Ein flexibles Vorhersagesystem für dekadische Klimaprognosen

Auf Zeitskalen von einigen Jahren bis zu mehreren Jahrzehnten, hängen Klima und Wetter nicht nur vom anthropogenen Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen ab, sondern auch von der natürlichen Klimavariabilität. Die natürliche Klimavariabilität beinhaltet interne – sowohl in der Atmosphäre und dem Ozean ausgelöst – sowie externe Variabilität – verursacht beispielsweise durch schwankende Sonnenaktivität oder Vulkanausbrüche. Aufgrund der chaotischen Natur der internen Variabilität ist ihre Voraussagbarkeit begrenzt. Das relative deutliche Signal der Variabilität auf dekadischer Zeitskala in fast allen Klimaaufzeichnungen legt allerdings nahe, dass, wenn wir in der Lage sind die Phase und Amplitude des aktuellen „Ereignisses“ dekadischer Variabilität zu beobachten, dann können wir diese nutzen, um die weitere Klimaentwicklung vorherzusagen. Strategisch ist FLEXFORDEC ein zentrales Projekt innerhalb MiKlips: es ist das Schlüsselprojekt für das MiKlip Modul D "Synthese", eines der fünf Grundpfeiler des MiKlip Projekts; es umfasst die Entwicklung des zentralen Vorhersagesystems, eines der wichtigsten Ziele in MiKlip, und es beinhaltet die Gesamtkoordination von MiKlip.

Die wissenschaftliche Synthese des MiKlip-Projekts beinhaltet sowohl Forschungs- als auch Infrastrukturkomponenten. Die dekadische Klimavorhersage ist ein relativ junges Gebiet im Bereich der Klimaforschung, daher ist eine umfangreiche Forschung notwendig um die Güte von Vorhersagen zu verbessern. Welche Elemente des Klimasystems vorhersagbar sind und wie wir damit ein zeitgemäßes Vorhersagesystem entwickeln sind die wesentlichen Aufgaben von MiKlip und FLEXFORDEC. Gemäß den projektbezogenen Entwicklungsstadien (DS) 1-3 wird das zentrale Vorhersagesystem hierfür kontinuierlich durch die Einbeziehung der Forschungsergebnisse aller MiKlip Module verbessert. In DS1 verwenden wir das System, das derzeit für die WCRP CMIP5/IPCC AR5 Simulationen verwendet wird. Die Einbeziehung der Fortschritte aus anderen MiKlip Modulen in das Prognosesystem in DS2 und DS3 erfordert wiederum eine Infrastruktur, die uns ein hohes Maß an Flexibilität ermöglicht, so dass wir die verschiedenen Vorschläge zur Verbesserung der dekadischen Klimaprognosen testen können.

Ziele

Entwicklung eines Ensemblevorhersagesystems

Basierend auf dem Vorhersagesystem für die CMIP5 Experimente wird ein Ensemblevorhersagesystem (EPS) für dekadische Klimavariabilität entwickelt. Dieses System berücksichtigt die technisch komplexe Datenassimilierungsarchitektur vergleichbar mit Wettervorhersagesystemen (NWP) und Systemen, wie sie für die saisonalen Klimavorhersagen verwendet werden. Dieses System wird auch wissenschaftlich komplexe Fragen beinhalten, wie die Einbeziehung von relevanten Klimasystemkomponenten (z. B., Land und Meer-Eis) und die Erzeugung eines ausreichend großen Ensembles. Aus diesen Gründen müssen die Ensemblevorhersagen in ein System angepasster Modellinfrastruktur eingebunden werden.
 

Integration von Modellverbesserungen in das Vorhersagesystem

Im Laufe des MiKlip Projekts wird das Vorhersagesystem mit Rücksicht auf die Forschungsprozesse weiterentwickelt (ein Entwicklungsschritt in jedem der Entwicklungsstadien DS1 bis DS3). Für jedes System wird ein neuer Satz von Vorhersagen, Kontrollläufen und Simulationen des 20. Jahrhunderts in der höchstmöglichen Auflösung durchgeführt (zum Beispiel T63L95/TP04 während DS1). Die Integration neuer Forschungsergebnisse in das System wird in erster Linie in DS2 und DS3 erfolgen.
 

Entwicklung eines integrierten Auswertungssystems

Während DS1 wird ein integriertes System für die standardisierte Auswertung aufgesetzt und sukzessive in DS2/DS3 weiterentwickelt. Dieses System ermöglicht zum Einen eine Vergleichbarkeit von Vorhersagegüte und Systemperformance für verschiedene Konfigurationen des Vorhersagesystems, zum Anderen unterstützt es reproduzierbare Entscheidungen in Bezug auf Erweiterungen und Innovationen des Systems zu treffen. Darüber hinaus wird die Verwendung eines Online-Postprocessing Moduls und eines Datenfluss- und Managementsystems als ein integrierter Teil des Vorhersagesystems einen sofortigen Zugang zu den Modellergebnissen und eine effiziente Nutzung der Computerressourcen sicherstellen.
 

Verbreitung der Vorhersage

Relevante Daten aus dem globalen Ensemble-Vorhersagesystem werden allen Teilnehmern in MiKlip und potenziellen Anwendern zur Verfügung gestellt. Um die Transparenz und einfache Nutzung des Systems zu gewährleisten, muss das System somit umfangreich dokumentiert sowie ein Metadatensystem ausgearbeitet werde. Eine integrierte Analyse und Visualisierung ermöglicht eine erste Analyse der Modelldaten und den damit verbundenen Vorhersagen.
 

MiKlip Koordination

Die Koordination eines Forschungsprojekts in der Größe und Komplexität wie MiKlip ist eine Herausforderung an sich, weil die Wechselwirkungen zwischen den Modulen organisiert und gewährleistet werden muss. Insbesondere der Daten-, Software- und Informationsfluss aus den einzelnen Modulen hin zu zentralen Vorhersagen und umgekehrt müssen synchronisiert werden. FLEXFORDEC stellt deshalb ein MiKlip-Büro, das den MiKlip Koordinator im Wissenschaftsmanagement unterstützt. Das MiKlip-Büro kümmert sich ferner um alle übergreifenden organisatorischen Arbeiten, wie zum Beispiel Statusseminare, Berichterstattung und Zusammenfassung zu erbringender Leistungen.

Wissenschaftlich ist die wichtigste Aufgabe des MiKlip-Büros die Organisation der Bewertung der Fortschritte im zentralen Vorhersagesystem. Diese Beurteilung muss in Verbindung mit den Statusseminaren am Ende des DS und anschließend bei einer Zwischenbewertung in Form von einem Sachstandsbericht zum Monat 30 in DS2 durchgeführt werden. Der Zeitpunkt ist so gewählt, dass ein Cut-off am Ende des DS2 den Fall unzureichender Fortschritte vorgenommen werden kann. Das letzte Statustreffen und der Abschlussbericht, beide organisiert von der MiKlip Büro, beurteilt, ob das System MiKlip für den operativen Einsatz bereit ist. Eine gut funktionierende Datenverbreitung innerhalb MiKlips und potenziellen externen Partnern setzt eine bewährte Datenspeicherinfrastruktur voraus, zum Beispiel wie sie vom Deutschen Klimarechenzentrum (DKRZ) zur Verfügung gestellt wird. Innerhalb MiKlips wird ein zentraler Datenserver durch das DKRZ ermöglicht, um Ergebnisse aus dem zentralen Vorhersagesystem und Beobachtung leicht verfügbar zu machen.