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Vom letzten Interglazial zum Anthropozän: Modellierung des kompletten letzten Eiszeitzyklus

Die vom BMBF geförderte PalMod-Initiative zielt darauf ab, den gesamten letzten Glazialzyklus, von vor 130.000 Jahren beginnend bis zur Gegenwart, mit drei verschiedenen Erdsystemmodellen (ESMs) zu simulieren, und diese Simulationen dann noch um mindestens 2.000 Jahre weiter in die Zukunft zu verlängern.

Ziel des Projektes ist es, die Funktionsweise langsam ablaufender Rückkopplungsprozesse im Erdsystem besser zu verstehen und dieses Wissen für verbesserte Projektionen eines möglichen  zukünftigen Klimas zu nutzen. Der letzte Glazialzyklus ist hierfür ideal geeignet, weil er es erlaubt, mit Modellen die Reaktion des Klimas auf Änderungen der solaren Einstrahlung (Orbitalantrieb) zu analysieren und so die Fähigkeit der Modelle zu testen, die Übergänge zwischen unterschiedlichen Klimazuständen zu simulieren. Ferner kann so die statistische Klimavariabilität auf Zeitskalen von mehreren tausend Jahren modelliert werden, wie sie durch Wechselwirkungen zwischen Eisbedeckung und Klima auftreten.

Darüber hinaus ist beabsichtigt, die Wechselwirkungen zwischen dem Klimawandel, den Eisschilden und den biogeochemischen Kreisläufen zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese Prozesse bestimmen letztendlich die Empfindlichkeit des gesamten Klimasystems gegenüber externen Antrieben.

Das Projekt PalMod wurde so geplant, dass es sich über drei Förderzyklen von insgesamt 10 Jahren erstreckt. Die bereits abgeschlossene Phase I konzentrierte sich in erster Linie auf die Entwicklung gekoppelter Klima-Eisschild-Modelle, um so die Abschmelzphase des letzten Glazialzyklus detailliert untersuchen zu können. Seit 2019 bis 2022 läuft die zweite Projektphase. Diese wird sich nun mit dem Verhalten des Erdsystems unter verschiedenen klimatischen Randbedingungen befassen und sich auf drei Klimaphasen konzentrieren: Den Beginn der letzten Vereisung, das sogenannte Stadium 3 der Marine-Isotopen sowie den Rückzug der Eischilde bis hin zum heutigen Klimazustand. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es zunächst erforderlich, alle physikalischen und die biogeochemischen Teilmodelle miteinander zu koppeln, um ein vollständiges Erdsystemmodell zu entwickeln.  Die Modellentwicklungsaufgaben des Projekts konzentrieren sich daher auf die Implementierung interaktiver Eisschildmodelle in das Gesamtmodell, um die Prozesse in der nördlichen Hemisphäre und der Antarktis korrekt darzustellen zu können, sowie auf die Optimierung der ESMs im Hinblick auf deren Fähigkeit, lange Zeiträume bei möglichst kurzer Experimentdauer zu simulieren. Weiter müssen wichtige Schlüsselprozesse, wie etwa die Wechselwirkungen zwischen Eisschelf und Ozean oder die Verwitterung parametrisiert und damit in den Modellen berücksichtigt werden.

Es ist außerdem geplant, die modellierten Änderungen des mittleren Klimas und die gefundene Klimavariabilität mit paläo-klimatologischen Daten für die letzten 130.000 Jahre zu vergleichen.
Am Ende der Phase II soll die Entwicklung eines vollständig gekoppelten ESMs abgeschlossen sein, so dass dieses dann für eine durchgängige Simulation eines kompletten letzten Glazialzyklus in Projektphase III verwendet werden kann.

Abb. 1: Struktur des Projektes PalMod Phase II mit drei Arbeitsgruppen und einem Arbeitspaket, das Querschnittsaufgaben übernimmt.

Arbeitsgruppen in der zweiten Phase von PalMod

In seiner zweiten Phase arbeiten drei Arbeitsgruppen (Working Groups, WGs) an dem Projekt, die durch verschiedene Querschnittsaktivitäten miteinander verbunden sind (Abbildung 1). WG1 (physikalisches System) und WG2 (biogeochemisches System) arbeiten dabei besonders eng zusammen, um beide Systeme in ein vollständig gekoppeltes Modellsystem zu integrieren. Schon die Integrationsarbeiten werden so das Verständnis für die Prozesse fördern, die eine Kopplung von Biogeochemie und Klima während der betrachteten geologischen Perioden steuern, und die Rückkopplungen quantifizieren.

Um die ESMs, wie sie in den Arbeitspaketen WG1 und WG2 entwickelt werden, zu validieren, müssen Proxydaten (Daten, die indirekte Informationen der gesuchten Größen enthalten) herangezogen werden. Das Ziel von WG3 (Datensynthese) ist es daher, eine Synthese mariner und terrestrischer Proxydatensätze durchzuführen und die resultierenden Daten dann der Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen. Einzelne Aspekte der Modellsimulationen, wie beispielsweise die Ozeanzirkulation, Ozeanbiogeochemie, den Wasserkreislauf, die Landbedeckung und Vegetation sowie das Muster der Klimavariabilität, können anhand dieser Sysnthese-Daten überprüft werden. In der zweiten Phase liegt der Schwerpunkt der Arbeiten auf der Erweiterung bestehender Datenzeitreihen der letzten 40.000 Jahre auf den gesamten letzten glazial-interglazialen Zyklus, aslo auf mehr als 100.000 Jahre vor unsere Zeit.

Mit den vom DKRZ koordinierten Querschnittsaktivitäten (CC) sollen schließlich alle drei Arbeitspakete in ihren Arbeiten unterstützt und deren Forschung verbunden werden.
Zentrale Aufgabe von CC.1 ist dabei die Optimierung der ESMs, damit der dadurch verbesserte Durchsatz des vollständig gekoppelten Modells schließlich erlaubt, einen vollständigen Glazialzyklus zu simulieren. Für die Einhaltung des angestrebten Zeitplans ist es dabei erforderlich, mindestens einen Durchsatz von 400 simulierten Jahren pro Tag zu erreichen, um das komplette transiente Experiment, die Simulation eines vollständigen Eiszeitzyklus, innerhalb eines Jahres durchführen zu können. Eines der drei an PalMod beteiligten Modelle ist das Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts (MPI-ESM). Hier können diese Zahlen für ein Setup des physikalischen Systems zwar bereits erreicht werden, allerdings bisher nur in grober Auflösung (MPI-ESM T31 / GR30). Da aber das vollständig gekoppelte System mit der Landbiosphäre und der marinen Biogeochemie eine viel größere Komplexität besitzt, wie in Abbildung 2 skizziert, ist hier noch weitere Arbeit erforderlich.

Folgende zwei Hauptaufgaben sind nun in Zusammenarbeit mit der Abteilung "Ozean im Erdsystem" des MPI für Meteorologie zu bearbeiten:

  • Integration eines Energiebilanzmodells (EBM), eines Eisschildmodells (PISM) und eines dreidimensionalen viskos-elastischen Lithosphärenmodells mit variablem Erdmantel (VILMA) mit dem Erdsystemmodell MPI-ESM
  • Evaluation und Anpassung der bisher statischen Modellkomponente der Erdoberflächentopographie an Veränderungen auf glazialen Zeitskalen [Meccia & Micolajewicz, 2018; Riddick et al., 2018].

 

Abb. 2: Übersicht zum Erdsystemmodell des Max-Planck-Instituts (MPI-ESM), das als eines von drei Modellen in PalMod verwendet wird.

Die Kopplung zwischen MPI-ESM und den anderen Modellkomponenten wird über eine Verschachtelung der Arbeitsschritte realisiert, so dass das Modell in zwei verschiedenen Konfigurationen, dem sequentiellen und dem asynchronen Modus, betrieben werden kann:

  • Sequentieller Modus: Das MPI-ESM simuliert das gekoppelte Atmosphäre-Ozean System über einen Zeitraum von 10 Jahren, dann werden die Eisschildänderungen mit dem Effekt auf die Erdoberfläche berechnet und am Ende wird die Auswirkung auf die Topographie ermittelt.
  • Asynchroner Modus: Hier werden die Entwicklungen von Eisschilden und gekoppelter Atmosphäre-Ozean-Physik gleichzeitig simuliert. Dabei kommt es zu einem kleinen Fehler durch Verzögerung der Reaktion der Physik auf die Eisschildänderungen, der jedoch akzeptabel ist, da sich das Eis verglichen mit dem Atmosphären-Ozean-System nur sehr langsam ändert.

Die Analyse gekoppelter Simulationen mit dem MPI-ESM und PISM hat es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in PalMod bereits ermöglicht, eine zweistufige Klimareaktion auf Heinrich-Ereignisse zu identifizieren. Heinrich-Ereignisse sind massive Abbrüche der Eisschilder während der Eiszeit. Ziemen et al. (2019) identifizierten eine erste Phase, in der ein massiver Eiseintrag in den Ozean die Ozeanzirkulation abschwächt und dadurch den Nordatlantik abkühlt. In einer zweiten Phase bewirken die Topographieänderungen, die sich aus dem Eisverlust ergeben, eine Änderung des nordatlantischen Jetstreams und verstärken somit nochmals die Klimareaktion auf den erfolgten Eiseintrag.

Video 1: Simulation eines Heinrich-Ereignisses mit einem gekoppelten Eisschild-feste-Erde-Klimamodell (PISM, VILMA und MPI-ESM), die auf dem DKRZ-Supercomputer Mistral durchgeführt wurde: Aus der Hudson-Bucht im Osten Kanadas transportiert ein Eisstrom (rot) Eis in die Labrador-See zwischen Kanada und Grönland. Beim Schmelzen dieser Eisberge mischt sich Süßwasser mit dem Meerwasser, was zu einer Absenkung des Oberflächensalzgehaltes führt (dunkelblau im Ozean). Auf dem eisfreien Land zeigen Grüntöne die Nettoprimärproduktion und Blautöne den Wassertransport in Flüssen. Diese reagieren dynamisch auf die sich ändernde Topographie. Ähnliche Simulationen werden in Ziemen et al. (2019) analysiert.

Aufgabe der laufenden Phase II von PalMod bleibt es nun, die angestrebte Integrationsrate für das vollständig gekoppelte Modell zu erreichen und außerdem, sofern möglich, die Auflösung der Atmosphärenkomponente ECHAM6 auf T63 (ca. 200 km Auflösung) zu erhöhen. Darüber hinaus unterstützt die Arbeitsgruppe CC.1 die Anpassung und Optimierung der Modelle beim Übergang vom aktuellen Supercomputer am DKRZ auf die nächste Rechnergeneration.

Datenmanagementplan für PalMod

Der Schwerpunkt der Aufgaben von CC.2 am DKRZ liegt in der Koordination der Workflows des Forschungsdatenmanagements (Research Data Management, RDM). Neben der Schaffung von Kommunikationsstrukturen zwischen den Arbeitspaketen umfassen die weiteren Arbeiten die Planung und Implementierung von Datenproduktionsstandards, dem Datenaustausch, die Archivierung der Daten sowie ihren Austausch zwischen internen und externen Projektteams.

Hierbei steht die Erstellung und Pflege eines Datenmanagementplans (DMP) für PalMod Phase II im Zentrum. Er wird im Laufe des Projektes kontinuierlich angepasst und bleibt so für die wissenschaftliche Gemeinschaft auch nach Projektende von Nutzen. Datenverarbeitungsflüsse für Klimamodelle und die Proxy-Daten werden in CC.2 zusammengeführt und im DMP definiert. Ziel ist es auch hier, die Kommunikation zwischen den Arbeitspaketen weiterzuentwickeln und den DMP als Kommunikationsinstrument zwischen den Projektpartnern auszubauen. Konkret ist zu erwarten, dass die Gesamtmenge der mit den Modellen erzeugten Simulationsdaten den verfügbaren Speicherplatz für das Projekt (Tabelle unten) deutlich übersteigen wird. Hier kann ein DMP eine effizientere Ressourcennutzung motivieren.

Projektphase Erwartetes Datenvolumen Datenvolumen "/work" Datenvolumen "DOKU" Bandarchiv Prozessorstunden

PalMod-II     

(9 WPs)  

3,8 Petabyte

1,2 Petabyte (beantragt)

1 Petabyte (genutzt)

720 Terabyte (beantragt)

6 Gibabyte (genutzt)

1,5 Petabyte (beantragt)

550 Terabyte (genutzt)

1,7 Mio. (beantragt)

960.000 (genutzt)


Eine weitere Aufgabe für CC.2 am DKRZ wird darin bestehen, die Veröffentlichung, die weltweite Verbreitung und langfristige Archivierung der wichtigsten Projektergebnisse zu ermöglichen (Abbildung 3). Ein praktischer Aspekt dieser Arbeit ist die Definition zentraler Variablen, um eine effiziente Speicherplatznutzung am DKRZ zu ermöglichen und Standardisierungsverfahren für Daten zu entwickeln.

Abb. 3: Geplanter Arbeitsablauf des Datenmanagements in PalMod Phase II durch das Arbeitspaket CC.2.

Projektpartner

In dem Projekt PalMod Phase II arbeiten 14 nationale Partner aus allen wichtigen Klimaforschungsinstituten und Universitäten sowie der Memorial University of Newfoundland, St. Johns, Kanada. Der wissenschaftliche Beirat (SAB) des Projekts besteht aus acht international herausragenden Expertinnen und Experten auf dem Gebiet der Paläoklimamodellierung, der biogeochemischen Forschung und den Computerwissenschaften.

Informationen zu den Partnern und zum PalMod-Projekt: www.palmod.de

Kontakt

Dr. Kerstin Fieg, Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR):

Literaturangaben

Ziemen, F., Kapsch, M.-L., Klockmann, M., & Mikolajewicz, U. (2019). Heinrich events show two-stage climate response in transient glacial simulations. Climate of the Past, 15, 153-168. doi:10.5194/cp-15-153-2019

Meccia, V. & Mikolajewicz, U. (2018). Interactive ocean bathymetry and coastlines for simulating the last deglaciation with the Max Planck Institute Earth System Model (MPI-ESM-v1.2). Geoscientific Model Development, 11, 4677-4692. doi:10.5194/gmd-11-4677-2018

Riddick, T., Brovkin, V., Hagemann, S. and Mikolajewicz, U. (2018) Dynamic hydrological discharge modelling for coupled climate model simulations of the last glacial cycle: the MPI-DynamicHD model version 3.0. Geoscientific Model Development, 11. pp. 4291-4316. doi:10.5194/gmd-11-4291-2018

Komplette Publikationsliste des PalMod-Projektes: www.palmod.de/palmod_publications



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