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Publications (Foto: J.-R. Lippels / Hereon)
Beitrag von Dr. Stefan Hagemann, Abteilung Regionale Modellierung von Land und Atmosphäre

Die u.a. Studie präsentiert Klimasimulationen für den Nordatlantik und Europa für aktuelle und zukünftige Bedingungen, die mit dem neuen regional gekoppelten Modellsystem ROM simuliert wurden. ROM koppelt Komponenten für Atmosphäre, Abfluss, Ozean und marine Biogeochemie und berücksichtigt auch Ozeangezeiten. Die ROM-Simulationen werden analysiert und mit den Ergebnissen des globalen Erdsystemmodell MPI-ESM verglichen. Für heutige Klimabedingungen verbessert ROM im Allgemeinen die Simulationen im Vergleich zum antreibenden Modell MPI-ESM. Man findet reduzierte ozeanische Biase im Nordatlantik sowie eine bessere Simulation der atmosphärischen Zirkulation, insbesondere von Zyklonenzugbahnen und Blocking-Situationen.

Was die zukünftigen Klimaprojektionen für das 21. Jahrhundert (Szenarien RCP 4.5 und 8.5) anbelangt, so stimmen MPI-ESM und ROM hinsichtlich des Klimasignals über Europa qualitativ weitgehend überein. Es werden jedoch viele wichtige Unterschiede festgestellt. Zum Beispiel zeigt das ROM eine SST-Abkühlung im Subpolarwirbel, die im MPI-ESM nicht vorhanden ist. Unter dem RCP8.5-Szenario ist die arktische Meereisbedeckung des ROM dünner und erreicht den saisonal eisfreien Zustand im Jahr 2055, lange vor dem MPI-ESM. Dies zeigt die entscheidende Bedeutung einer höheren Ozeanauflösung und regionaler Kopplung für die Bestimmung der regionalen Reaktionen auf globale Erwärmungstrends. Was die Biogeochemie betrifft, so simulieren sowohl ROM als auch MPI-ESM einen weit verbreiteten Rückgang der winterlichen Nährstoffkonzentration im Nordatlantik um bis zu ~35%. Andererseits beginnt die Frühjahrsblüte des Phytoplanktons in der Arktis und im Nordwestatlantik früher, und die jährliche Primärproduktion in der Arktis wird im späten 21. Jahrhundert erhöht. Diese Ergebnisse zeigen deutlich den Mehrwert des ROM zur Bestimmung detaillierterer und verlässlicherer Klimaprojektionen auf regionaler Skala.

Zu dieser Studie von Dr. Dmitry Sein vom AWI haben Partner aus verschiedenen Einrichtungen und Ländern beigetragen, u.a. vom Institut für Küstenforschung und GERICS. Der Beitrag des Instituts für Küstenforschung umfasst Erfahrungen mit dem in ROM enthaltenen Abflussmodell (HD Modell) sowie die Analysen der projizierten Änderungen in Niederschlag und Abfluss über verschiedenen großen Fluss-Einzugsgebieten.

 

Sein, D.V, Gröger, M., Cabos, W., Alvarez-Garcia, F.J., S. Hagemann, Pinto, J.G., Izquierdo, A., de la Vara, A., Koldunov, N.V., Dvornikov, A.Y., Limareva, N., Alekseeva, E., Martinez-Lopez, B., & Jacob, D. (2020): Regionally coupled atmosphere ‐ ocean ‐ marine biogeochemistry model ROM: 2. Studying the climate change signal in the North Atlantic and Europe. J. Adv. Model. Earth Syst., doi:10.1029/2019MS001646

Abstract:

Climate simulations for the North Atlantic and Europe for recent and future conditions simulated with the regionally coupled ROM model are analyzed and compared to the results from the MPI‐ESM. The ROM simulations also include a biogeochemistry and ocean tides. For recent climate conditions, ROM generally improves the simulations compared to the driving model MPI‐ESM. Reduced oceanic biases in the Northern Atlantic are found, as well as a better simulation of the atmospheric circulation, notably storm tracks and blocking. Regarding future climate projections for the 21st century following the RCP 4.5 and 8.5 scenarios, MPI‐ESM and ROM largely agree qualitatively on the climate change signal over Europe. However, many important differences are identified. For example, ROM shows an SST cooling in the Subpolar Gyre which is not present in MPI‐ESM. Under the RCP8.5 scenario, ROM Arctic sea ice cover is thinner and reaches the seasonally ice‐free state by 2055, well before MPI‐ESM. This shows the decisive importance of higher ocean resolution and regional coupling for determining the regional responses to global warming trends. Regarding biogeochemistry, both ROM and MPI‐ESM simulate a widespread decline in winter nutrient concentration in the North Atlantic of up to ~35%. On the other hand, the phytoplankton spring bloom in the Arctic and in the North‐Western Atlantic starts earlier and the yearly primary production is enhanced in the Arctic in the late 21st century. These results clearly demonstrate the added value of ROM to determine more detailed and more reliable climate projections at the regional scale.

Plain language summary:

We downscale present climate and future climate change projections for the North Atlantic and Europe using a regionally coupled Earth System Model including atmosphere, ocean, river runoff and ocean biogeochemistry components. This approach allows us to attain higher spatial resolution and to a more accurate representation of key physical processes, yielding a better simulation of present climate at regional and local scales when compared to the driving global climate model. Future climate change projections show more detail at regional and local scale, mostly related to the improvement in the representation of orography and bathymetry. These improvements along with a better representation of the interactive ocean‐atmosphere coupling lead to other remarkable differences with the driving global climate model: (1) colder Sea Surface Temperature in the Subpolar Gyre region, indicating a local convection collapse and a Atlantic Meridional Overturning Circulation slow‐down; (2) a seasonal free‐ice Arctic is reached by 2055 under RCP8.5 scenario, well before projected by the driving global climate model; (3) stronger reduction in nutrients in the North Atlantic by the end of the 21st century. These results clearly demonstrate the added value of the regionally coupled model system to determine more reliable climate projections at the regional scale.

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