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Zwei Petabyte Daten für die Klimaforschung: Das Konsortialprojekt ESCiMo (Earth System Chemistry integrated Modelling)

Ein tiefgreifendes Verständnis der Prozesse, die zum Klimawandel beitragen, ist eine wichtige Voraussetzung, um nachhaltige Zukunftsstrategien zu entwickeln. Atmosphärenforscher liefern hierzu mit den erfolgreich abgeschlossenen, umfangreichen Simulationen mit dem globalen Klima-Chemie-Modell EMAC (ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry; Jöckel et al., 2016) einen wichtigen Beitrag. Für den Zeitraum 1950-2100 wurden auf dem Supercomputer des DKRZ sowohl die historische Entwicklung der Atmosphäre einschließlich der chemischen Prozesse als auch Projektionen zur zukünftigen Entwicklung gerechnet. Die Klimadaten aus den Modellsimulationen umfassen mehr als zwei Petabyte und werden der internationalen Klimaforschung zur Verfügung gestellt.

Escimo_Messy_LogoBei der Untersuchung von Klima-Chemie-Wechselwirkungen handelt es sich um ein wichtiges und gleichzeitig komplexes Thema wissenschaftlicher Forschung. Der Klimawandel, die stratosphärische Ozonzerstörung und die Luftqualität stellen sowohl aus wissenschaftlicher als auch ökonomischer Perspektive bedeutende gesellschaftliche Herausforderungen dar. Ein grundlegendes Verständnis der Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre während der letzten 100 Jahre sowie Abschätzungen der zukünftigen atmosphärischen Zusammensetzung im 21. Jahrhundert ist eine Voraussetzung für angemessenes zukünftiges Handeln.

Die ESCiMo-Simulationen (Jöckel et al., 2016) wurden im Hinblick auf wissenschaftliche Fragestellungen zu Veränderungen der Stratosphäre und deren Einfluss auf den Klimawandel geplant, welche u.a. im Rahmen der DFG-Forschergruppe SHARP (Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction) behandelt wurden. Weitere durchgeführte Szenarien- und Sensitivitätsstudien unterstützen die Chemistry-Climate Model Initiative (CCMI), in der die Ergebnisse einer Vielzahl von Klima-Chemie-Modellen miteinander verglichen und bewertet werden (Morgenstern et al., 2017). Die Ergebnisse der ESCiMo-Simulationen werden zu künftigen Berichten der World Meteorological Organization (WMO) zur Entwicklung der Ozonschicht und des Weltklimarates (IPCC) beitragen.

Die Besonderheit des verwendeten Klima-Chemie-Modells EMAC ist die detaillierte Beschreibung der Atmosphärenchemie. Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre wirken auf die Dynamik zurück. Neben Simulationen mit vorgeschriebenen ozeanischen Randbedingungen wurde EMAC auch mit einem Ozeanmodell gekoppelt. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die hiermit simulierte Änderung der Oberflächentemperatur für ein Szenario mit stärkerem CO2-Anstieg (RCP6.0).

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Abbildung 1: Entwicklung der Oberflächentemperatur (K) in der Simulation mit einem interaktiven Ozean für das Szenario RCP6.0. Dargestellt ist die Differenz des Mittelwerts der Dekaden: (2090-2099) minus (2000-2010). (Quelle: Sabine Brinkop, DLR).

Möglich wurden diese umfassenden Simulationen im Rahmen der ESCiMo-Initiative durch die Zusammenarbeit nationaler und internationaler Wissenschaftler von acht Forschungseinrichtungen und Universitäten.

Insgesamt benötigten die durchgeführten Simulationen mehr als 6 Millionen Prozessorstunden auf dem Supercomputer des DKRZ; dabei wurden ungefähr 2 Petabyte Klimadaten berechnet und abgespeichert.

Erste Ergebnisse, die mit Hilfe der Klimadaten erzielt wurden, sind bereits in einer Reihe von Publikationen zu den ESCiMo-Simulationen erschienen:

Stratosphärisches Ozon ist von Bedeutung für den Schutz des Lebens auf der Erde, da durch dieses Gas gefährliche UV-Strahlung absorbiert wird. Wir wissen, dass die Emission von Fluorchlorkohlenwasserstoffen eine der Ursachen für den Abbau dieser Ozonschicht ist. Anhand der Langzeitsimulationen (1960-2100) im Rahmen des ESCiMo-Projekts konnte gezeigt werden, dass die Ozonschicht in der Stratosphäre, deren Abbau nach 1980 rapide fortschritt, sich nach dem Jahre 2035 wieder erholen wird. Dies zeigt, dass die Maßnahmen des Verbots dieser Ozon-zerstörenden Substanzen durch das Montreal-Protokoll erfolgreich waren. Die durch den fortschreitenden Klimawandel bedingte Abkühlung der Stratosphäre beschleunigt im globalen Mittel die Erholung der Ozonschicht (Abbildung 2).

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Abbildung 2: Dargestellt sind Anomalien der Gesamtozonsäule bezogen auf die Jahre 1960 bis 1980. Verglichen werden hier die Ergebnisse dreier Langzeit-Simulationen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC, die den Zeitraum von 1960 bis 2100 überdecken, mit entsprechenden Beobachtungen amerikanischer und europäischer Satelliteninstrumente (Zeitraum 1980-heute), die von der NASA bzw. der ESA betrieben wurden. Bei den Beobachtungsdaten handelt es sich um harmonisierte Zeitreihen, die jeweils von unterschiedlichen Messinstrumenten stammen. (Quelle: Melanie Coldewey-Egbers, DLR)

Ozon ist auch ein starkes Treibhausgas. Seine klimatische Bedeutung zeigt sich insbesondere in der Troposphäre. Dort ist es allerdings sehr ungleichmäßig verteilt und wird durch den Eintrag stratosphärischen Ozons regional stark beeinflusst. Im Gebiet des östlichen Mittelmeers und des Mittleren Ostens liefern Tropopausenbrüche in der Sommersaison durch das Einbringen stratosphärischen Ozons einen signifikanten Beitrag zu den hohen Ozon-Konzentrationen in der mittleren freien Troposphäre (Akritidis et al., 2016).

Über dem Himalaja finden sich sogenannte "secondary ozone peaks", Schichten mit stark erhöhten Ozonkonzentrationen in der mittleren Troposphäre, die durch Stratosphären-Troposphären-Transport entstanden sind. Mit 26 % liefert dieser Transport einen deutlichen Beitrag zum Ozonbudget. Ozonreiche Luft wird hierbei aus den Regionen Nordafrika, dem Nordatlantik, dem Mittleren Osten sowie aus Afghanistan oder Pakistan herantransportiert. Dieser Effekt ist am stärksten in der Prä-Monsun-Periode (Ojha et al., 2017).

Der Vergleich von ESCiMo-Simulationen mit Messungen des HALO-Flugzeugs (High Altitude and LOng range) im Bereich des asiatischen Sommermonsuns zeigt, dass die ozonreiche Luft im äußeren südlichen Bereich der Antizyklone tatsächlich aus einer stratosphärisch beeinflussten Tropopausenschicht eingemischt wurde (Gottschaldt et al., 2017). Gemessen wurden diese Luftmassen mit erhöhten Ozonwerten, nachdem das südliche Ende der Antizyklone durchflogen wurde. Dieses Ergebnis ist im Widerspruch zu bisherigen Studien, nach denen ozonarme Luft durch "uplifts" innerhalb der Antizyklone gefunden wurde.

Wasserdampf ist ein sehr wichtiges Treibhausgas. Die einzelnen Faktoren, die Verteilung und Variabilität von Wasserdampf in der unteren Stratosphäre beeinflussen, sind im Detail allerdings noch nicht verstanden. Die Tropopausentemperatur ist einer dieser Faktoren. Nach den großen Ausbrüchen der Vulkane El Chichón und Mt. Pinatubo und der damit verbundenen Erwärmung der Stratosphäre erhöhte sich auch die Tropopausentemperatur. Dies führte zu erhöhtem Wasserdampfeintrag in die Stratosphäre (Löffler et al., 2016). Der Zusammenhang von stark verringerten Wasserdampfeinträgen nach vorausgegangenen El-Niño-Ereignissen, welche ebenfalls einen starken Einfluss auf die Tropopausentemperatur haben, wurde von Brinkop et al. (2016) gezeigt.

Den zukünftigen Einfluss der Dynamik der Troposphäre auf die Verteilung des für den Menschen giftigen Kohlenmonoxids, das bei unvollständiger Verbrennung z.B. im Straßenverkehr entsteht, haben Bacer et al. (2016) untersucht. Aufgrund einer prognostizierten zukünftigen Verschiebung des Zentrums der Nordatlantischen Oszillation (NAO) nach Nordosten und einem leicht positiven Trend im NAO-Index werden der südwestliche Mittelmeerraum und Nordafrika während positiver NAO-Phasen mit stärkeren Kohlenmonoxid-Konzentrationen belastet sein. Weite Teile Nord-Europas hingegen werden mit einer geringeren Belastung rechnen können.

Eckstein et al. (2017) konnten mit Hilfe der ESCiMo-Simulationen bestätigen, dass Klimatologien von Spurengasen, gewonnen mit Hilfe von Langstreckenflugzeugen im Rahmen des Projekts IAGOS-CARIBIC, repräsentativ für den tatsächlichen Zustand der Atmosphäre sind.

Der einzigartige Datenschatz aus dem ESCiMo-Projekt ist damit bei Weitem nicht abschließend analysiert. Die Daten bilden eine Grundlage zur Beantwortung einer Vielzahl an weiteren wissenschaftlichen Fragenstellungen. Durch die Bereitstellung der Simulationsergebnisse in der CERA-Datenbank (Climate and Environmental Retrieval and Archive) am DKRZ haben Wissenschaftler weltweit die Möglichkeit, in gegenwärtigen und zukünftigen Studien mit den ESCiMo-Daten zu arbeiten. Teile der Simulationsergebnisse werden zusätzlich zur BADC-Datenbank (British Atmospheric Data Centre) des CCMI-Projektes zwecks weiterer Analyse und zum Vergleich mit Ergebnissen weiterer Modelle transferiert.

Projektpartner von ESCiMo:

  • Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Oberpfaffenhofen (DLR-IPA)
  • Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Spurengase und Fernerkundung (KIT-IMK-ASF)
  • Steinbuch Centre for Computing - Simulation Lab Klima und Umwelt (KIT-SCC-SLC)
  • Institut für Energie- und Klimaforschung, Forschungszentrum Jülich (FZJ-IEK-7)
  • Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin (FUB)
  • Institut für Physik der Atmosphäre, Johannes-Gutenberg Universität Mainz (UMZ-IPA)
  • Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz (MPIC)
  • Energy, Environment and Water Research Center, Cyprus Institute (CYI)

 

Weitere Informationen auf der Projekt-Webseite: http://www.pa.op.dlr.de/~PatrickJoeckel/ESCiMo/.

Kontakt:

Dr. Patrick Jöckel, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in der Helmholtzgemeinschaft:

Dr. Sabine Brinkop, Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) in der Helmholtzgemeinschaft:     [Email protection active, please enable JavaScript.]

Pressemitteilung:

DLR-Pressemitteilung vom 5. April 2017

Online-Version mit Bildern und weiterführenden Links unter: www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10293/427_read-21966/year-all/#/gallery/26759

 


Publikationen:

Akritidis, D., Pozzer, A., Zanis, P., Tyrlis, E., Škerlak, B., Sprenger, M., and Lelieveld, J.: On the role of tropopause folds in summertime tropospheric ozone over the eastern Mediterranean and the Middle East, Atmos. Chem. Phys., 16, 14025-14039, doi:10.5194/acp-16-14025-2016, 2016.

Bacer, S., Christoudias, T., and Pozzer, A.: Projection of North Atlantic Oscillation and its effect on tracer transport, Atmos. Chem. Phys., 16, 15581-15592, doi:10.5194/acp-16-15581-2016, 2016.

Beirle, S., Hörmann, C., Jöckel, P., Liu, S., Penning de Vries, M., Pozzer, A., Sihler, H., Valks, P., and Wagner, T.: The STRatospheric Estimation Algorithm from Mainz (STREAM): estimating stratospheric NO2 from nadir-viewing satellites by weighted convolution, Atmos. Meas. Tech., 9, 2753-2779, doi:10.5194/amt-9-2753-2016, 2016.

Brinkop, S., Dameris, M., Jöckel, P., Garny, H., Lossow, S., and Stiller, G.: The millennium water vapour drop in chemistry–climate model simulations, Atmos. Chem. Phys., 16, 8125-8140, doi:10.5194/acp-16-8125-2016, 2016

Cai, D., Dameris, M., Garny, H., Bunzel, F., Jöckel, P., and Graf, P.: Stratospheric Variability at a glance – Analysis of the intra decadal timescale and the QBO, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi:10.5194/acp-2016-870, in review, 2016.

Dietmüller, S., Garny, H., Plöger, F., Jöckel, P., and Duy, C.: Effects of mixing on resolved and unresolved scales on stratospheric age of air, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi:10.5194/acp-2016-1144, in review, 2017.

Eckstein, J., Ruhnke, R., Zahn, A., Neumaier, M., Kirner, O., and Braesicke, P.: An assessment of the climatological representativeness of IAGOS-CARIBIC trace gas measurements using EMAC model simulations, Atmos. Chem. Phys., 17, 2775-2794, doi:10.5194/acp-17-2775-2017, 2017.

Gottschaldt, K.-D., Schlager, H., Baumann, R., Bozem, H., Eyring, V., Hoor, P., Jöckel, P., Jurkat, T., Voigt, C., Zahn, A., and Ziereis, H.: Trace gas composition in the Asian summer monsoon anticyclone: A case study based on aircraft observations and model simulations, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi:10.5194/acp-2016-997, in review, 2017.

Jöckel, P., Tost, H., Pozzer, A., Kunze, M., Kirner, O., Brenninkmeijer, C. A. M., Brinkop, S., Cai, D. S., Dyroff, C., Eckstein, J., Frank, F., Garny, H., Gottschaldt, K.-D., Graf, P., Grewe, V., Kerkweg, A., Kern, B., Matthes, S., Mertens, M., Meul, S., Neumaier, M., Nützel, M., Oberländer-Hayn, S., Ruhnke, R., Runde, T., Sander, R., Scharffe, D., and Zahn, A.: Earth System Chemistry integrated Modelling (ESCiMo) with the Modular Earth Submodel System (MESSy) version 2.51, Geosci. Model Dev., 9, 1153-1200, doi:10.5194/gmd-9-1153-2016, 2016.

Lennartz, S. T., Marandino, C. A., von Hobe, M., Cortes, P., Quack, B., Simo, R., Booge, D., Pozzer, A., Steinhoff, T., Arevalo-Martinez, D. L., Kloss, C., Bracher, A., Röttgers, R., Atlas, E., and Krüger, K.: Direct oceanic emissions unlikely to account for the missing source of atmospheric carbonyl sulfide, Atmos. Chem. Phys., 17, 385-402, doi:10.5194/acp-17-385-2017, 2017.

Löffler, M., Brinkop, S., and Jöckel, P.: Impact of major volcanic eruptions on stratospheric water vapour, Atmos. Chem. Phys., 16, 6547-6562, doi: 10.5194/acp-16-6547-2016, 2016.

Morgenstern, O., Hegglin, M. I., Rozanov, E., O’Connor, F. M., Abraham, N. L., Akiyoshi, H., Archibald, A. T., Bekki, S., Butchart, N., Chipperfield, M. P., Deushi, M., Dhomse, S. S., Garcia, R. R., Hardiman, S. C., Horowitz, L. W., Jöckel, P., Josse, B., Kinnison, D., Lin, M., Mancini, E., Manyin, M. E., Marchand, M., Marécal, V., Michou, M., Oman, L. D., Pitari, G., Plummer, D. A., Revell, L. E., Saint-Martin, D., Schofield, R., Stenke, A., Stone, K., Sudo, K., Tanaka, T. Y., Tilmes, S., Yamashita, Y., Yoshida, K., & Zeng, G.: Review of the global models used within phase 1 of the Chemistry–Climate Model Initiative (CCMI), Geoscientific Model Development, 10, 639–671, doi: 10.5194/gmd-10-639-2017, http://www.geosci-model-dev.net/10/639/2017/ (2017).

Ojha, N., Pozzer, A., Akritidis, D., and Lelieveld, J.: Secondary ozone peaks in the troposphere over the Himalayas, Atmos. Chem. Phys. Discuss., doi: 10.5194/acp-2016-908, in review, 2017.

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