Nicht-hydrostatische Klimamodellierung, Teil II (NHCM-2)

Aufgrund des steigenden Bedarfs an Informationen über die Auswirkungen des Klimawandels auf lokaler Skala werden Regionale Klimamodelle (RCMs) in zunehmendem Maße mit höheren Auflösungen betrieben. Heutige RCMs sind in der Lage viele regionale Klimaprozesse zu erfassen und sie decken die meso-ß Skala (20 km bis 200 km) für Anwendungen in der Klimaforschung mit ausreichender Qualität ab. Basierend auf den Erfolg in der Numerischen Wettervorhersage (NWP) und gestützt vom generellen Fortschritt im Bereich der Computertechnologie, beginnen RCMs nun auch in die meso- Skala (2 km bis 20 km) vorzudringen. Dieser Skalensprung ist jedoch nicht trivial. Relevante Prozesse (z.B. hochreichende Konvektion) auf formals nicht aufgelösten Skalen werden nun aufgelöst, und es ist größten Teils unklar, wie heutige RCMs (ursprünglich für gröbere Skalen entwickelt) in der Lage sind, Klimaprozesse und deren skalenübergreifendes Wechselspiel zu erfassen. Im komplexen Gelände, wo Gebirge substanziellen Einfluss auf Wetter und Klima haben, gewinnt dies durch den Einfluss der Orographie zunehmend an Bedeutung. Darüber hinaus wird auch die Modellevaluierung zur Herausforderung: Beobachtungsdaten, welche die natürliche Variabilität in ausreichendem Maße abdecken, existieren nur in Ausnahmefällen (z.B. in speziellen Messkampagnen) und zeitliche und räumliche Versetzungen zwischen modellierten und beobachteten Größen ("double penalty problem") beschränken den Einsatz der traditionellen Fehlerstatistik. Im Vorläuferprojekt "Nicht-hydrostatische Klimamodellierung (NHCM-1)", das vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) gefördert wurde (Projektnummer P19619-N10), wurden erste Testsimulationen im Klimamodus auf Skalen, bei denen hochreichende Konvektion aufgelöst wird (=3 km Gitterpunktsabstand), im europäischen Alpenraum durchgeführt und analysiert. Das Projekt konzentrierte sich auf die Exploration der Fehlerbandbreiten von modellierten bodennahen Variablen sowie auf die Bestimmung/Bewertung des Mehrwerts konvektions-auflösender Simulationen unter Verwendung von Daten aus operationellen Kurzfristwettervorhersagesystemen als Referenz und Evaluationstechniken aus NWP zur Vermeidung des double penalty Problems. Aufbauend auf den wissenschaftlichen Erfolg von NHCM-1, kombiniert das vorliegende Nachfolgeprojekt, NHCM-2, neueste Entwicklungen aus der Klimaforschung und NWP. Es (1) untersucht die Fähigkeit moderner RCMs, die in konvektions-auflösender Skala betrieben werden, wichtige regionale orographisch-induzierte Klimaprozesse in den europäischen Alpen zu erfassen, (2) trägt zur Verbesserung von RCMs in Hinblick dieser Prozesse bei, (3) setzt die Erschließung fortschrittlicher Evaluationstechniken und hochaufgelöster Referenzdaten aus NWP für die Klimaforschung fort und (4) zielt auf die Ermöglichung von Klimasimulationen der nächsten Generation, sogenannter konvektions-auflösende Klimasimulationen (CRCSs), im Alpenraum ab.

Wie gut werden die Einflüsse der Alpen auf Prozesse der Atmosphäre (Abschirmungseffekt, orographischer Niederschlag) von aktuellen regionalen Klimamodellen erfasst? Diese dringende Frage stellt die Klimaforschung zunehmend vor neuen Aufgaben, gilt es letztendlich doch herauszufinden in welcher Qualität Aussagen über das zukünftige Klima getroffen werden können. Mit der Entwicklung von Klimamodellen, die mit immer kleiner werdenden Gitterweiten mittlerweile in der Lage sind einzelne Gewitter darzustellen, steigen jedoch auch die Anforderungen an die Modellevaluation und derzeitige Hochleistungsrechner werden an die Grenzen ihrer Kapazitäten gebracht. Im Rahmen des Projektes Nicht-Hydrostatische Klimamodellierung, II (NHCM-2) wurden nicht nur Evaluationsmethoden aus der Wettervorhersage für die Klimaforschung adaptiert sondern auch neue prozess-basierte Methoden zur Modellevaluation entwickelt, die es erlauben wiederkehrende Wetterphänomene (z.B. Fronten) in Klimamodelldaten zu isolieren und statistisch mit Beobachtungsdaten zu vergleichen. Auf diese Weise konnte zunächst gezeigt werden, dass mit Zunahme der Modellauflösung die Reproduzierbarkeit von Niederschlag im Alpenraum mittels Klimamodelle, insbesondere durch den starken Einfluss des Geländes, deutlich verbessert wird. Es konnte auch gezeigt werden, dass gerade in Wettersituation mit starker Gewitterneigung Klimamodelle auf konvektions-erlaubender Skala (~3 km Gitterweite) wesentliche (auf die Darstellung physikalischer Prozesse bezogene) Vorteile gegenüber gröber aufgelöster Modelle (~12 km Gitterweite) haben. Die Einflüsse des Geländes auf Niederschlagsmengen im Ostalpenraum (Abschirmungseffekt, Höhenabhängigkeit) werden von den sogenannten konvektions-erlaubenden Modellen bis in eine Seehöhe von etwa 1400 m sehr gut reproduziert, oberhalb bleibt die Qualität der Modelle aufgrund von Beobachtungsfehler spekulativ. In NHCM-2 wurde mit der Weiterentwicklung der konvektions-erlaubenden Modelle nicht nur der Grundstein für Klimaprojektionen der nächsten Generation gelegt sondern auch Beschaffungsprozesse zur Deckung des dazu benötigten enormen technischen Aufwandes unterstützt.