REKLIM News und Forschungsthema des Monats
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Oktober 2021 REKLIM News und Forschungsthema des Monats
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Forschungsthema des Monats Oktober 2021: Research Theme 2
Gekoppelte regionale Modellierung
Klimarelevante Auswirkungen von Transporten eine hohe horizontale Auflösung in den Simulationen von
feuchtwarmer Luft in die Arktis: Simulationen im Vorteil. Letzteres wurde bereits für Wind- (z.B. Moore et al.,
hochaufgelösten Klimamodell 2015), Feuchtetransport- (z.B. Guan et al., 2018; Gröger et
al., 2021) und Niederschlagssimulationen (z.B. Prein et al.,
Hélène Bresson1,2 und Annette Rinke3 2015) gezeigt.
1: ehemals Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz Zentrum für Polar- und
Meeresforschung (AWI), Potsdam Im Rahmen einer Fallstudie wurde ein sogenanntes „Atmos-
2: Laboratoire d‘Optique Atmosphérique (CNRS-UMR) pheric River (AR)“ Ereignis (Gimeno et al., 2014) von Juni
3: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeres-
hung (AWI), Potsdam 2017 detailliert untersucht, welches starke polwärtsgerich-
tete Advektion feuchtwarmer Luftmassen aufweist. Dabei
Zur verstärkten Erwärmung in der Arktis tragen mehrere Pro- werden große Mengen an vertikal integrierter Feuchte in-
zesse und Rückkopplungsmechanismen bei (z.B. Serreze und nerhalb eines schmalen Korridors in die Arktis transportiert.
Barry, 2011; Wendisch et al., 2017). Ein relevanter Faktor ist Zur Veranschaulichung dieses ausgewählten AR-Ereignisses
der atmosphärische, polwärts gerichtete Wärme- und Feuch- zeigt Abbildung 1 die räumliche Karte des vertikal inte-
tetransport, welcher direkt durch erhöhte, abwärts gerich- grierten Wasserdampfs und des Bodenluftdrucks über dem
tete langwellige Strahlung und indirekt durch Wolkenstrah- nordatlantischen Sektor der Arktis. Es ist ein ausgeprägter
lungseffekte zu Erwärmung der Erdoberfläche beiträgt (z.B. Eintrag von feuchter Luft zu erkennen (Anomalien im Wasser-
Ghatak und Miller, 2013; Woods und Caballero, 2016). Da- dampfgehalt von bis zu ~15 kg/m2 im Vergleich zur Klimato-
her ist es von entscheidender Bedeutung, dass Klimamodel- logie), die von Nordwest-Russland herkommt, sich über die
le diese Prozesse und damit das arktische Klima und seine Kara- und Barentssee bis in die Grönlandsee ausbreitet und
Änderungen realistisch simulieren können. Neben einer rea- dabei Ny-Ålesund/Spitzbergen überquert. Dieser Transport
listischen Darstellung der vertikalen thermodynamischen wird durch ein Tiefdrucksystem über dem nördlichen Nord-
Struktur der Atmosphäre im Modell (Sedlar et al., 2020), ist atlantik angetrieben.
Abbildung 1: Räumliche Karte des vertikal integrierten Wasserdampfgehaltes (kg/m2, farbliche Schraffierung), Bodenluft-
druck (hPa, schwarze gestrichelte Isolinien), basierend auf den ERA5 Reanalysen für den 6. Juni 2017 12:00 UTC. Die Isoli-
nien in pink (Kontouren im 5 kg/m2 Abstand) zeigen die Anomalie des Wasserdampfgehaltes bzgl. der 1979-2020 Klimatolo-
gie. Die Forschungsstationen Ny-Ålesund (78.55°N, 11.55°O) auf Spitzbergen und Shojna in Nordwest-Russland (67.88°N,
44.17°O) sind mit einem roten Dreieck bzw. Punkt markiert. Die Land-Ozean Maske ist in grau gezeichnet.
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Das AR-Ereignis wurde mit dem ICON (Icosahedral Nonhy- tet. Dies ist ein häufiges Merkmal in der arktischen Grenz-
drostatic) Modell (Zängl et al., 2015) im Regionalmodell-Mo- schicht und kann zur Bildung und Aufrechterhaltung von
dus („Limited Area Mode“, LAM) über der Arktis mit hohen Wolken beitragen. Diese Inversion wird von den Modellen
horizontalen Auflösungen (6 km und 3 km) simuliert. Ange- und der Reanalyse nicht gut wiedergegeben. Dies kann mit
trieben wurde das Regionalmodell durch das ICON Global- verschiedenen Prozessen zusammenhängen, die im Modell
modell in einer Auflösung von 12 km. Die Forschungsfragen unzureichend dargestellt werden, z.B. zu warme Oberfläche,
dieser Fallstudie lauteten hierbei: Kann ICON-LAM die raum- fehlerhafte Kondensation in höheren Lagen und Advektion
zeitliche Struktur des AR angemessen darstellen? Welchen von Feuchtigkeit. Abgesehen davon stimmen die simulier-
Einfluss hat die horizontale Auflösung des Modells auf die ten Feuchteprofile mit der Radiosonde überein. Während
Darstellung des AR? Bringt eine höhere Auflösung einen of- des AR-Ereignisses wird ein starker Anstieg der Feuchte
fensichtlichen Mehrwert in den Simulationen? um ca. 4 g/kg zwischen 1 km und 2 km Höhe beobachtet,
welcher durch den Durchzug des AR über Ny-Ålesund verur-
Die umfangreichen atmosphärischen Messinstrumente an
sacht wurde (Abbildung 2, unten). Diese Signatur des AR im
der AWIPEV Forschungsbasis ermöglichen den Vergleich der
Feuchteprofil wird durch die Simulationen gut wiedergege-
ICON Simulationen mit den Beobachtungen. Abbildung 2
ben. Die hochaufgelösten ICON-LAM Simulationen stimmen
zeigt die simulierten vertikalen Feuchteprofile des Modells,
dabei besser mit den Beobachtungen überein als die ERA5
der Reanalyse und der Radiosonden-Beobachtungen am
Reanalyse und das ICON Globalmodell. ICON-LAM zeigt so-
Tag vor dem Eintreffen des AR (5. Juni) und am Tag des Ein-
wohl eine realistische Simulation des Feuchteanstiegs in den
treffens (6. Juni) an der Station. Vor dem AR Ereignis ist die
unteren Schichten, als auch der darüberliegenden trockenen
untere Atmosphäre (üblicherweise die gesamte Troposphä-
Schicht in 2-3 km Höhe. Solche trockenen Schichten werden
re bis ca. 8 km Höhe an den Polen) trocken mit typischen
häufig beobachtet und zeigen absteigende Luftmassen aus
Werten von weniger als 1 g/kg Feuchte, und es wird eine
der Nähe der Tropopause an (Browning, 1997). Weder das
tiefliegende Feuchteinversion in ca. 100 - 400 m beobach-
Abbildung 2: Vertikalprofile der spezifischen
Feuchte (g/kg) für die Station Ny-Ålesund
in Spitzbergen am 5. Juni 2017 12:00 UTC
(oben) und am 6. Juni 2017 12:00 UTC (unten)
basierend auf den Radiosonden-Beobachtun-
gen (schwarze Linien), ERA5 Reanalyse (grau),
und ICON Simulationen (ICON-GLOBAL: blau,
ICON-LAM-6km: rot, ICON-LAM-3km: oran-
ge). Für ERA5 und die ICON Simulationen re-
präsentiert die Linie den der Station nächsten
Gitterpunkt, während die Schattierung den
Maximum-Minimum Bereich der 4 Gitterpunk-
te um die Station darstellt. Oben rechts ist
jeweils das Profil für die untersten 500m ver-
größert abgebildet.
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ICON Globalmodell noch die ERA5 Reanalyse können dies Die Advektion feuchtwarmer Luft, insbesondere von solch
wiedergeben. Auffallend ist auch eine geringere Variabilität extremen AR Ereignissen, hat einen starken Einfluss auf die
über die vier Stations-nächsten Gitterpunkte in beiden ICON- Strahlungsflüsse und damit auf den Energiehaushalt der
LAM Simulationen im Vergleich zu ERA5 und ICON-GLOBAL. Erdoberfläche. In der Fallstudie ist eine starke Abnahme der
Dies kennzeichnet ebenfalls die erhöhte Genauigkeit der AR- kurzwelligen Strahlung an der Erdoberfläche zu beobachten,
Darstellung mit der Erhöhung der horizontalen Auflösung des sobald der AR über Ny-Ålesund (9:00 UTC) eintrifft. Es zeigt
Modells. sich eine drastische Abnahme von 600 W/m2 auf etwa 100
W/m2 innerhalb von 3 Stunden. Der signifikante Einfluss
Die Veränderung des vertikalen Feuchteprofils an der Shoj-
des AR auf die Strahlung zeigt sich auch in einer verstärkten
na-Forschungsstation in Nordwest-Russland, die vor Ny-
langwelligen Gegenstrahlung an der Oberfläche, die um etwa
Ålesund auf dem Weg des untersuchten AR liegt, zeigt eine
100 W/m2 zunimmt. Dadurch ändert sich die langwellige
ähnliche Signatur. Auch hier steigt mit dem Eintreffen des
Nettostrahlung von anfänglichen etwa -75 W/m2 nach dem
AR die spezifische Luftfeuchtigkeit in niedriger Höhe um den
AR-Durchgang auf etwa +10 W/m2 und wird somit zu einem
Faktor 4 im Vergleich zu den Bedingungen vor dem AR. Das
erwärmenden Faktor. Die hochaufgelösten ICON-LAM Simu-
bedeutet, dass am 6. Juni ein starker Anstieg der Luftfeuch-
lationen geben diese beobachteten Änderungen realistisch
tigkeit zwischen 1-2 km Höhe auftritt und Werte von fast 7
wieder, während ERA5 diese unterschätzt. Die Faktoren,
g/kg erreicht werden. Im Vergleich zu Ny-Ålesund ist die ma-
welche die Strahlungsänderungen hervorrufen, sind sowohl
ximale Luftfeuchte in Shojna aber in einer etwas geringeren
die AR-bedingte erhöhte Feuchte als auch Strahlungseffekte
Höhe (ca. 1 km), was darauf hindeutet, dass der AR während
der Wolken. Eine erste Untersuchung des gemessenen Wol-
seiner Ausbreitung vom Land über das Meereis in eine etwas
kenwassergehaltes und der Reflektivität deutet auf die Bil-
größere Höhe (um ca. 500 m) aufsteigt. Als Grund dafür wird
dung und das Auftreten von Mischwolken mit signifikantem
die Kaltluft-„Kuppel“ über dem Meereis diskutiert, die das
Wassergehalt hin. Eine detaillierte Analyse möglicher AR-
Eindringen des AR blockiert und zum Aufsteigen zwingt (Ko-
bedingter Wolkeneffekte ist für die Zukunft geplant, sobald
matsu et al., 2018).
die qualitätsgeprüften Beobachtungsdaten dafür vollständig
Diese Ergebnisse machen deutlich, dass das ICON-LAM Mo- verfügbar sind.
dell in der Lage ist, die raumzeitliche Struktur des AR mit
Basierend auf dieser Fallstudie können wir die anfangs ge-
einer höheren Genauigkeit als das antreibende globale ICON
stellten Forschungsfragen wie folgt beantworten: Das Re-
Modell und die ERA5 Reanalyse darzustellen. Dies zeigte sich
gionalmodell ICON-LAM kann die beobachtete raumzeitliche
insbesondere in der genaueren Darstellung des Einflusses
Struktur des AR gut darstellen. Eine höhere horizontale Auf-
des AR auf die Änderungen des Feuchte-, Temperatur- und
lösung des Modells kann bestimmte Aspekte in der Simula-
Windprofils in Ny-Ålesund. Generell geben die Ergebnisse
tion des AR verbessern, insbesondere die vertikalen Profile
jedoch nur wenige Hinweise darauf, dass sich die Simulatio-
von Feuchte, Temperatur und Wind. Eine weitere Erhöhung
nen mit der 3 km Auflösung gegenüber der 6 km-Simulation
der Auflösung von 6 km auf 3 km bringt einen relativ gerin-
weiter verbessern.
gen Mehrwert in den Resultaten.
Abbildung 3: Zeitreihen der kurz-
und langwelligen Nettostrahlung
(oben) und der kurz- und langwel-
ligen, abwärtsgerichteten Strah-
lung (unten) an der Erdoberfläche
für die Ny-Ålesund Station wäh-
rend des 6. Juni 2017, basierend
auf Beobachtungen (schwarze
Linien), ERA5 Reanalyse (grau),
und ICON Simulationen (ICON-
LAM-6km: rot, ICON-LAM-3km:
orange).
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Publikation: Prein, A. F., Langhans, W., Fosser, G., Ferrone, A., Ban, N., Goergen,
K., Keller, M., Tölle, M., Gutjahr, O., Feser, F., Brisson, E., Kollet,
Bresson, H., A. Rinke, M. Mech, D. Reinert, V. Schemann, K. Ebell, M.
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rations, prospects, and challenges, Rev. Geophys., 53, 323-361,
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doi:10.1002/2014RG000475
doi:10.5194/acp-2021-501, in review
Sedlar, J., Tjernström, M., Rinke, A., Orr, A., Cassano, J., Fettweis,
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Ghatak, D. and Miller, J., 2013: Implications for Arctic amplification of Arctic amplification: A research synthesis, Glob. Planet. Change, 77,
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Gimeno L, Nieto R, Vázquez M and Lavers DA, 2014: Atmos- Ebell, K., Lüpkes, C., Macke, A., Notholt, J., Quaas, J., Rinke, A., and
pheric rivers: a mini-review, Front. Earth Sci., 2, doi:10.3389/ Tegen, I., 2017: Understanding causes and effects of rapid warming
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Gröger, M., Dieterich, C., Dutheil, C., Meier, M., and Sein, D., 2021: Woods, C. and Caballero, R., 2016: The role of moist intrusions in
Atmospheric Rivers in CMIP5 climate ensembles downscaled with a winter Arctic warming and sea ice decline, J. Clim., 29, 4473-4485,
high resolution regional climate model, Earth Syst. Dynam. Discuss., doi:10.1175/JCLI-D-15-0773.1
doi:10.5194/esd-2021-49, in review Zängl, G., Reinert, D., Rípodas, P., and Baldauf, M., 2015: The ICON
Guan, B., Waliser, D. E., and Ralph, F. M., 2018: An intercomparison (ICOsahedral Non-hydrostatic) modelling framework of DWD and
between reanalysis and dropsonde observations of the total water MPI-M: Description of the non-hydrostatic dynamical core, Q. J. R.
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Komatsu, K. K., Alexeev, V. A., Repina, I. A., and Tachibana, Y., 2018:
Poleward upgliding Siberian atmospheric rivers over sea ice heat up Ansprechpartnerinnen:
Arctic upper air, Sci. Rep., 8, 1-15, doi:10.1038/s41598-018-21159-6 Hélène Bresson1,2 und Annette Rinke3
Moore, G., Renfrew, I., Harden, B., and Mernild, S., 2015: The impact 1: ehemals Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz Zentrum für Polar- und
Meeresforschung (AWI), Potsdam
of resolution on the representation of southeast Greenland barrier 2: Laboratoire d‘Optique Atmosphérique (CNRS-UMR)
winds and katabatic flows, Geophys. Res. Lett., 42, 3011-3018, doi: 3: Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeres-
10.1002/2015GL063550 hung (AWI), PotsdamSie können auch lesen
