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Initialization of global decadal climate forecast: a new challenge for multi-scale data assimilation

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Fortschritte bei dekadischen Klimaprognosen

Im Rahmen der derzeit stattfindenden Verschmelzung der Forschung zu Klimavorhersage und Klimasimulation untersuchten EU-finanzierte Wissenschaftler die Möglichkeit, zuverlässige Prognosen auf Basis von ein- bis mehrjährigen Zeiträumen zu treffen.

Klimawandel und Umwelt

Dekadische Klimavorhersagen stützen sich auf den Zustand der Weltmeere und ihren Einfluss auf die Atmosphäre, um vorherzusagen, wie sich das globale Klima in den nächsten Jahren entwickeln wird. Dieses relativ neue Gebiet wurde durch die Verfügbarkeit von Supercomputern, immer ausgefeilteren Modellen und höherwertigen Beobachtungsdaten zum Klimasystem erschlossen. Da dies ein vollkommen neues Verfahren zum Treffen von Vorhersagen darstellt, müssen diese Modelle unbedingt sehr zuverlässig sein. Im EU-finanzierten INCLIDA-Projekt wurden dekadische Prognosen mit einer fortschrittlichen Initialisierungsmethode geprüft, die sich bei der Wettervorhersage als erfolgreich erwiesen hatte. Wettervorhersagen sind von der genauen Bestimmung des Ausgangszustandes abhängig, da der Einfluss der extern wirkenden Faktoren beinahe nicht erfassbar ist. Dekadische Klimaprognosen beruhen auf Ausgangsbedingungen, die sich vom heutigen Klima unterscheiden, und können so die Schwankungen einzelner Jahre sowie die meisten Variationen eines Jahrzehnts nicht "vorhersagen". Die Methode, die von den INCLIDA-Wissenschaftlern zur Initialisierung des dynamischen Systems der Erdatmosphäre eingesetzt wird, ist die Datenassimilation. Der Ausgangszustand eines Modells wird anhand einer Reihe simpler Beobachtungen abgeschätzt. Konkret werden mit dem erweiterten Kalman-Filter Statistiken aus einer Sammlung von Vorhersagen genutzt, um die Beziehung zwischen den Beobachtungen und allen Variablen für ihre Korrektur zu bewerten. Diese Methode erwies sich als berechnungsaufwändig, da Integrationen des Modells erforderlich sind. Die INCLIDA-Wissenschaftler kombinierten EC-Earth, ein hochmodernes globales Erdsystemmodell, das aus Atmosphären-, Ozean-, Meereis- und Landmodell besteht, mit dem erweiterten Kalman-Filter und weiteren Berechnungsalgorithmen für den Ausgangszustand. Um die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen neuen Ansatzes zu prüfen, führten sie nachträglich dekadische Prognosen für das letzte Jahrhundert aus. Beginnend mit dem 1. Januar 1960 demonstrierte das EC-Earth-Modell bis zum 31. Dezember 2012 eine dekadische Vorhersagbarkeit, die der maximal für dieses Modell möglichen Vorhersagbarkeit nahekommt. Die Ergebnisse werden in zwei wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben, die in internationalen durch Experten geprüften Fachzeitschriften veröffentlicht wurden. Sie sind zwar vielversprechend, basieren jedoch auf der synthetischen Lösung aus demselben Modell zu unterschiedlichen Zeiten. Da das Modell und dessen Prognosen noch lange nicht perfekt sind, ist zu hoffen, dass die Bemühungen der INCLIDA-Wissenschaftler zu weiteren Modellforschungen anregen werden, um die Berechnungen verbessern zu können.

Schlüsselbegriffe

Klima, Prognose, Modell, Daten, Ozean, Atmosphäre, Supercomputer, Wetter, Datenassimilation, Kalman-Filter, EC-Earth

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