Analyse und Vergleich von simuliertem Klima mit Beobachtungen

Die Anwendung von Klimamodellen erfolgt mit dem Ziel, die Beobachtungen möglichst gut abzubilden. Um das simulierte Klima mit der Realität zu vergleichen, benötigt man verschiedene Metriken.

• Vergleichende Betrachtung der Basisvariablen im Gesamtmittel über einer Referenzperiode
• Welche Referenzperiode ist geeignet, 10, 30, 50 , 100 ... Jahre?
• Vergleiche des Jahresganges und der Variation des Jahresganges
• Vergleich klimarelevanter Prozesse ...
  • Energiebilanz an der Obergrenze der Atmosphäre
  • Wasserkreislauf in der Atmosphäre
  • Kinetische Energie der Zirkulation
  • ... weitere

Um die einzelnen Modelle besser einzuordnen, wird hier eine Auswahl von Analysen exemplarisch vorgestellt. Das Material soll gleichzeitig als Anleitung für eigene Modelldatenauswertungen dienen.

Datensätze und Modellexperimente

In dieser Analyse werden Beobachtungen (ERBE), Reanalysen (ERA5) und Modellsimulationen (EBM, PUMA, PLASIM, ECHAM5, MPIESM) miteinander verglichen. Nicht jedes Modell bietet alle Größen für eine umfassende Analyse. Hier die Datensätze im einzelnen in einer kurzen Zusammenfassung.

• ERBE Daten des Earth Radiation Budget Experiment für den Zeitraum 1985 bis 1989, nur OLR vorhanden
• ERA5 der aktuellste Reanalysedatensatz für den Zeitraum 1980 bis 2018 mit sehr hoher räumlicher Auflösung (ca. 30 km)
• EBM das einfachste Modell simuliert die Energiebilanz für Breitenzonen auf einer Hemisphäre. Mit diesem Modell wurden drei Szenarien berechnet ...
  • pm10p 10% Variation der Solarkonstante bei aktuellem Orbit
  • l10t Variation des Orbit in den letzten 10000 Jahren
  • l100t Variation des Orbit in +/-100000 Jahren um heute
• PUMA simuliert die Zirkulation auf einem rotierenden Wasserplaneten
• PLASIM bildet verschiedene Komponenten des Erdsystems (Atmosphäre, Ozean, Eis, Vegetation) in einer etwa 5 Grad Auflösung ab
• ECHAM5 berechnet die atmosphärische Zirkulation und wird am Unterrand durch die Ozeantemperaturen angetrieben, zwei Szenarien werden hier benutzt ...
  • CSST ... klimatologisch gemittelter Jahresgang
  • AMIP ... beobachtete Variation der Ozeantemperaturen zwischen 1960-2000
  ... das Modell kann in unterschiedlicher Auflösung betrieben werden. Für die erweiterte Analyse wurden 8 AMIP Simulationen verwendet ...
  • Variation der räumlichen Auflösung T21, T31, T42, T63, T85, T106
  • vertikale Auflösung in troposphärischer Variante L19 und alle horizontalen Varianten, sowie mit mittlerer Atmosphäre L39 für T31 bis T85
• MPIESM1 das komplexe Erdsystemmodell vom MPIH mit allen Subsystemen, hier wird eine 30 jährige Simulation unter present day Bedingungen analysiert, die in der niedrigsten verfügbaren Version (CR climate resolution) gerechnet wurde

Ergebnisse der Diagnosen

Die hier gezeigten Ergebnisse dienen der Illustration und sollten kritisch betrachtet werden.

Analyse der Energiebilanz an der Obergrenze

Die mittlere Strahlungsbilanz ist weitestgehend ausgeglichen, d.h. die global und jährlich gemittelte Nettostrahlungsbilanz an der Obergrenze der Atmosphäre liegt bei Null (Unsicherheit kleiner als 1 W/m^2). Betrachtet man die zonal gemittelte Bilanz, so ergibt sich in den Tropen (ca. 35S...35N) ein Überschuß von ca. 20-22 W/m^2 im Mittel. Diese Energie muss zum Ausgleich in hohe Breiten transportiert werden. Die Abschätzung diese Transports ergibt einen Wert von ca. 5-6 PetaWatt, der gut mit Angaben aus der Literatur (z.B. Hartmann, 2016, Global Physical Climatology) übereinstimmt. Vergleicht man die Zonalmittel zwischen den verschiedenen Datensätzen, gibt es vor allen in den Tropen deutliche Verbesserungen mit dem ERA5 Datensatz. Durch die deutlich höhere räumliche Auflösung wird die Struktur der ITCZ besser abgebildet.

• Strahlungsbilanzen im Zonalmittel [ Ergebnisse ]
• räumliche Verteilung der Strahlungsbilanzen im Zeitmittel [ Ergebnisse ]
• Strahlungsberechnungen mit dem EBM : [ +/-10% ] / [ 10T Jahre ] / [ 200T Jahre ]
• Mittlere Verteilung der Wolken [ Ergebnisse ]

Analyse der Wasserkreislaufs

Für die Analyse des Wasserkreislaufes auf der globalen Skala spielt in erster Linie das Gleichgewicht zwischen Niederschlag und Verdunstung eine Rolle. Der modellierte Niederschlag kann ganz gut mit GPCP verglichen werden. Jedoch überschätzen die Modelle die beobachteten Werte um bis zu 14%, der ERA5 Niederschlag liegt um etwa 8% zu hoch. Vergleicht man den Niederschlag mit der Verdunstung wird in den Modellen bis zu 0.5% zu viel verdunstet und in ERA5 liegt der Niederschlag um etwa 1,5% höher als die Verdunstung. Spaltet man sowohl den Niederschlag als auch die Verdunstung zwischen Land und Ozean auf, dann liegt der Überschuss in der Verdunstung über dem Ozean bei etwa 7-8% und entsprechend mehr Niederschlag fällt über Land. Vergleicht man dies mit dem Runoff in den Modelle gehen ca. 3% auf dem Weg zum Ozean verloren, d.h. das verschwindet in den Landflächen. Nebem den Wasserflüssen werden zum Vergleich die Reservoire in der Atmosphäre analysiert.

• Verteilung des Niederschlages ... [ horizontal ] / [ Entwicklung Zonalmittel ] / [ Zonalmittel ]
• Verteilung des Verdunstung ... [ horizontal ] / [ Entwicklung Zonalmittel ] / [ Zonalmittel ]
• Verteilung des atmosphärischen Wassers ... [ Ergebnisse ]

Analyse der Zirkulation

Für diesen Teil der Analyse wurde auf den Tagesmittelwerten aufsetzend die Reynoldsche Zerlegung für Temperatur und Wind berechnet. Dann wurde für jeden der 4 Terme die kinetische Energie und der merdionale Transport von Temperatur und Impuls berechnet. Die Darstellung dieser Auswertung erfolgte separat und kann [ hier ] eingesehen werden.