wird voraussichtlich zwischen 2045 und 2060 auf den 1980er Referenzwert ansteigen, und somit später als jeder andere Bereich in der Atmosphäre.

Beispiel: Dynamische Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre

Statistische Analysen langjähriger Beobachtungszeitreihen sowie Modellsimulationen zeigen, dass während des Nordwinters eine hohe Korrelation zwischen der Stärke des stratosphärischen Polarwirbels und troposphärischen Variabilitätsmustern, wie dem Northern Annular Mode (NAM) oder der Nordatlantikoszillation (NAO) existiert.

Die unten stehende Abbildung 2 (nach Baldwin and Dunkerton, 2001) zeigt am Beispiel einer Simulation des EMAC Modells für 1960-2005, wie sich Anomalien des NAM-Index nach besonders schwachen oder starken stratosphärischen Polarwirbeln langsam in die Troposphäre ausbreiten, wo sie z.B. bis zu zwei Monate nach Eintreten von stratosphärischen Schwachwirbelereignissen das troposphärische Wetter beeinflussen können.

Abb.2

Abb.2

Abb.2: Kompositplots des zeitlichen und vertikalen Verlaufs des Northern Annular Modes aus der EMAC-FUB Simulation für 35 Ereignisse mit schwachem (oben) und 57 Ereignisse mit starkem (unten) Polarwirbel. Die farbigen Abstufungen entsprechen einem Intervall von 0,25, die weißen Konturlinien entsprechen 0,5 (normierter Index). Die horizontale Linie zeigt den Übergang der Stratosphäre zur Troposphäre.

Abb.2: Kompositplots des zeitlichen und vertikalen Verlaufs des Northern Annular Modes aus der EMAC-FUB Simulation für 35 Ereignisse mit schwachem (oben) und 57 Ereignisse mit starkem (unten) Polarwirbel. Die farbigen Abstufungen entsprechen einem Intervall von 0,25, die weißen Konturlinien entsprechen 0,5 (normierter Index). Die horizontale Linie zeigt den Übergang der Stratosphäre zur Troposphäre.

Beispiel: Das dekadische Sonnensignal in der Troposphäre

Die markanten Muster natürlicher atmosphärischer Klimavariabilität, wie der Northern und Southern Annular Mode (NAM, SAM), zeigen eine deutliche Reaktion auf den 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne.

Starke und statistisch signifikante positive NAM Anomalien der geopotentiellen Höhe treten im Früh- und Mittwinter der Nordhemisphäre in der Stratosphäre auf. Dieses NAM-Muster mit positiven Anomalien im Höhenfeld über dem atlantisch-europäischen und dem Asien-Pazifik Sektor in mittleren Breiten und negativen Anomalien in Polnähe pflanzt sich im Februar bis in die untere Troposphäre fort.

Damit verbunden sind eine polwärtige Verschiebung des troposphärischen Jetstreams und eine signifikante Erwärmung über dem europäischen und asiatischen Kontinent bis zu 1-1,5 K vom solaren Minimum zum Maximum.

Abb.3: Oben

Abb.3: Oben

Abb. 3: Das Signal des 11-jährigen Sonnenzyklus für Februar in der geopotentiellen Höhe (in m pro 100 Einheiten des solaren Flusses der Wellenlänge 10,7 cm (auch F10,7 cm Radiofluss genannt) von 20°N bis 90°N in 700 hPa (links) und in der Temperatur (in K pro 100 Einheiten des F10,7 cm Radioflusses) in 850 hPa (rechts). Helle (dunkle) Schattierung bezeichnet statistische Signifikanz auf dem 95% (99%) Niveau.

Abb.3: Unten

Abb.3: Unten

Autorin

Professor Dr. Ulrike Langematz
Institut für Meteorologie,
Freie Universität Berlin