Hasselmann, K.

Maier-Reimer, E.

Sausen, R.

Voss, R.

German

MPG.PuRe

Annalen der Meteorologie27Deutsche Meteorologen-Tagung 1992vom 16. bis 20. März 1992 in BerlinOffenbach am Main 1992Selbstverlag des Deutschen WetterdienstesISSN 0072-4122Die für die Veröffentlichung als Vorabdruck zur Meteorologen-Tagung 1992 eingereichten Manuskripte stellenerweiterte Zusammenfassungen oder Kurzfassungen der Vorträge dar. Für ihren Inhalt sind die Verfasser ver-antwortlich. Die Wiedergabe der Zusammenfassungen nimmt eine spätere ausführliche Darstellung der Vor-träge und ihre Veröffentlichung durch die Autoren an anderer Stelle nicht vorweg.ISSN 0072-4122ISBN 3-88148-271-7Herausgeber und Verlag:Deutscher Wetterdienst, ZentralamtFrankfurter Straße 135D-6050 Offenbach a. M.RedaktionsscWuß: 13. Januar 1992W. TRAMPF (DWD Offenbach)Flächenmäßige Darstellung der Verdunstung durch Gitterpunktwerte . . . . . . . . . . . 142H. LOHSE, A. MÜLLER, H. SIEWERS (GKSS Geesthacht)Mikrometeorologische Messungen im Wattenmeer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143C. HAUSTEIN, H. MEYER (Universität München)Profilfahrten zur Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Variabilität von boden-nahen Emissionen im Ballungsraum München. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Aktuelle Probleme der Theoretischen MeteorologieH. FORTAK (FU Berlin)Nichtlineare Dynamik und Strukturbildung (Übersichtsvortrag mit Film) 149U. WACKER (Universität Frankfurt)Strukturuntersuchungen in der Wolkenphysik mit nichtlinearen Parameterisierungs-ansätzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151K. HASSELMANN, R. SAUSEN, E. MAlER-REIMER, R. VOSS (MPI und Universität Ham-burg und DLR Oberpfaffenhofen)Das Kaltstartproblem bei Klimasimulationen mit gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Modellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153P. CARL (Zentralinstitut für Elektronenphysik Berlin)Dynamische Struktur und Sensitivität des planetaren Monsunsystems in einemGrobgitter-Zirkulationsmodell der Troposphäre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1551. PELKOWSKI (Universität Frankfurt)Zur Rolle der Entropieerzeugungsrate in der Klimatheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157F. HERBERT (Universität Frankfurt)Trägheitswirkung und Antisymmetrie im Wärmetransportgesetz . . . . . . . . . . . . . . . 159H.-1. LANGE (FU Berlin)Nichtlineare Verallgemeinerungen der Blackadar'schen Theorie des "Low Level Jet" 161R. BLENDER (FU Berlin)Inertial-Range-Spektrum eines fraktalen Thrbulenzmodells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163A. DÖRNBRACK (DLR Oberpfaffenhofen)Vergleich der Ergebnisse der Schließung 2. Ordnung mit Daten der direkten numeri-schen Simulation für die turbulente Diffusion in geschichteten Scherströmungen . . 164A. MUSCHINSKI (Universität Hannover)Eine Gleichung zur Berechnung horizontal homogener und stationärer turbulenterStrömungen auf der Basis einer lokalen Interpretation der HeisenbergschenThrbulenztheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165P. NEVIR (FU Berlin)Hamiltonsche Dynamik nichtlinearer Rossby-Haurwitz-Wellen. . . . . . . . . . . . . . . . . 167H.-F. ALBERT (HU Berlin)Über den Nutzen der feldtheoretischen Formulierung der Grundgleichungen der theo-retischen Meteorologie................................................ 169A. MÜNZENBERG (Universität Bonn)Quasilineare Instabilitäts- und Strukturanalyse auf der Mesoskala . . . . . . . . . . . . . . 171H. KAPITZKA (GKSS Geesthacht)Numerische Experimente mit dem Adjungierten eines Mesoskalen-Modells. . . . . . 173U. CALLIES, D. P. EPPEL (GKSS Geesthacht)Datenassimilation für numerische Modelle als durch Einfluß der Diskretisierungschlecht gestelltes Optimierungsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175VIIIDas Kaltstartproblem bei Klimasimulationenmit gekoppelten Atmosphäre-Ozean-ModellenKlaus Hasselmann1 , Robert Sausen2 , Ernst Maier-Reimer1 und Reinhard Voß31 MPI für Meteorologie, Bundesstraße 55, W-2000 Hamburg 132 DLR, Institut für Physik der Atmosphäre, W-8031 Oberpfaffenhofen3 Meteorol. Inst., Universität Hamburg, Bundcsstr. 55, W-2000 Hamburg 13t"= - JF(u) [C(t - u) - G(tb - u)J dut 4Mit (1) und (2) ergibt sich dann für den Kaltstart-fehlercS~(t) = Ll~c$(t) - Ll~wu(t)FC$(t) = F(t) - F(tb) (2)eingeschaltet.Für beide Fälle betrachten wir für den Zeitraumt > tb die Klimaänderung Ll<l? relativ zum Klimazu-ostand zur Zeit tb:Der Kaltstartfehler ist definiert als die Differenz auszwei Klimaänderungsexperimenten:• Im Warmstart-Experiment (wu) mit dem Kli-masignal ~wu(t) wird der Antrieb Fwu == F(t)zum Zeitpunkt t = t a eingeschaltet.• Im Kaltstart-Experiment (es) mit dem Klima-signal <l?wu(t) wird zur Zeit t = tb > ta derAntrieb(3)(4)(1)~wu(t) - ~wu(tb)~C$ (t)Ll~wu(t)Ll~c$ (t)~(t)tJdF -du (u) R(t - u) duot= JF(u)C(t-u)du.oHierbei ist G(t) = ~1 die Responsefunktion (Green-funktion) des Systems.1 EinleitungSeit längerer Zeit ist bekannt, daß die Wirkungdes transienten Anstiegs der anthropogenen Treib-hausgase auf das globale Klima mit gekoppel-ten Atmosphäre-Ozean-Zirkulationsmodellen unter-sucht werden sollte. Allerdings stehen erst in jüng-ster Zeit ausreichend realistische Modelle und hinrei-chend leistungsfähige Supercomputer zur Verfügung,um derartige Simulationen über längere Zeiträumedurchführen zu können. Trotzdem begrenzen dievorhandenen Computerkapazitäten immer noch sol-che Simulationen. Keine der in jüngster Zeitabgeschlossenen Treibhausgas-Szenarienrechnungenkonnte den gesamten Zeitraum des Anstiegs derCO2-Konzentration seit Beginn des 19. Jahrhun-derts einschließen und gleichzeitig einen entspre-chend langen Zeitraum in die Zukunft integrieren.Um die Rechenzeit zu begrenzen, wurde als Anfangs-zustand ein Gleichgewichtszustand nahe dem heutebeobachteten Klima gewählt.Die Hamburger Simulationen der globalgemitteltenbodennahen Lufttemperatur (Cubasch et al. , 1991;siehe auch Abb. 2) zeigen während der ersten 40 Mo-delljahre deutliche geringere Temperaturerhöhungenals die IPCC-Ergebnisse (Houghton et al., 1990), diemit einfachen Advektions-Diffusions-Modellen be-rechnet wurden. Hier stellt sich nun die Frage, ob dieverzögerte Erwärmung einen wirklichen Unterschiedzwischen beiden Modellen widerspiegelt und auch inder Realität zu erwarten ist oder ob die Verzögerungeine Folge der unterschiedlichen Anfangsbegingun-gen ist.(5)2 Der KaltstartfehlerIm folgenden betrachten wir nur kleine Störungendes Gleichgewichtzustandes, so daß wir lineare Ap-proximationen anwenden dürfen. Sei R(t) die lineareAntwort eines Klimamodells auf eine stufenförmige.Störung der Höhe 1. Dann ist die lineare Antwortdes Modells ~ auf eine beliebige Störung F(t) (mit.F(t) =0 für t :::; 0) gegeben durchDie Greenfunktion G(t) läßt sich für nicht de-generierte lineare Systeme als Linearkombinationvon Einzelmoden mit komplexen Eigenwerten J.Lj =Aj - iWj, Aj > 0 darstellen:G(t) 2: C'tje-~jt (6)jR(t) 2: C'tj (1 - e-~jt) (7)j J1.j153Für unseren linearen Response nehmen wir an, daßder Antrieb proportional zum Logarithmus der äqui-valenten CO2-Konzentration ist:F(t) = ln(c(t)/c(tb)) . (10)In(c2/c(tb))Hierbei ist tb = 1985 und C2 ist die Konzentration im"2 x CO2''-Experiment ..1.51.02.52.00.53.00.0720.548.390.203520601985_____ IPCC___ XORR2035195020101900LEGEND:-- ECHAN-l/LSG---.-- •• APPROX+-----r------.------,----t--O.52085t •-r-----------------T 3.5200. +------.,.----,..---f-----.------!1850 2085t[a]Abbildung 1: Vergangene äquivalente C02-Konzen-tration und Entwicklung in vier Szenarien.~ 400.';i {-------->';jer~Abbildung 2: Globales Mittel der bodennahenLujttemperatur bei Szenario A: Simulation mitECHAM-l/LSG, !PCC-Resultat (((best estimate"),lineare Approximation der ECHAM-l/LSG-Simula-tion (APPROX) und um den K altstartfehrer korri-gierte ECHAM-l/LSG-Simulation (I(ORR).interne Variabilität und/oder nichtlineare Effektekönnten die Ursache für diese Unterschiede sein.Q 3.5E:' 3.0<I2.52.01.51.00.50.0-0.51985....... 1200.,-----------------,e 1148.0.0.'; 1000.~..~ 800.11ot::«3 600.Öu(9)(8)hKj(tb - t a ) = -j.lje-I';'· JF(u) el';u dutc&Für den Kaltstartfehler ergibt sich jetzt5<i?(t) = - L: Rj (t - tb) !{j (tb - t a )jmit3 Anwendung auf die Hamburger Szenari-enrechnungenCubasch et al. (1991) simulierten mit demHamburger gekoppelten Atmosphäre-Ozean-ModellECHAM-1/LSG die Wirkung von vier CO2-Anstiegsszenarien (Abb. 1): In zwei Simulationensteigt die äquivalente CO2-Konzentration gemäß. derIPCC-Szenarien A und D (Houghton et al., 1990), inder dritten ("2 x CO2'') wird ein plötzlicher Anstiegvon 390 ppm auf 720 ppm untersucht. Im viertenExperiment ("1 x CO2'') wird die Konzentrationauf den Ausgangswert (390 ppm) fixiert. Alle Ex-perimente starten 1985 von einem Gleichgewichtszu-stand. Hier betrachten wir nur Szenario A. Abb. 2zeigt die Entwicklung der globalgemittelten boden-nahen Lufttemperatur . Zusätzlich ist auch die ent-sprechende IPCC-Kurve ("best estimate") eingetra-gen.Wenn man nur einen Mode berücksichtigt und den li-nearen Response gemäß (1) an die Temperaturände-rung für Szenario A anpaßt, so erhält man J1. =1/(36.8a) und a/ J1. = 2.246K. Der mittlere quadrati-sche Fehler dieser Approximation (siehe Abb. 2) ist0.06 K. Der sich gemäß (8) und (9) ergebende Fehlerkonvergiert für große Zeiten gegen 0.51 K.In Abb. 2 wurde der Kaltstartfehler von der vonECHAM-1/LSG simulierten Temperaturänderungsubtrahiert. WIe man sieht, kann die verzögerteErwärmung des komplexen Modells durch den Kalt-startfehler erklärt werden. Die restlichen Unter-schiede zwischen dem IPCC-Modell und ECHAM-1/LSG könnten auf eine unterschiedliche Sensiti-vität der Modelle zurückgeführt werden. Aber auchLiteraturverzeichnisCUBASCH, V., K. HASSELMANN, H. HÖCK, E.MAlER-REIMER, U. MIKOLAJEWICZ, B.D. SAN-. TER and R. SAUSEN, 1991: Time-dependentgreenhouse warming computations with a coupledocean-atmosphere model. Max-Planck-Institutfür Meteorlogie, Report No. 67, Hamburg, 18 pp.HOUGHTON, J.T., G.J. JENKINS and J.J.EPHRAUMS (EDS.), 1990: Climate change. TheIPCC scientific assessment. Cambridge Univer-sity Press, Cambrigde, 365 pp.154

Das Kaltstartproblem bei Klimasimulationen mit gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Modellen

http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0008-8EF3-6

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