Ocean in the Earth System: Waves by Christian Klepp

Arbeitsgruppe Physik des Ozeans

 

Die Arbeitsgruppe 'Physik des Ozeans' beschäftigt sich mit Klimaprozessen auf langen Zeitskalen. Es geht dabei sowohl um die Identifikation von relevanten Rückkopplungsmechanismen als auch um deren Verständnis. Es werden hier komplexe Modellkomponeneten verwendet, um möglichst wenige potentielle Mechanismen von vornherein auszuschließen. Nichtsdestotrotz lässt es sich nicht vermeiden, die Modelle in relativ grober Auflösung zu betreiben, um die erforderlichen sehr langen Simulationen überhaupt durchführen zu können.


Besonders berücksichtigt werden dabei vergangene Klimaänderungen, die sich aus Proxydaten rekonstruieren lassen. Neben dem prinzipiellen Erkenntnisgewinn über die Gründe vergangener Klimaschwankungen, können die rekonstruierten Klimaschwankungen auch benutzt werden, um das Verhalten der Klimamodelle in anderen Parameterbereichen als dem heutigen Klima zu testen.


Ein weiterer Schwerpunkt der Gruppe ist die Modellierung von regionalem Klima. Die räumliche Auflösung der globalen Klimamodelle ist jedoch in der Regel nicht ausreichend, um verlässliche Klimainformation auf regionaler Skala abzuleiten. Zur Regionalisierung von globalen Modelldaten verwenden wir deshalb ein regional gekoppeltes Atmosphäre-Ozean-Biogeochemie Modell, das aus einem regionalen atmosphärischen Modell und einem globalen Ozeanmodell mit deutlich erhöhter Auflösung in der interessierenden Region besteht. Zur Zeit wird dieses Modellsystem in verschiedenen Konfigurationen mit Fokus auf die europäischen Rand- und Nebenmeere und die Arktis angewendet.

 

Das Klima während des letzten Glazials und des Holozäns in einem gekoppelten Atmosphären-Ozean-Eisschild Modell

 

Unsere Gruppe untersucht Klimaveränderungen und -variabilität auf langen Zeitskalen und die zu Grunde liegenden Mechanismen. Dazu gehören der Übergang zwischen Eis- und Warmzeit, Variabilität auf Zeitskalen von Jahrtausenden wie beispielsweise Heinrich-Ereignisse und die Wechselwirkung der Eisschilde mit den anderen Komponenten des Klimasystems. Aus diesem Grund ist es wichtig ein Modell zu haben, das ein voll gekoppeltes Eisschild-Modell beinhaltet.

Ein solches Eisschild-Modell wurde mit dem MPI Klimamodell gekoppelt. Mit diesem Modellsystem wurde das heutige und das Klima des letzten glazialen Maximums (vor ca. 21.000 Jahren) simuliert. In beiden Fällen ist das Modellklima vergleichbar mit Beobachtungen/Rekonstruktionen. Das simulierte Laurentidische Eisschild über Nordamerika zeigt periodisch auftretende starke Ausstromereignisse in die Labrador See, was dem Mechanismus der Heinrich-Ereignisse entspricht (mehr auf Englisch).


Zur Zeit liegt ein Schwerpunkt auf der Untersuchung des Übergangs aus der letzten Eiszeit in die heutige Warmzeit und den Effekt des anthropogenen Klimawandels auf das Grönländische Eisschild.

Die thermohaline Zirkulation im Atlantik während der letzten Eiszeit wird mit einer Modellkonfiguration mit vorgeschrieben Eisschilden untersucht. Dabei geht es um die Sensitivität der Zirkulation gegenüber Änderungen von Treibhausgaskonzentrationen, Topographie und Sonneneinstrahlung sowie um mögliche Bifurkationspunkte und Schwellwerte.

 

Kontakt: Uwe Mikolajewicz and Marlene Klockmann

 

Modellierung der europäischen Rand- und Nebenmeere

 

Die Gitterauflösung globaler Klimamodelle ist im Allgemeinen zu grob, um hydrodynamische Prozesse in Schelf- und Randmeeren, wie z.B. der Nordsee und dem Mittelmeer, realistisch simulieren zu können. Außerdem werden Tideneffekte auf die Ozeanzirkulation und die Meeresspiegelauslenkung in globalen Modellexperimenten nicht berücksichtigt. Um mesoskalige Prozesse im Ozean zu untersuchen, werden üblicherweise regionale Modelle angewendet. Dabei müssen jedoch an den offenen lateralen Rändern des regionalen Modellgebietes Randbedingungen vorgegeben werden. Austauschprozesse mit dem angrenzenden offenen Ozean oder die Ausbreitung von Signalen in das regionale Gebiet bzw. aus ihm heraus können daher mit regionalen Modellen nicht adäquat simuliert werden.


Wir wenden ein in unserer Arbeitsgruppe entwickeltes Modellsystem an, welches aus dem globalen Ozeanmodell MPIOM, dem marinen Biogeochemiemodell HAMOCC und dem regionalen Atmosphärenmodell REMO besteht (Sein et al., eingereicht). Um Wechselwirkungen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre aktiv zu simulieren ist das globale Ozeanmodell MPIOM mit dem regionalen Atmosphärenmodell REMO über Europa und dem östlichen Nordatlantik gekoppelt. Der Frischwasserkreislauf ist durch das Hydrologische Abflussmodell HD geschlossen. Für die regionalen Modellstudien wird MPIOM mit einer verzerrten Gitterkonfiguration eingesetzt, deren nicht-diametral gegenüberliegende Pole über Südwestdeutschland und Chicago platziert sind (Abb.). Damit wird sowohl die Notwendigkeit von vorgeschriebenen Randbedingungen im Ozean umgangen, als auch eine höhere Gitterauflösung im nordwest-europäischen Schelf, dem Nordatlantik und dem Mittelmeer gewährleistet.


Mit diesem regionalen Modellsystem untersuchen wir physikalische und biogeochemische Austauschprozesse zwischen dem Schelfmeer und dem offenen Ozean, aber auch zwischen aneinandergrenzenden Randmeeren. In Simulationen unter vergangenen und heutigen klimatischen Bedingungen liegt der Schwerpunkt unserer Forschung auf dem Verständnis der natürlichen Variabilität des betrachteten Systems, während in langzeitlichen Zukunftsprojektionen auch anthropogen verursachte Klimaänderungssignale an Bedeutung gewinnen. Dabei untersuchen wir unter anderem potentielle Veränderungen der thermoklinen Sprungschicht und deren Auswirkung auf die Verteilung von Nährstoffen, die Effektivität der Schelf-Kohlenstoffpumpe und den trophischen Zustand des Ozeans. Veränderungen in der Statistik von Extremereignissen wie z.B. Sturmfluten werden ebenfalls analysiert.
Aktuelle Ergebnisse:

 

  • Wir untersuchen die natürliche Variabilität in den physikalischen Bedingungen der Nordsee sowie deren Entstehungsmechanismen (mehr auf Englisch).
  • Wir untersuchen den Einfluss von großskaligen Klima- und Zirkulationsänderungen auf den biogeochemischen Zustand des nordwest-europäischen Schelfs während einer langzeitlichen transienten Klimasimulation (mehr auf Englisch).

 

Kontakt: Moritz Mathis, Alberto Elizalde

 

 

Modellierung des Klimas in der Arktis

 

In der Arktis gibt es große saisonale und zwischenjährliche Klimaschwankungen. Diese Variabilität und die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Ozean und Meereis ist bisher noch nicht zufriedenstellend verstanden. Desweiteren wurden in den letzten Jahren große Änderungen beobachtet, wie zum Beispiel das Minimum der Sommermeereisausdehnung im Jahr 2012.


Wir sind im Besonderen interessiert an

  • der jährlichen Variabilität im arktischen Süßwasserkreislauf und ihrer Ursache (mehr auf Englisch),

  • der Variabilität im Randgebiet der Meereisausdehnung östlich von Grönland, wo sich im 20sten Jahrhundert regelmäßig der sogenannte “Arctic Odden” gebildet hat, eine Zunge aus Meereis mit hoher täglicher Variabilität sowohl in Form als auch in Größe,

  • zukünftigen Änderungen in der arktischen Meereisbedeckung, den zugrunde liegenden Mechanismen für eine große Abnahme des Meereises im Sommer, sowie für eine mögliche Erholung im darauffolgenden Jahr, und

  • dem Einfluss der antrophogenen Klimaänderungen in der Arktis auf das globale Klima.


Beobachtungen in der Arktis sind unvollständig und ihre Zeitserien oft zu kurz, um eine robuste Analyse durchführen zu können. Globale Klimamodelle zeigen große Unterschiede in der Modellierung des mittleren Klimas in der Arktis, vermutlich wegen ihrer zu groben Gitterauflösung. Komplizierte Topographie, wie zum Beispiel das kanadische Archipel, und kleinskalige Prozesse können nicht adäquat aufgelöst werden.

 

Wir verwenden ein regional gekoppeltes Atmosphären-Ozeanmodell, bestehend aus dem globalen Ozeanmodell MPIOM mit hoher Auflösung in der Arktis gekoppelt an das regionale Atmosphärenmodell REMO (Aldrian et al.,2005; Mikolajewicz et al.,2005). Das gekoppelte Gebiet umfasst alle Einzugsgebiete der arktischen Flüsse. Um den Süßwasserkreislauf für die Arktis zu schließen wurde ein Abflussmodell eingefügt, das lateralen Wasserabfluss vom Festland berechnet.

 

Kontakt:  Laura Niederdrenk 

 

 

Referenzen

 

Aldrian, E., D. Sein, D. Jacob, L. Dümenil Gates, and R. Podzun, 2005: Modelling of Indonesian Rainfall with a Coupled Regional Model. Climate Dynamics, 25, 1–17. (link)

 

Mikolajewicz, U., D. Sein, D. Jacob, T. Königk, R. Podzun, and T. Semmler, 2005: Simulating Arctic sea ice variability with a coupled regional atmosphere-ocean-sea ice model. Meteorologische Zeitschrift, 14, 793–800. (link)

 

Sein, D.V., U. Mikolajewicz, M. Gröger, I. Fast, W. Cabos, J.G. Pinto, S. Hagemann, T. Semmler, A. Izquierdo and D. Jacob. Regionally coupled atmosphere–ocean–sea ice–marine biogeochemistry model ROM. Part I: Description and validation. Submitted to Journal of Advances in Modeling Earth Systems.