Ein wesentliches Augenmerk unserer Arbeit gilt der Dynamik der großskaligen Strukturen der Atmosphäre. In enger Verwandtschaft mit der Frage nach der Gestalt und Dimension des Klimaattraktors war dabei bisher das Ziel (1) die Identifikation der entscheidenden Variabilitätsmuster in Wetter und Klima und (2) die Erarbeitung einer geschlossenen dynamischen Beschreibung der Atmosphäre auf der Basis dieser Strukturen. Ebenfalls ist eine geeignete Erfassung des Einflusses der kleinskaligen Prozesse auf die aufgelösten großen Skalen von entscheidender Bedeutung. Die Modellentwicklung geschieht teilweise empirisch durch Analyse von Daten, ist aber auch durch die analytische und numerische Formulierung eines geeigneten dynamischen Kerns für die nichtlineare Wechselwirkung der aufgelösten Variabilitätsmuster untereinander geprägt.

In Bezug auf die grundlegenden Variabilitätsmuster schien der dynamisch orientierte Ansatz der Principal Interaction Patterns (PIPs) von Hasselmann (1988, J. Geophys. Res) gegenüber den klassischen empirisch-orthogonalen Funktionen (EOFs) eine Verbesserungsmöglichkeit darzustellen. Nach der erstmalig erfolgreichen Ableitung eines PIP-Modells (Achatz et al. 1995) wurde auch gezeigt, dass sich unter der Verwendung von PIPs effizientere Modelle für Lebenszyklen barokliner Wellen in einem quasigeostrophischen Zweischichtenmodell gewinnen lassen als auf der Basis von EOFs. Dies gelingt insbesondere im Zusammenhang mit einer nichtlinearen energieerhaltenden Schließung für den Einfluss der vernachlässigten Skalen (Achatz und Schmitz 1997).

Auf der Basis dieser Ergebnisse stellte sich die Frage, wie gut sich die realistische Atmosphärendynamik mit nur wenigen Variabilitätsmustern beschreiben lässt. In Zusammenarbeit mit G. Branstator (NCAR, Boulder, CO, USA) wurde deshalb ein semi-empirisches reduziertes Modell für die interne Klimavariabilität des NCAR-GCMs CCM0B entwickelt. Aus Gründen der technischen Zweckmäßigkeit basiert dieses Modell auf EOFs. Wir konnten zeigen, dass die reduzierten Modelle (mit zwischen 10 und 500 Basismustern) wesentliche Aspekte der Variabilität des GCMs reproduzieren. Dies betrifft das Klimamittel, die transienten Flüsse, aber auch die führenden Variabilitätsmuster selbst (Achatz und Branstator 1999). Zur weiteren Verbesserung der synoptischen Dynamik wurde schließlich in einer Zusammenarbeit mit J.D. Opsteegh (KNMI, De Bilt, Niederlande) ein reduziertes Modell für die Atmosphärenkomponente des gekoppelten Klimamodells ECHAM3/LSG (MPI Hamburg) entwickelt, in dem die nichtlineare Wechselwirkung der Variabilitätsmuster den primitiven Gleichungen folgt (Achatz und Opsteegh 2003a,b).

Bild 1: Die transienten meridionalen Flüsse von zonalem Impuls (Januar, bei s = 0.167) im GCM (ECHAM3, projiziert auf die ersten 30 EOFs), und ihre Reproduktion durch ein EOF-Modell, das 30 EOFs als Freiheitsgrade verwendet.

Die reduzierten Klimamodelle wurden zur Untersuchung grundlegender Fragen der Dynamik der internen Klimavariabilität verwendet: Eine betrifft die Zahl der grundlegenden Variabilitätsmuster (Freiheitsgrade), die ein realistisches Modell mindestens benötigt. Für die Reproduktion der Klimavariabilität der GCMs wurde ein Optimum im Bereich einiger 10 Freiheitsgrade gefunden. Diese Zahl ist konsistent mit statistischen Abschätzungen der Anzahl der Freiheitsgrade des Klimaattraktors (z.B. Fraedrich et al. 1995, J. Climate), so dass eine erste praktische Bestätigung dieser Schätzung gegeben werden konnte (Achatz und Branstator 1999, Achatz und Opsteegh 2003a,b). Da die reduzierten Modelle die Großwetterlagen des allgemeinen Zirkulationsmodells sehr genau reproduzieren, konnte außerdem die klassische Hypothese untersucht werden, gemäß der diese mit stationären Zuständen der großskaligen Dynamik zusammenfallen (Charney und DeVore 1979, J. Atmos. Sci.), allerdings unter Berücksichtigung des Einflusses der transienten kleinskaligen Fluktuationen. Die Antwort ist negativ: Alle identifizierten stationären Zustände der reduzierten Modelle stellen wesentlich stärkere Abweichungen vom mittleren Klimazustand dar als die Großwetterlagen. Damit wurde die Notwendigkeit einer Neuinterpretation von Großwetterlagen aufgezeigt (Achatz und Opsteegh 2003a,b).

Bild 2: Zwei der signifikanten Großwetterlagen (Januar) in der Stromfunktion der vertikal gemittelten Strömung im GCM (ECHAM3), und ihre Reproduktion durch ein EOF-Modell, das 30 EOFs als Freiheitsgrade verwendet Die Wahrscheinlichkeiten, mit denen sich die jeweiligen Modelle in den entsprechenden Einzugsbereichen aufhalten, sind ebenfalls angegeben.

Literatur

geändert am 05. Februar 2008  E-Mail: Webmasterkissmann@iau.uni-frankfurt.de