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Abstract

Gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Zirkulationsmodelle werden zur Untersuchung von Klimavariabilität und Klimaänderungen eingesetzt. Nachteil dieser Modelle ist deren großer Bedarf an
Rechenzeit. Bei den meisten gekoppelten Zirkulationsmodellen werden Atmosphäre und Ozean
quasi-simultan über die volle Simulationsdauer integriert (synchrone Kopplung). Asynchrone
und periodisch-synchrone Kopplungsverfahren ermöglichen eine Reduzierung der Rechenzeit
des gekoppelten Modells, denn bei beiden Verfahren wird die Atmosphäre über eine kürzere
Zeit simuliert als der Ozean. Bei der asynchronen Kopplung wechseln sich kurze Simulationen
der Atmosphäre mit langen Ozeansimulationen ab. Die periodisch-synchrone Kopplung besteht
aus Phasen synchroner Kopplung und Phasen, in denen nur das Ozeanmodell integriert wird.
Um Einblick in die Eigenschaften der verschiedenen Kopplungsverfahren zu erhalten, wurde
ein einfaches nichtlineares Energiebilanzmodell benutzt. Bei der asynchronen Kopplung, die
hauptsächlich für Modelle ohne Jahresgang Verwendung findet, sind vor allem zwei Faktoren
für die Qualität der Ergebnisse verantwortlich. Einerseits muß den beiden Modellkomponenten
genügend Zeit gelassen werden, um sich an geänderte Randbedingungen anzupassen. Andererseits sollte ein möglichst häufiger Informationsaustausch zwischen beiden Komponenten stattfinden.
Für das einfache Modell mit Jahresgang wurde die periodisch-synchrone Kopplung verwendet.
Besonders große Abweichungen zum synchron gekoppelten Referenzexperiment treten auf,
wenn die synchronen Phasen und die reinen Ozeanphasen jedes oder jedes zweiteMal am gleichen Zeitpunkt des Jahreszyklus starten. Mit geschickter Wahl der Phasenlängen kann man ein
nur geringes Anwachsen der Abweichungen mit steigender Länge der reinen Ozeanphasen (d.h.
mit sinkendem Bedarf an Rechenzeit) erzielen.
Die bisher entwickelten asynchronen und periodisch-synchronen Verfahren versagen bei gekoppelten Modellen mit hoher Variabilität. Eine hohe Variabilität zeichnet aber viele gekoppelte Atmosphäre-Ozean-Zirkulationsmodelle aus. Mit Hilfe des einfachen Modells wurde deshalb
ein periodisch-synchrones Verfahren für Modelle mit hoher Variabilität entwickelt. Das Verfahren zeichnet sich gegenüber älteren Verfahren durch eine geänderte Bestimmung des Antriebs während der reinen Ozeanphasen aus. Hierzu werden gewichtete Jahresmittel der
Atmosphäre-Ozean-Flüsse benutzt.
Das mit Hilfe des einfachen Modells entwickelte Verfahren wurde auf ein gekoppeltes Atmosphäre-Ozean-Zirkalationsmodell mit hoher interner Variabilität (ECHAM3/LSG) angewendet. Die Längen der synchron gekoppelten Phasen und der Ozeanphasen wurden so gewählt,
daß das periodisch-synchron gekoppelte Modell nur 30Vo der Rechenzeit des synchron gekopelten Modells benötigt. Mit dem Modell ECHAM3/LSG wurden jeweils ein synchron und ein
periodisch-synchron gekoppeltes Experiment mit konstantem CO2-Gehalt der Atmosphäre und
mit einem transientem Anstieg des CO2-Gehalts bis zur COr-Verdoppelung nach 60 Jahren
durchgeführt. Für die Folgezeit bleibt der COr-Gehalt konstant. Im ersten Fall wurden jeweils
25O Jahre und im zweiten Fall 150 Jahre simuliert.
In beiden Fällen zeigen sich gute Übereinstimmungen zwischen den synchron und den periodisch-synchron gekoppelten Experimenten. Bis auf ein Gebiet im Südlichen Ozean bleiben die
Unterschiede der mittleren Felder im Bereich der Variabilität des jeweiligen synchron gekoppelten Laufs. Die interannuale Variabilität des periodisch-synchron gekoppelten Modells weist
aufgrund der zeitweisen Abschaltung der Atmosphäre Abweichungen zum synchron gekoppel-
ten Modell auf.
Das periodisch-synchron gekoppelte Klimaänderungsexperiment wurde bis auf 500 Jahre ausgedehnt, um die Klimaäinderung auf längeren Zeitskalen zu untersuchen. Nach 500 Jahren treten im tiefem Ozean noch starke Anderungen auf, obwohl die COr-Konzentration seit 440
Jahren konstant ist. Oberer Ozeanund Atmosphäre zeigennur noch eine schwache Klimaänderung. Der Meeresspiegelanstieg durch thermische Expansion beträgt in den letzten 100 Jahren
noch 10 cm. Die nordatlantische Zirkulation zeigt in den ersten 100 Jahren eine deutliche Abschwächung und in der Folgezeit eine langsame Erholung. Diese Ergebnisse des periodischsynchron gekoppelten Modells werden durch ein ähnliches Experiment mit einem anderen synchron gekoppelte n Zirkulationsmodell bestätigt.