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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-72533
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7253/


Impact of Consistency between the Climate Model and its Initial Conditions on Decadal Climate Prediction

Einfluss der dynamischer Konsistenz der Anfangsbedingungen mit dem Klimamodell auf die prädiktive Fähigkeit der Klimavorhersagen auf dekadischen Zeitskalen

Liu, Xueyuan

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Freie Schlagwörter (Englisch): decadal prediction , initialization , El Niño , momentum balance , equatorial Pacific
Basisklassifikation: 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Stammer, Detlef (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.01.2015
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 26.03.2015
Kurzfassung auf Englisch: In my thesis I investigated the influence of dynamical consistency of initial conditions with the model used to perform forecasts starting from this initial condition, on the predictive skill of climate predictions on decadal time scales. The investigation builds on the coupled global model “Coupled GCM for Earth Simulator” (CFES) developed by Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC). It is initialized in the ocean using a full state initialization strategy with two different initial fields: (1) oceanic initial conditions obtained through the same CFES coupled model using a 4-DVAR assimilation scheme (CDA: Coupled Data Assimilation) as provided by JAMSTEC; and (2) interpolated oceanic initial conditions obtained from the ocean-only GECCO2 Synthesis, while in the atmosphere initialized with bulk parameters controlling air-sea fluxes assimilated through CFES. Estimations on the performances of two differently initialized forecasts, i.e. CDA initialized hindcasts (CIH) and GECCO2 initialized hindcasts (GIH) through anomaly correlation coefficient (ACC) reveals that the forecast skill is better in the former than latter, with the most significant improvement of skill observed at the first lead year. For this specific model, improvements in SST predictive skill are especially obvious over the tropical Pacific, suggesting that the dynamical consistency of initial conditions can indeed improve the predictive skill of climate predictions at least in the first lead year. For longer lead times of 4-yr averages, a large decrease of SST predictive skill is observed almost everywhere for both CIH and GIH. This holds especially over the North Atlantic (NA) where previous studies indicate that predictive skill of SST is associated with the predictability of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), with the latter leading the former several years. Our results indicate that significant predictive skill in terms of AMOC is obtained at the first lead year for both CIH and GIH. However, significant AMOC predictive skill in the subpolar region of North Atlantic is observed at lead yr 2-5 in CIH, but not in GIH. The poor predictive skill of NA SST is consistent with poor predictability of AMOC in our solutions.
To investigate to what extent the reduced predictive skill in the North Atlantic in our solution may result from relatively short hindcast runs, the performances of CIH and GIH are also evaluated against previous results from the Mittelfristige Klimaprognosen (MiKlip hereafter) project with Max-Planck-Institute Earth System Model (MPI-ESM), which are initialized with assimilated data through nudging MPI-ESM towards GECCO2. The comparison reveals that the MiKlip hindcasts of 1980-2006 outperforms GIH, while its performance is compatible with that of CIH. Comparison bwteen the performances of MiKlip hindcasts of 1980-2006 and that of 1961-2009 shows that a larger number of initialization dates reduces the threshold of significance level of predictive skill, due to larger verification period.
Looking into processes that lead to improved predictive skill in the tropical Pacific, the significant, and high SST predictive skill over the tropical Pacific in CIH indicates a good reproduction of El Niño events at lead year one. In contrast, GIH produces additional erroneous El Niño events, which may contribute to the poor predictive skill of SST over the tropical Pacific. During balanced states, a zonal momentum balance between the wind stress and pressure gradient force of the upper equatorial Pacific exists. GIH is initialized with interpolated GECCO2 ocean estimations and atmospheric conditions that result from the same coupled model as the model used in the forecasts. The differences between the initialized ocean and atmosphere modes cause incompatibilities to the coupled model, and lead to imbalance between the zonal wind stress and pressure gradient force over the equatorial Pacific. The reduced predictive skill of GIH in the Pacific equatorial region is therefore found to mainly related to dynamical imbalance between zonal wind stress and pressure gradient over the central Pacific. These imbalances in the central Pacific subsequently propagate eastwards as Kelvin waves. Further imbalance may result from the differences in topography between GECCO2 and the model system, and perturbations may give rise to propagating waves. Jointly, these imbalances are highly likely to lead to additional pseudo El Niño events in GIH, as well as the poor predictive skill over the tropical Pacific. Our results underpin the requirement of a momentum balance between zonal wind stress and pressure gradient force along the equatorial Pacific when initializing the model from any oceanic state. Initializing a coupled model with self-consistent initial conditions therefore improves the skill of decadal climate prediction in the tropical Pacific.
Kurzfassung auf Deutsch: In meiner Diplomarbeit habe ich den Einfluss, auf die prädiktive Fähigkeit der Klimavorhersagen auf dekadischen Zeitskalen, dynamischer Konsistenz der Anfangsbedingungen mit dem verwendet werden, um tatsächlich Prognosen des gekoppelten Klimasystems ausgehend von diesem Anfangszustand durchzuführen Modell. Die Untersuchung basiert auf der vollständig gekoppelten globalen Modell "Coupled GCM für Earth Simulator" (CFES) von Japan Agency for Marine Earth Science and Technology (JAMSTEC), die in den Ozean mit einem vollen Zustand Initialisierung Strategie mit zwei verschiedenen initialisiert wird entwickelt Anfangsfelder: (1) ozeanischen durch die gleiche CFES gekoppelt Modell mit einem 4-DBVARIANZ Assimilationsschema erhalten Anfangsbedingungen (CDA: gekoppelt Datenassimilation), wie von JAMSTEC vorgesehen ist; und (2) interpoliert ozeanischen vom Meer nur GECCO2 Synthese erhalten Anfangsbedingungen sowie Groß Parameter, die Luft und Meer Flüsse durch CFES als atmosphärischen Anfangsbedingungen für beide assimiliert. Die räumliche Verteilung der ACC für SST zeigt, dass die Vorhersagegüte ist besser bei der Initialisierung des CFES Modell mit CDA Anfangsbedingungen nicht mit GECCO2, mit den meisten signifikante Verbesserung der Fähigkeiten in der ersten Leitung Jahr beobachtet. Aus diesem bestimmten Modell sind Verbesserungen in SST prädiktive Fähigkeit insbesondere über den tropischen Pacific offensichtlich, was darauf hindeutet, dass die dynamische Kohärenz von Anfangsbedingungen kann in der Tat die prädiktive Fähigkeit der Klimavorhersagen zumindest in der ersten Leitung Jahr verbessern. Für längere Laufzeiten von 4-Jahresdurchschnitte wird ein großer Rückgang von SST prädiktiven Fähigkeiten fast überall sowohl für CIH und GIH beobachtet. Dies gilt vor allem über dem Nordatlantik (NA), wo frühere Studien zeigen, dass vorausschauende Fähigkeiten des SST mit der Vorhersagbarkeit der Ozeanzirkulation im Atlantik (AMOC) verbunden sind, wobei letztere führt die ehemaligen mehreren Jahren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass signifikante prädiktive Fähigkeiten in Bezug auf AMOC an der ersten Führung Jahr sowohl für CIH und GIH erhalten, während bei längeren Liefer Jahren schlechte Vorhersagemann subpolaren Region Nordatlantik beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Armen prädiktive Fähigkeit des NA SST ist teilweise auf schlechte Vorhersagbarkeit AMOC in unsere Lösungen.

Die Leistungen der CIH und GIH auch gegen frühere Ergebnisse aus dem Projekt Mittelfristige Klimaprognosen (MiKlip unten) mit Max-Planck-Institut Erdsystemmodells (MPI-ESM), der mit assimilierten Daten durch Antippen MPI-ESM gegen GECCO2 initialisiert werden ausgewertet. Der Vergleich zeigt, dass die MiKlip hindcasts von 1980-2006 übertrifft GIH, während seine Leistung mit der des CIH-kompatibel. Weitere Erkenntnisse bei jedem Startdatum ergeben sich Vorhersagen Geschick durch die Verwendung von Ensemble bedeuten, anstatt individuelle Umsetzung.

Die deutliche und hoch SST prädiktiven Fähigkeiten über den tropischen Pazifik in CIH zeigt eine gute Wiedergabe von El-Niño-Ereignissen an Blei Jahr ein. Im Gegensatz dazu produziert GIH weitere fehlerhafte El-Niño-Ereignisse, die für die Armen prädiktive Fähigkeit der SST über den tropischen Pazifik beitragen können. Während ausgewogene Staaten besteht eine zonale Impulsbilanz zwischen Wind Stress und Druckgradientkraft der oberen äquatorialen Pazifik. GIH mit interpolierten GECCO2 Ozean Schätzungen und atmosphärischen Bedingungen, die von derselben gekoppelt Modell als in den Prognosen verwendete Modell führen initialisiert. Die Unterschiede zwischen den initialisiert Ozean und Atmosphäre Modi Inkompatibilitäten mit dem gekoppelten Modell, und führen zu Ungleichgewicht zwischen der zonalen Wind Stress und Druckgradientkraft über den äquatorialen Pazifik. Die reduzierte prädiktive Fähigkeit des GIH im Pazifik Äquatorregion wird daher festgestellt, dass vor allem auf dynamische Ungleichgewicht zwischen Zonalwind Stress und Druckgefälle über dem zentralen Pazifischen zusammen. Diese Ungleichgewichte in der zentralen Pazifik anschließend nach Osten ausbreiten als Kelvin-Wellen. Weitere Ungleichgewicht kann sich aus den Unterschieden in der Topographie zwischen GECCO2 und des Modellsystems zur Folge haben, und Störungen können zu ausbreitende Wellen geben. Gemeinsam sind diese Ungleichgewichte sehr wahrscheinlich zusätzliche Pseudo El-Niño-Ereignisse in GIH sowie die Armen prädiktiven Fähigkeiten über den tropischen Pazifik führen. Unsere Ergebnisse untermauern die Forderung nach einer Impulsbilanz zwischen Zonalwind Stress und Druckgradientkraft entlang der äquatorialen Pazifik bei der Initialisierung des Modells von jedem ozeanischen Staat. Initialisieren einer gekoppelten Modell mit selbstkonsistenten Ausgangsbedingungen verbessert daher die Fähigkeit des dekadischen Klimavorhersage im tropischen Pazifik.

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