Eine der wichtigsten Messgrößen für die Klimamodellierung ist der Strahlungsantrieb. Die meisten Klimamodelle, einschließlich der allgemeinen Zirkulationsmodelle (GCMs), konzentrieren sich auf die Auswirkungen verschiedener atmosphärischer Faktoren auf den Strahlungsantrieb. Bei Satellitenbeobachtungen und Multimodellsimulationen bestehen jedoch noch immer große Unsicherheiten im Zusammenhang mit einigen atmosphärischen Faktoren.
Wolken stellen eine bekannte Quelle von Unsicherheiten in GCMs dar, da sie zu Strahlungsverzerrungen führen. Eine weitere mögliche Quelle von Strahlungsunsicherheit ist jedoch Niederschlag.
Im Prinzip beeinflussen Niederschlagspartikel die Strahlungswirkung, indem sie eingehende kurzwellige und ausgehende langwellige Strahlung stören. Die meisten herkömmlichen GCMs im Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) behandeln Niederschläge jedoch diagnostisch und schließen die Strahlungseffekte von Niederschlägen (REP) aus. Die Ermittlung des Ausmaßes von REP in Klimamodellen ist aufgrund der komplizierten Rückkopplung zwischen Atmosphäre und Ozean und der Variabilität mehrerer Modelle eine Herausforderung.
Zu diesem Zweck wurde eine neue Studie veröffentlicht In npj Klima- und Atmosphärenwissenschaften am 19. Juni 2024 wurde unter der Leitung von Associate Professor Takuro Michibata von der Universität Okayama der Einfluss von REP auf die Strahlungsantriebskraft auf verschiedenen geografischen Skalen untersucht.
Dr. Michibata verwendete drei Unterversionen des japanischen GCM MIROC6, die unterschiedliche Niederschlags- und Strahlungsberechnungsverfahren beinhalteten. Diese Unterversionen umfassten diagnostischen Niederschlag ohne REP (DIAG), prognostischen Niederschlag ohne REP (PROG REP-OFF) und prognostischen Niederschlag mit REP (PROG REP-ON), um den Einfluss von Niederschlagspartikeln auf die Strahlungsbilanz und die Wasserkreisläufe sowohl auf globaler als auch auf regionaler Ebene zu quantifizieren.
„Zusätzlich zur Modifizierung des MIROC6-Modells haben wir auch 34 Klimamodelle aus dem CMIP6-Datenarchiv verwendet, um den Einfluss des REP auf die saisonalen Schwankungen der arktischen Verstärkung besser zu verstehen. So haben wir mithilfe von Simulationsreihen und zahlreichen Satellitenbeobachtungen die Bedeutung des REP für den globalen und regionalen Wasserkreislauf und den Energiehaushalt systematisch dokumentiert“, erklärt Dr. Michibata.
Die Studie ergab, dass REP nicht nur das lokale thermodynamische Profil beeinflusst, sondern auch die Niederschlagsrate und -verteilung in der Ferne, indem es die atmosphärische Zirkulation verändert. Aufgrund der Niederschlagspartikel in der Atmosphäre kommt es zu einer kollektiven Verringerung der Netto-Kurzwellenstrahlung („Parasoleffekt“).
Gleichzeitig ist die Umkehrung der Netto-Langwellenstrahlung zu beobachten („Erwärmungseffekt“), insbesondere in der Arktis. Laut PROG REP-ON führt dies zu einer Abschwächung der Strahlungskühlung in der Atmosphäre und damit zu einer Verlangsamung des Wasserkreislaufs auf globaler Ebene.
Die Erwärmung der Erdoberfläche ist in den Polarregionen stärker ausgeprägt. Dort ist die Oberflächentemperatur im Winter im Vergleich zur Simulation ohne REP deutlich um durchschnittlich mehr als 1 K gestiegen. Dieser Temperaturanstieg ist mehr als doppelt so groß wie die Erwärmung im Sommer.
Die Studie betont im Wesentlichen das Ausmaß der Oberflächenerwärmung in PROG REP-ON, die im Winter stärker ist als im Sommer. Dies wurde weiter mit den 34 CMIP6-Modellen verifiziert, die auch systematische Variationen der arktischen Verstärkung zeigten, wenn REP berücksichtigt wurde.
Im Gegensatz dazu erwiesen sich die Temperaturschwankungen in tropischen und subtropischen Regionen als relativ gering. Tatsächlich zeigte die dreidimensionale Strahlungsbilanzanalyse, dass Niederschlagsänderungen in den Tropen die Hauptwirkung von REP waren, im Gegensatz zu den signifikanten Temperaturänderungen in den Polarregionen.
Diese Ergebnisse zeigen, dass REP einen erheblichen Einfluss auf die Strahlungsbilanz und den Wasserkreislauf sowohl auf globaler als auch auf regionaler Ebene hat, was wertvolle Informationen über den Einflussmechanismus von REP auf Temperatur- und Niederschlagsänderungen liefern kann. Darüber hinaus bedeutet dies, dass die Einbeziehung von REP in GCMs Niederschlags- und Temperaturverzerrungen in Klimamodellen verbessern und somit die Genauigkeit dieser Klimasimulationen gegenüber Beobachtungsdaten verbessern könnte.
„Aktuelle Klimamodelle sind noch immer mit großen Unsicherheiten behaftet, insbesondere bei der Simulation des arktischen Klimas. Angesichts der Tatsache, dass das arktische Klima eng mit der Meteorologie und dem Wetter in den mittleren Breiten verknüpft ist, wird diese Studie zur Verbesserung der Klimamodelle beitragen, um den zukünftigen Klimawandel und das Auftreten von Extremwetterereignissen genauer vorhersagen zu können.
„Darüber hinaus wird das prozessbezogene Verständnis des REP für andere Modellierungsgruppen bei der zukünftigen Modellentwicklung von Nutzen sein“, schließt Dr. Michibata.
Mehr Informationen:
Takuro Michibata, Strahlungseffekte von Niederschlägen auf den globalen Energiehaushalt und die arktische Verstärkung, npj Klima- und Atmosphärenwissenschaften (2024). DOI: 10.1038/s41612-024-00684-4