Die Rolle von gekoppelten versus ungekoppelten Reanalysen für die Initialisierung der dekadischen Klimaprognosen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Ozean wurde in früheren Studien als das Gedächtnis des Klimasystems beschrieben. Die interne Variabilität des Ozeans ist in den Klimamodellen nachweislich Jahrzehnte im Voraus vorhersehbar, was die Hoffnung nährt, dass die Synchronisierung der Ozeanzirkulation mit den Beobachtungen die dekadischen Klimavorhersagen (DCPs) verbessern kann. Vorhersagen erfordern einen Ausgangspunkt, der mit Datenassimilationsmethoden (DA) abgeleitet wird, die verfügbaren Beobachtungen und Klimamodellzustände zusammenführen. Eine Vielzahl von Methoden, die für die hochmodernen DCPs verwendet werden, umfasst gekoppelte und ungekoppelte Verfahren, Online- und Offline-Methoden, Initialisierung verschiedener Medien des Klimasystems und Verwendung unterschiedlicher Datenquellen. Multi-Modell-Vorhersagen werden also durch ähnlichen Beobachtungsquellen synchronisiert, aber mit verschiedenen Klimamodellen und DA-Produkten durchgeführt, was zu etwas unterschiedlichen anfänglichen Ozeanzirkulationen führt. Wenn der Ozean das Gedächtnis des Klimasystems ist, warum ist diese Vielfalt in der Vorhersagefähigkeit der DCPs nicht stärker ausgeprägt? Stattdessen zeigen die Multi-Modell-DCPs ähnliche Vorhersagefähigkeiten, die sich in letzter Zeit kaum gegenüber den nicht-initialisierten Simulationen verbessern. In diesem Projekt haben wir versucht, vielversprechende Entwicklungen im Bereich der Datenassimilation und Initialisierung zu identifizieren, da dieses Thema für die zukünftige Entwicklung von DCPs von Bedeutung ist. Ursprünglich zielte unsere Studie darauf ab, die idealisierten Experimente zu vergleichen, die auf dem gekoppelten Adjoint und dem gekoppelten Nudging basieren und mit dem Erdsystemmodell mittlerer Komplexität CESAM durchgeführt wurden. Aus den Experimenten geht insbesondere hervor, dass verschiedene DA-Einstellungen einen starken Einfluss auf die resultierende Atlantische Meridionale Umwälzzirkulation (AMOC) haben. So führten beispielsweise sowohl die gekoppelte Full-Field-Nudging als auch die adjungierte DA zu einer Aufspaltung der AMOC, was eine Garantie für Initialisierungsschocks in DCPs ist. Wie kritisch die Folgen solcher Probleme beim Assimilationsschritt für die Vorhersagefähigkeit, z. B. an der Meeresoberfläche, sind, ist noch nicht vollständig geklärt. Daher haben wir zusätzlich zu den CESAM-Läufen die AMOC der 12 operationellen DCP-Systeme des WMO Lead Centre for Annual-to-Decadal Climate Prediction analysiert. Wir haben festgestellt, dass die AMOC- Initialisierung die Qualität der Temperaturvorhersagen im subpolaren Wirbel des Nordatlantiks (SPG) beeinflusst. Unsere Studie zeigt, dass anfängliche Schocks (für die Full-Field-DA) und Modell-Bias (für die Anomalie-DA) in der Ozeanzirkulation in Vorhersagesystemen die Vorhersagequalität für den SPG über 5 Jahre hinaus verringern. Wir stellen jedoch keinen eindeutigen Einfluss der Fortschrittlichkeit der DA-Methoden (Nudging gegenüber anderen Methoden) auf die Qualität fest. Die Ergebnisse unserer Studie sind von unmittelbarer Bedeutung für die Produktionszentren und alle, die an Vorhersagen für den Nordatlantik interessiert sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A design of the optimal setup for a coupled data assimilation for decadal climate predictions, EGU General Assembly 2022, Vienna, Austria, 23–27 May 2022, EGU22-3616, 2022 (Oral)
Polkova I., Lyu, G., Stammer, D., Schubert, S., Lunkeit, F. & Köhl, A.
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A design of the optimal setup for a coupled data assimilation for decadal climate predictions, OS56B-03, AGU 12- 16 December 2022, hybrid (Oral)
Polkova I., Lyu G., Stammer G., Schubert S., Lunkeit F. & Köhl A.
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Optimal coupled data assimilation for decadal climate predictions, Workshop Seamless seasonalto-decadal predictions state of the art and opportunities JRC Ispra, 8-10 October 2022 (Oral)
Polkova I., Swingedouw D., Lyu G., Schubert S., Stammer D., Lunkeit F. & Köhl. A.
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How good should the initial conditions for decadal climate predictions be in terms of the Atlantic meridional overturning circulation? ECMWF’s 2023 Annual Seminar “Earth System Reanalysis”, 4-8 September 2023, ECMWF’s Headquarters in Reading, UK (Pitch and Poster)
Polkova I., Swingedouw D., Hermanson L., Smith D., Köhl A., Lyu G., Stammer D., Schubert S. & Lunkeit F.
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How good should the initial conditions for decadal climate predictions be in terms of the Atlantic meridional overturning circulation? WCRP Open Science Conference 2023, Kigali, Rwanda (Pitch and Poster)
Polkova I., Swingedouw D., Hermanson L., Köhl A., Stammer D., Smith D., Kröger J., Bethke I., Yang X., Zhang L., Nicolì D., Athanasiadis P.J., Karami M.P., Pankatz K., Pohlmann H., Wu B., Bilbao R., Ortega P., Yang S. & Matear R.J.
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How good should the initial conditions for decadal climate predictions be in terms of the Atlantic meridional overturning circulation? WCRP Workshop on Improving climate models and projections using observation MIT, Cambridge MA, USA, June 12 – 14, 2023 (Oral)
Polkova I., Swingedouw D., Hermanson L., Smith D., Köhl A., Lyu G., Stammer D., Schubert S. & Lunkeit F.
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How good should the initial conditions for decadal climate predictions be in terms of the Atlantic meridional overturning circulation? Workshop "Meeting AMOC Observation Needs in a Changing Climate", 18-20 July 2023, Hamburg (Pitch and Poster)
Polkova I., Swingedouw D., Hermanson L., Smith D., Köhl A., Lyu G., Stammer D., Schubert S. & Lunkeit F.
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Initialization shock in the ocean circulation reduces skill in decadal predictions of the North Atlantic subpolar gyre. Frontiers in Climate, 5.
Polkova, Iuliia; Swingedouw, Didier; Hermanson, Leon; Köhl, Armin; Stammer, Detlef; Smith, Doug; Kröger, Jürgen; Bethke, Ingo; Yang, Xiaosong; Zhang, Liping; Nicolì, Dario; Athanasiadis, Panos J.; Karami, Mehdi Pasha; Pankatz, Klaus; Pohlmann, Holger; Wu, Bo; Bilbao, Roberto; Ortega, Pablo; Yang, Shuting ... & Matear, Richard J.
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Toward model-consistent initialization of decadal climate predictions, CMCC Webinar, 21 February 2023 (Oral)
Polkova I.
