Verbesserung der Simulation des westafrikanischen Klimas durch die Implementierung eines einfachen dynamischen Vegetationsmodells (SVege) in das Klimamodell ECHAM5

Brücher, Tim (2008). Verbesserung der Simulation des westafrikanischen Klimas durch die Implementierung eines einfachen dynamischen Vegetationsmodells (SVege) in das Klimamodell ECHAM5. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Das Klima Westafrikas ist innerhalb der letzten 40 Jahre durch eine markante Trockenzeit von etwa 1970 bis 2000 geprägt worden. Die Ursachen des Wechsels der verfügbaren Niederschlagsmengen sind umstritten und so wird versucht, durch die Berücksichtigung möglichst vieler Komponenten des Erdsystems diese dekadische Variabilität durch Klimamodelle zu fassen. Aus diesem Grund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Implementierung eines einfachen, dynamischen Vegetationsmodells (SVege, engl.: Simple Vegetation) in das globale Atmosphärenmodell ECHAM5 mit dem Ziel, das rezente Klima durch die Berücksichtigung der Biosphäre besser zu fassen, da von einer Amplifizierung der Klimavariabilität (insbesondere der dekadischen) durch die Biosphäre ausgegangen wird. Mit dieser optimierten Modellversion werden zusätzlich die Ergebnisse zweier SRES (engl.: Special Report on Emission Scenarios) Klimaintegrationen (A1B und B1) mit jeweils 3 Ensemblemitgliedern bis zum Jahr 2100 vorgestellt. Es ist davon auszugehen, dass durch die zukünftige, mögliche Veränderung des Klimas die Vegetation beeinflusst wird, wodurch SVege, das auf solche Veränderungen reagiert, diese wichtige Wechselwirkung erfasst. Nicht zuletzt wird diese Vorgehensweise durch motivierende Ergebnisse mit gleichem Vegetationsmodell und der Vorgängerversion des Atmosphärenmodells ECHAM4 angeregt. Zur Einschätzung des Effekts durch die Biosphären-Berücksichtigung sind Integrationen zur Wiedergabe des aktuellen Klimas mit beobachteter Meeresoberflächentemperatur erstellt worden, die in Bezug zu Integrationen mit der Standardversion von ECHAM5 gestellt werden. Es ist festzustellen, dass die Verwendung von SVege das beobachtete Klima Westafrikas zufriedenstellend wiedergibt und einen leichten, jedoch nicht signifikanten, Einfluss auf die Wiedergabe der dekadischen Variabilität des Niederschlags ausübt. Signifikante Unterschiede in der Beschreibung des aktuellen Klimas zwischen den beiden oben genannten Simulationstypen treten nicht auf. Somit ist es durch die Verwendung von SVege lediglich gelungen, die standardmäßig, durch Vorgabe eines klimatologischen Mittelwertes, feste Albedo durch einen einfachen, physikalisch basierten Ansatz zu ersetzen, der zu gleichen Simulationsergebnissen führt. Zusätzlich ist jedoch festzuhalten, dass die beobachtete dekadische Variabilität des Niederschlags in Westafrika mit der hier vorgestellten Modellversion nicht in der beobachteten Stärke wiedergegeben werden kann. Durch die hier vorgestellte Art der Kopplung der Atmosphäre an die Biosphäre ist ebensowenig eine Verbesserung, wie sie zuvor mit der Vorgängerversion des Atmosphärenmodels (ECHAM4) erreicht werden konnte, zu erkennen. Zwischen den beiden ECHAM-Versionen liegen einige Veränderungen, die das Bodenschema betreffen. Somit ist anzunehmen, dass der simple Ansatz des Vegetationsmodells SVege für die sehr fortschrittliche Version des Klimamodells ECHAM5 zu einfach ist und nur kleine Veränderungen können durch die gekoppelte Version erzielt werden. Im Rahmen der 240 Jahre umfassenden Klimasimulationen zur Abschätzung des Niederschlagstrends in einem möglichen, zukünftigen Klima (SRES A1B und B1; 1860 bis 2100) kann festgestellt werden, dass in der Kontrollperiode (1960 bis 1999) deutliche Unterschiede zu den Simulationen mit beobachteter Meeresoberflächentemperatur (engl.: Sea Surface Temperature, SST) auftreten. Neben Unterschieden zur beobachteten 2 m Temperatur differieren beide Modellversionen in der Wiedergabe des Jahres-, Quartals- und Tagesniederschlags und in der Wiedergabe des tropischen Niederschlagsgürtels. Dieses beruht auf den Unterschieden der zugrundeliegenden ozeanischen Randbedingung: Einerseits durch die Vorgabe der beobachteten SST (AMIP2-Daten) und zum anderen durch die Verwendung der SST aus Simulationen mit dem Ozeanmodell MPI-OM1 (engl.: Max-Planck-Institute Ocean Model, Version 1) für die Klimaintegrationen. Die Differenz zwischen zukünftigem und aktuellem Klima innerhalb dieser Simulationen deutet auf eine Veränderung der täglichen Intensität hin, wobei ein Trend zu mehr starken, täglichen Niederschlagsereignissen erwartet wird. Überlagert wird diese Verschiebung von einem Trend zu mehr Niederschlag in der Küstenregion und weniger im Sahel, wodurch sich im klimatologischen Mittel der Niederschlagsgradient vom Sahel über den Sudan hin zur Südküste Westafrikas weiter verstärkt. Mit einem Anstieg der interanuellen Variabilität in dieser Region wird die Ereignisdichte extrem trockener oder feuchter Sommer (bezogen auf das aktuelle Klima) dichter und somit wird die knappe Ressource Süßwasser weniger planungssicher. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Veränderungen auf Basis der SRES-Integrationen im A1B-Szenario stärker als in den B1-Simulationen ausfallen und die Ergebnisse der Klimaprojektionen gleichen den Resultaten der IPCC (engl.: Intergovernmental Panel on Climate Change ) Simulationen (ECHAM5 ohne Vegetationsmodell).

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Improvement of West African climate simulations by coupling a dynamical, simple vegetation model (SVege) to the climate model ECHAM5	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Between 1970 and 2000 the climate of West Africa was affected by a severe drought. The reasons for the sudden change to the dry period are unclear. Therefore, investigations based on climate model simulations are undertaken to capture the observed decadal climate variability by including as many sub systems of the Earth Climate System as possible. Therefore, this work focuses the influence on simulating present day climate by including the biosphere into the general circulation model (GCM) ECHAM5 to capture the recent climate in a better way. It is well-known, that there is an amplification by vegetation on climate variability, in particular the decadal one. The Simple Vegetation (SVege) model is used for these coupled experiments. Furthermore, this optimised version is used to set up climate change simulations in an ensemble mode following the SRES (Special Report on Emission Scenarios ) greenhouse gas forcings A1B and B1 until the year 2100. It is assumed, that there will be a change within vegetation cover by a climate change, therefore the coupled version will be responsive to the climate impact. At least very promising results by doing this coupling with the former version No. 4 of ECHAM give the motivation for this work. To estimate the effect of using the vegetation model, simulations for present day climate (1960 to 1999) are investigated by using the biosphere-atmosphere model and the standalone version of the GCM both driven by an observed sea surface temperature (SST) data set (AMIP2). Both versions capture the observed climate of West Africa well and a small, insignificant shift to a better reproduction of the decadal variability in rainfall is noticed by including the vegetation model. There are no significant differences in simulating present day climate compared to the standard version. So, the coupled version using a dynamical vegetation model calculating time-dependent values for some surface parameters (e.g. albedo) gets the same results as using climatological mean numbers. It will be shown, that the coupled biosphere-atmosphere version captures the decadal variability better, but even the models are able to simulate the climatological mean state quite well, it has to be summarised, that both model versions fail to simulate the strength of the observed decadal variability of precipitation amounts in West Africa. Compared to similar studies using the previous version of the GCM (ECHAM4), the effect of the imbedded biosphere is low. Due to some changes in the surface parametrizations and formulating the surface scheme in a more sophisticated way, it can be assumed, that the used vegetation formulation is to simple for the new complex version of the GCM. The analysis of the 240 years (1860 to 2099) climate change simulations concentrates on possible shifts in precipitation intensities within a warmer world (SRES A1B and B1). Investigations on the yearly, quarterly, and daily precipitation sums and the analysis of the simulated tropical rain belt as well as the 2 m temperature are done. For the control climate (1960 to 1999) it is shown, that significant differences between the simulations based on observed and modelled SSTs exist. These differences are due to the two unequal SST data sets for the period 1960 to 1999 for computing (i) present day climate using observed values (AMIP2) and (ii) doing climate change experiments based on simulated (OM1, Ocean Model ) SST patterns. The trends indicate, that there is a possible shift of daily intensities to higher values. This shift is superimposed by increasing rainfall sums in summertime (June to August) at the Guinea Coast and less precipitation in the Sahel leading to a more prominent dipole between the wet Coast and dryer interior. With an increasing number of extreme precipitation events with respect to monthly rainfall sums (dry months in the Sahel and wet in the coastal region), the internal variability will increase and the scarce fresh water resources will become more precarious in a warmer climate. The changes due to the SRES scenarios are more pronounced in the stronger A1B scenario than in B1. In summary, the climate change results are similar to the ECHAM5-investigations pointed out by the fourth assessment report of the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change ) without using a vegetation model.

English

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