Stratosphäre (ICE-4)

Die Simulation des Erdsystems und des Klimas erfordert die numerische Lösung der komplexen, gekoppelten Differentialgleichungen, die das System beschreiben. Die kontinuierliche Verbesserung der detaillierten Darstellung der verschiedenen dynamischen und chemischen Prozesse im Klimasystem in Erdsystemmodellen ist entscheidend für die Erhöhung der Zuverlässigkeit von Modellprojektionen.

Die Modellentwicklungsaktivitäten am ICE-4 zielen darauf ab, die Darstellung klimarelevanter atmosphärischer Prozesse in Modellen unterschiedlicher Komplexität zu verbessern. Die Konzentrationen und Verteilungen von Spurengasen in der Atmosphäre werden durch Transportprozesse und chemische Reaktionen auf verschiedenen Zeitskalen gesteuert, die sich wiederum auf Strahlung und Dynamik auswirken.

Eine besondere Herausforderung bei der Simulation des Spurengastransports in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre ist das häufige Auftreten von kleinräumigen Filamenten und steilen Gradienten, zum Beispiel um die Tropopause und am Rande des Polarwirbels. Diese Strukturen werden in globalen Modellen in der Regel nicht gut aufgelöst, und die damit verbundenen Fehler können aufgrund der Chemie-Klima-Kopplung zu Verzerrungen im simulierten Klima führen. Um die Darstellung des Spurengastransports in Modellen zu verbessern, hat sich das ICE-4 auf die Entwicklung des Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS) konzentriert. In CLaMS wird der Spurengastransport in einem Lagrangeschen Rahmen formuliert, d.h. auf einem unregelmäßigen, adaptiven Gitter, das sich mit der Strömung bewegt und die Berechnung einer großen Anzahl von Luftpaketbahnen bei jedem Zeitschritt erfordert. Darüber hinaus umfasst CLaMS eine ausgefeilte Charakterisierung der kleinräumigen atmosphärischen Durchmischung, die mit Deformationen und Scherung in der großräumigen Strömung zusammenhängt, sowie Module für chemische und mikrophysikalische Prozesse.

CLaMS kann als konzeptionelles Trajektorienmodell, in einer Offline-Version eines reanalysegestützten Chemietransportmodells oder online in einer Klimamodellversion verwendet werden. Diese Modellhierarchie wird zur Analyse globaler Satellitendaten und hochauflösender In-situ-Flugzeug- und Ballonmessungen sowie zur Untersuchung von Chemie-Klima-Kopplungsprozessen im gekoppelten Erdsystem eingesetzt.

CLaMS wird auch häufig für die Planung der Flüge von atmosphärischen Forschungsflugzeugen und -ballons eingesetzt. Um den atmosphärischen Spurengastransport in Erdsystemmodellen zu verbessern, wurde CLaMS in das ECHAM MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC)-Modell, ein hochmodernes Gemeinschafts-Erdsystemmodell, eingebunden. EMAC ermöglicht die flexible Kopplung verschiedener Prozessmodule (z.B. für Chemie oder Transportprozesse) über die Infrastruktur des Modular Earth Submodel System (MESSy).

Derzeit wird daran gearbeitet, diese Entwicklungen auf das nicht-hydrostatische ICOsahedral-Modell (ICON) zu übertragen. Diese Arbeit wird in enger Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung einer Lagrangeschen Transportdarstellung in EMAC zu erheblichen Verbesserungen bei der Simulation des stratosphärischen Transports führt, insbesondere für Wasserdampf in der Tropopausenregion.