Konsistente Quantifizierung des globalen Energiehaushalts

Eine genaue Quantifzierung der Energieflüsse innerhalb des Klimasystems auf Skalen von der Modell-Gitterbox bis zur globalen Betrachtung trägt wesentlich zum Verständnis des Klimas der Erde bei. Qualitativ hochwertige Datensätze, allen voran Reanalysen, sind eine notwendige Voraussetzung dafür. Atmosphärische Reanalysen sind gegitterte Datensätze, die meteorologische Messungen und Modellinformation statistisch optimal kombinieren. Ähnliche Produkte existieren für den Ozean und Meereis sowie die Landoberfläche. Inkonsistenzen in allgemein verwendeten physikalisch-quantitativen Diagnosekonzepten und suboptimale numerische Methoden schränken die Qualität von bisherigen Energiehaushaltsauswertungen jedoch ein. In diesem Projekt wird ein neu entwickeltes konsistentes Diagnosekonzept für gekoppelte Energiehaushalte, welches im stationären Zustand von Referenztemperaturen unabhängig ist, für den nicht-stationären Zustand erweitert. Dabei ist das Ziel, von lokalen Massenvariationen hervorgerufene Uneindeutigkeiten zu minimieren. Das erweiterte diagnostische Konzept stellt auch Konsistenz zwischen den Energiehaushalten von Atmosphäre, Ozean, Meereis und der Landoberfläche sicher. Neben globalen Auswertungen werden auch regionale Haushaltsstudien durchgeführt, nämlich für die Nordpolargebiete, wo der Arbeitsgruppe zusätzlich nützliche in-situ-basierte Ozeantransportmessungen zur Verfügung stehen, und für den tropischen Pazifik, wo starke Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean im Zusammenhang mit dem Klimaphänomen El Nino-Southern Oscillation besteht. Zahlreiche technische Verbesserungen sind geplant: Berücksichtigung bisher nicht berücksichtigter Haushaltsterme (z.B. Enthalpieflüsse im Zusammenhang mit Niederschlag und Verdunstung; Wasser in allen Aggregatszuständen), Forschung zur optimalen Referenztemperatur zur Minimierung von Uneindeutigkeiten im nicht-stationären Zustand, eine neuartige dreidimensionale Windfeldkorrektur sowie Verbesserung der numerischen Methoden zur Minimierung von unrealistischem Rauschen in den berechneten Feldern, insbesondere über Gebirgen. Die entwickelten Methoden werden auf numerisch optimale Weise für die neue atmosphärische Reanalyse ERA5 implementiert, die aktuell vom Copernicus Climate Change Service (C3S) produziert wird. Haushaltsauswertungen werden basierend auf ERA5, seinem Ozean-Meereis-Gegenstück ERA5-OCEAN und dem zugehörigen Landprodukt ERA5- LAND mit bisher unerreichter Genauigkeit durchgeführt. In der zentralen Arktis können die Ergebnisse mit im Rahmen der MOSAiC-Expedition (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate; durchgeführt im Winter 2019/20) gemessenen Oberflächenflüssen verglichen werden. Zusätzlich werden die Ergebnisse aus ERA5 mit anderen aktuellen Reanalyseprodukten und Klimamodellen verglichen. Diese Arbeit ist essentiell, um ein konsistentes Diagnosekonzept für das gekoppelte Klimasystem zu entwickeln und das volle Potential von ERA5 voll auszuschöpfen. Eine signifikante Verbesserung der effektiv nutzbaren horizontalen Auflösung wichtiger Energiehaushaltsterme wie 3D-Energieflussdivergenz und Nettooberflächenflüsse wird erwartet. Die verbesserten Diagnostiken sollen schlussendlich in die Postprocessing-Software von künftigen C3S-Reanalysen implementiert werden. Dies wird die bestmögliche Qualität der von C3S bereitgestellten Energiehaushaltstermen gewährleisten.

Die Diagnose des globalen gekoppelten (Atmosphäre-Ozean-Meereis-Land) Energiehaushaltes unter Nutzung von beobachtungsbasierten Daten ist essenziell für Klimabeobachtung, Verständnis des Klimasystems und die Validierung von Klimamodellsimulationen. Dazu sind Eingangsdaten von möglichst hoher Qualität erforderlich. Besonders erwähnenswert sind atmosphärische Reanalysen - gegitterte Datensätze, die meteorologische Beobachtungen mit Modellinformationen auf statistisch optimale Weise verbinden. Reanalysen existieren auch für Ozean, Meereis und Land. Dieses Projekt unterstützte (i) die verbesserte Formulierung des diagnostischen Gleichungssatzes gegenüber früheren Arbeiten, (ii) die Auswertung haushaltsrelevanter Größen mit Daten der neuesten atmosphärischen Reanalyse des Copernicus Klimawandeldienstes (C3S; genannt ERA5), und (iii) zahlreiche wissenschaftliche Studien, die die ERA5-basierten Energiehaushaltsdaten verwendeten. Frühere Arbeiten des globalen Energiehaushaltes nutzten oftmals einen inkonsistenten diagnostischen Gleichungssatz (z.B.: inkonsistente Referenztemperaturen in Atmosphäre und Ozean) und vernachlässigten bestimmte Terme (z.B.: latente Wärme von atmosphärischem Eis), was zu systematischen Fehlern führte. Diese Limitierungen sind besonders problematisch, wenn der Energiehaushalt genutzt wird, schwer zu messende Größen wie den Nettoenergiefluss an der Erd-/Ozean-Oberfläche als Residuum zu bestimmen: diagnostische Inkonsistenzen werden sich unmittelbar in der indirekt bestimmten Größe niederschlagen. In diesem Projekt wurde ein konsistenterer Gleichungssatz weiterentwickelt und angewendet. Verbesserungen wurden durch kleinere Haushaltsresiduen und reduzierte systematische Fehler des indirekt bestimmten Nettoenergieflusses an der Erd-/Ozean-Oberfläche (Bias gemittelt über den globalen Ozean <1 W/m2) nachgewiesen. Zusätzlich zum diagnostischen Gleichungssatz wurden auch die numerischen Methoden weiter verbessert. In diesem Zusammenhang ist die Divergenz lateraler atmosphärischer Energietransporte am kritischsten, denn sie leidet unter dem Effekt fehlerhafter divergenter Winde in den Reanalysen und sogenanntem (räumlichen) spektralen Rauschen, welches kleinräumige Signale überdeckt. In diesem Projekt wurde die Originalsoftware aus ERA5 für die Berechnung der Divergenzen im Spektralraum verwendet, um dieses Rauschen zu minimieren. Dadurch und andere Qualitätssteigerungen von ERA5 (gegenüber Vorgängerprodukten) konnte das Rauschen gegenüber früheren Arbeiten deutlich reduziert werden. Die nutzbare räumliche Auflösung von ERA5-Divergenzen ist nun ~1x1, identisch mit der in Energiehaushaltsstudien häufig verwendeten Satellitendaten. Die ERA5 Energiehaushaltsdaten wurden am C3S-Datenportal veröffentlicht und sind frei verfügbar. Im angewandten Teil des Projekts wurden die neuen Haushaltsdaten in verschiedenen Klimastudien verwendet. Fokusregionen waren der Nordatlantik und die Arktis, wo unterschiedliche Aspekte des Klimas der letzten Jahrzehnte untersucht (z.B.: dekadische Trends im Oberflächenenergiefluss im Nordatlantik, eine wichtige Größe im Zusammenhang mit der Atlantischen Umwälzzirkulation) und aktuelle Klimamodellrechnungen validiert wurden. Insgesamt unterstützte dieses Projekt Beiträge zu 29 (Erst- und Ko-Autorenschaften) begutachteten Journal-Publikationen.