Digitaler Zwilling für Paläoklima
Förderer: AWI INSPIRES, International Science Program for Integrative Research in Earth Systems
Kostenstelle: PS 87010201
Projektlaufzeit: 2021 - 2027
Antragsteller: Prof. Dr. Gerrit Lohmann
co-PIs: Gregor Knorr, Johann Klages, Thomas Jung, Karsten Gohl
Doktorand: Alexander Thorneloe
Das Ziel ist es, die Prozesse zu bewerten, die zu einer Erwärmung der Antarktis und des Südlichen Ozeans, zur Bildung von Tiefenwasser führen, und die Rückkopplungen auf langen Zeitskalen zu untersuchen. Dies wird die explizite Simulation der Geometrie der Hohlräume, die vertikale Schichtung und die Prozesse der Oberflächenströmungen einschließen. Wir werden die paläoklimatischen Informationen nutzen, um den Einfluss externer Einflüsse (solare Einstrahlung, CO2 und tektonische Veränderungen) sowie interner Variabilität und Extremen im Atmosphäre-Ozean-Eis-System weiter zu bewerten (Lohmann et al., 2020). Die Dynamik in hochauflösenden Simulationen hat eine vollständig andere Struktur, einschließlich Wirbel, als die Struktur in grob aufgelösten Modellen. Damit werden wir bewerten, wie das System regional unterschiedlich auf verschiedene Einwirkungsmechanismen reagiert hat (z. B. Einbrüche von umlaufenden Tiefenwasserschelfen). Kleinmaßstäbige Wirbel spielen eine wichtige Rolle bei der Vorbereitung und Neu-Schichtung der Wassersäule vor und nach Mischereignissen, wodurch die Bildung von Tiefenwasser, Schmelzraten, die regionale und großskalige Oberflächenströmung und das Klima beeinflusst werden. Um die Qualität des Klimamodells zu verbessern, ist eine hohe räumliche Modellauflösung um die Küsten und Eisregale erforderlich, was herkömmliche Ozean-Klimamodelle mit gleichmäßigen Gittern unpraktisch macht. Die jüngsten Entwicklungen haben die Rechenleistung und Skalierbarkeit von hochauflösenden Strukturgitteransätzen auf Hochleistungsrechnersystemen erheblich verbessert (z. B. Streffing et al., 2022; Danek et al., 2023).
Hypothese: Die Strömungsdynamik in hochauflösenden Simulationen weist eine vollständig andere Struktur auf, einschließlich Wirbel, im Vergleich zur Struktur in grob aufgelösten Modellen. Damit werden wir bewerten, wie das System regional unterschiedlich auf verschiedene Einwirkungsmechanismen reagiert hat (z. B. Einbrüche von umlaufenden Tiefenwasserschelfen). Kleinmaßstäbige Wirbel spielen eine wichtige Rolle bei der Vorbereitung und Neu-Schichtung der Wassersäule vor und nach Mischereignissen, wodurch die Bildung von Tiefenwasser, Schmelzraten, die regionale und großskalige Oberflächenströmung und das Klima beeinflusst werden.
Zeitpunkt & Methode: Um die Qualität des Modells zu verbessern, ist eine hohe räumliche Modellauflösung um die Küsten und Eisregale erforderlich, was herkömmliche Ozean-Klimamodelle mit gleichmäßigen Gittern unpraktisch macht. Die jüngsten Entwicklungen haben die Rechenleistung und Skalierbarkeit von hochauflösenden Strukturgitteransätzen auf Hochleistungsrechnersystemen erheblich verbessert (z. B. Streffing et al., 2022; Danek et al., 2023). Pionierarbeit wurde in der Sektion für Klimadynamik am AWI durch die beträchtliche Steigerung der Rechenkapazität durchgeführt. Die Anwendung auf die Vergangenheit ist der logische nächste Schritt, der die Möglichkeit bietet, leicht erreichbare Früchte zu ernten. Das Wirbel-auflösende (bis zu 5 km lokale horizontale Auflösung) Ozeanmodell FESOM, gekoppelt mit 25 km Auflösung Atmosphärenmodell openIFS, wird eine wesentliche Veränderung für Paläoklimamodelle bringen. Beschleunigungsmethoden werden angewendet, um die erforderlichen Zeitskalen für ausgewählte Perioden zu überbrücken (z. B. Lorenz und Lohmann, 2004).
POF-Relevanz: Dieses Projekt hat einen breiten wissenschaftlichen Disziplinarbereich mit mehreren beteiligten Abteilungen (Klimadynamik, Marinegeologie, Geophysik usw.). Es entspricht explizit den Zielen von ST2.1 (Erwärmende Klimata), ST2.3 (Meeresspiegel) und ST2.4 (Modellentwicklung). Unser Ansatz bietet wertvolle Tests außerhalb der Stichprobe für die Werkzeuge, die zur Simulation zukünftiger Klima- und Umweltveränderungen verwendet werden, die für die Integration in den IPCC und politische Rahmenwerke geeignet sind.
Average (1948–2009, March) local EKE changes of low- (left) and high-resolution (right) FESOM setups in the Labrador Sea. (a, b) Eddy wind work at the sea surface FeKe. Solid red and dashed magenta contours show the modeled and observed (EN4, Good et al.,2013) 2 km MLD (σϴ threshold 0.125 kg m−3), blue contours the depth-integrated 5 (solid) and 20 (dashed) m3 s−2 EKE and thick dashed black lines the LS interior index region. (c, d) Horizontal barotropic HRS and (e, f) baroclinic PeKe instabilities (depth-integrated; positive values indicate EKE generation). Arrows show sea surface velocity direction and magnitude greater or equal 5 cm s−1 and black contours the 1, 2 and 3 km isobaths.
Referenzen
Danek, C., P. Scholz, G. Lohmann, 2023: Decadal variability of eddy temperature fluxes in the Labrador Sea. Ocean Modelling 182, 102170. doi:10.1016/j.ocemod.2023.102170
Lohmann, G., M. Butzin, N. Eissner, X. Shi, C. Stepanek, 2020: Abrupt climate and weather changes across timescales. Paleoceanography and Paleoclimatology 35 (9), e2019PA003782, https://doi.org/10.1029/2019PA003782
Streffing, J., Sidorenko, D., Semmler, T., Zampieri, L., Scholz, P., Andrés-Martínez, M., Koldunov, N., Rackow, T., Kjellsson, J., Goessling, H., Athanase, M., Wang, Q., Hegewald, J., Sein, D. V., Mu, L., Fladrich, U., Barbi, D., Gierz, P., Danilov, S., Juricke, S., Lohmann, G., and Jung, T.: AWI-CM3 coupled climate model: description and evaluation experiments for a prototype post-CMIP6 model, Geosci. Model Dev., 15, 6399–6427, 2022. https://doi.org/10.5194/gmd-15-6399-2022
Knorr G., Barker S., Zhang X., Lohmann G., Gong X., Gierz P., Stepanek C., and Stap L. B., 2021: A salty deep ocean as a prerequisite for glacial termination. Nature Geo 14, 930–936, doi:10.1038/s41561-021-00857-3
Lembke-Jene L., Tiedemann R., Nürnberg D., and Lohmann G., 2018: Rapid shift and millennial-scale variations in Holocene North Pacific Intermediate Water ventilation. PNAS 115 (21), 5365-5370, doi:10.1073/pnas.1714754115
Lorenz S. J., and Lohmann G., 2004: Acceleration technique for Milankovitch type forcing in a coupled atmosphere-ocean circulation model: method and application for the Holocene. Climate Dynamics 23, 727–743, doi:10.1007/s00382-004-0469-y
Klages J. P., Salzmann U., Bickert T., Hillenbrand C. D., Gohl K., Kuhn G., Bohaty M. S., Titschack J., Müller J., Frederichs T., Bauersachs T., Ehrmann W., Van de Flierdt T., Pereira P. S., Larter R. D., Lohmann G., Niezgodzki I., Uenzelmann-Neben G., Zundel M., Spiegel C., Mark C., Chew D., Francis J. E., Nehrke G., Schwarz F., Smith J. A., Freudenthal T., Esper O., Pälike H., Ronge T. A., Ricarda Dziadek R., and the Science Team of Expedition PS104, 2020: Temperate rainforests near the South Pole during peak Cretaceous warmth. Nature 580, 81–86, doi:10.1038/s41586-020-2148-5
Maier E., Zhang X., Abelmann A., Gersonde R., Mulitza S., Werner W., Méheust M., Ren J., Chapligin B., Meyer H., Stein R., Tiedemann R., and Lohmann G., 2018: North Pacific freshwater events linked to changes in glacial ocean circulation. Nature 559, 241–245, doi:10.1038/s41586-018-0276-y
Stein R., Fahl K., Gierz P., Niessen F, and Lohmann G., 2017: Arctic Ocean sea ice cover during the penultimate glacial and the last interglacial. Nature Communications 8, Article-Nr.: 373, doi:10.1038/s41467-017-00552-1
Streffing J., Sidorenko D., Semmler T., Zampieri L., Scholz P., Andrés-Martínez M., Koldunov N., Rackow T., Kjellsson J., Goessling H., Athanase M., Wang Q., Hegewald J., Sein D. V., Mu L., Fladrich U., Barbi D., Gierz P., Danilov S., Juricke S., Lohmann G., and Jung T., 2022: AWI-CM3 coupled climate model: description and evaluation experiments for a prototype post-CMIP6 model. Geoscientific Model Development 15, 6399–6427, doi:10.5194/gmd-15-6399-2022