Universität Hohenheim, Institut für Physik und Meteorologie

Hochaufgelöste Klimamodellsimulationen

Die Entwicklung einer neuen Generation von regionalen Klimamodellen ist fundamental für die Simulation des regionalen Klimawandels einschließlich extremer Ereignisse. Die Qualität gegenwärtiger Simulationen ist noch unzureichend über vielen Regionen Europas und komplexem Gelände. Korrekturen systematischer Fehler, z.B. für Flusseinzugsgebiete, anzuwenden ist nicht ausreichend. Zunehmend ist es möglich und auch gesellschaftlich notwendig Klimasimulationen mit konvektionserlaubender Auflösung (etwa 1-3 km) durchzuführen. Damit entfällt die Parameterisierung hochreichender Konvektion, die eine erhebliche Quelle systematischer Fehler in regionalen und globalen Klimasimulationen darstellt. Außerdem werden orographische Effekte und die Interaktionen zwischen der heteorogenen Landoberfläche und der Atmosphäre wesentlich genauer darstellt, was sich deutlich positiv in der Simulation extremer Ereignisse ausdrückt. Die derzeitig in regionalen Klimamodellen verwendeten Parameterisierungen wurden in der Regel jedoch für Modellauflösungen von 20 km und mehr entwickelt. Es ergibt sich daher das Ziel, die regionalen Klimamodelle unter Nutzung von Datensätzen neuartiger Beobachtungssysteme, wie 3D abtastenden Lidar-Systemen und mit ihnen bereits durchgeführten Messkampagnen, für horizontale Auflösungen von 1-12 km weiterzuentwickeln. Bisherige Modelevaluationen zeigen, dass genauere Simulationen durch verbesserte Darstellungen in den folgenden Bereichen realisiert werden können:(a) Die Energieschließung an der Landoberfläche,(b) die Rückkopplungsprozesse im System Boden-Vegetation-Atmosphäre (SVA) sowie(c) Wolken und NiederschlagDazu werden numerische Modelle und Datenassimilationsmethoden verwendet sowie weiterentwickelt.Am Institut für Physik und Meteorologie der Universität Hohenheim forschen wir an einem Konzept für die Verbindung von Theorie, neuartigen Beobachtungsdatensätzen und Modellentwicklung für die nächste Generation regionaler Klimamodelle. Erste Studien zeigen den Einfluss der gewählten Landoberflächenparameterisierung in Abhängigkeit von der Grenzschichtparameterisierung bis zur Grenzschichthöhe. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung der atmosphärischen Grenzsicht in Wechselwirkung mit der Landoberfläche und der freien Troposphäre.

Das Arbeitspferd für Klimasimulationen in Hohenheim

Unsere Modellsimulationen führen wir mit dem Weather Forecast and Research (WRF) Modell (www.wrf-model.org) in Kombination mit dem ausgefeilten Landoberflächenmodell NOAHMP und der neuen Kopplung mit hydrologischen Komponenten (HYDRO) durch. Dieses Modell wenden wir für Klimasimulationen mit 1-50 km horizontaler Auflösung an. Prozessstudien und Modellentwicklung basieren auf Simulationen mit der räumlichen Auflösung von 100 m (LES) bis 3 km. Hier kommt auch die Datenassimilation zum Einsatz, wobei je nach Anwendung eine 3DVAR mit Rapid Update Cycle oder eine 4DVAR eingesetzt wird. Die sehr hoch aufgelösten Simulationen werden entsprechend der Fragestellung auch mit dem WRF-NOAHMP-HYDRO-Modellsystem realisiert. Bei HYDRO handelt es sich um eine komplexe hydrologische Komponente für horizontale Wassertransporte im Boden.Für die integrierte Landsystemmodellierung wurde von uns das Modell WRF-NOAHMP mit dem Pflanzenwachstumsmodell für Feldfrüchte GECROS gekoppelt. Dieses Modellsystem (ALCM, Atmosphere-Land Surface-Crop-Model) wird auf 1-3 km Auflösung in Deutschland derzeit für Winterweizen und Mais angewendet und ist in Kooperation mit dem Institut für Bodenkunde und Standortslehre der Universität Hohenheim entwickelt worden.