D7 Reanalyse und integrierte Produkte

Thema

Die Klimareanalyse ist eine retrospektive Rekonstruktion des Klimasystems, die historische Boden- und Satellitenbeobachtungen mit numerischen Modellen unter Verwendung von Datenassimilationsverfahren kombiniert. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales, zeitlich kontinuierliches Feld von Variablen wie Temperatur, Wind, Luftfeuchtigkeit und Druck, dargestellt auf einem regelmäßigen Gitter. Die Reanalyse liefert somit Werte für jeden Punkt und Zeitpunkt innerhalb ihres Abdeckungsbereichs, selbst dort, wo keine direkten Beobachtungen vorlagen.

Die aktuelle Referenz-Atmosphärenreanalyse erstreckt sich von 1940 bis heute und weist eine horizontale Auflösung von etwa 31 Kilometern sowie 137 vertikale Schichten auf, die über die gesamte Atmosphärensäule verteilt sind. Unabhängige Reanalysen mit vergleichbaren Eigenschaften wurden auch von anderen Institutionen entwickelt. Die Verfügbarkeit mehrerer Produkte ermöglicht den Vergleich ihrer Rekonstruktionen: Regionen oder Zeiträume mit größeren Unterschieden weisen auf eine größere Unsicherheit hinsichtlich des rekonstruierten Klimazustands hin.

Die Ozeanreanalyse wendet dasselbe Prinzip auf den Ozean an. Sie kombiniert numerische Modelle mit verfügbaren Beobachtungen, darunter Temperatur- und Salzgehaltsprofile, die von autonomen Unterwasserbojen und ozeanographischen Forschungsfahrten gewonnen wurden. Diese Integration führt zu einer kontinuierlichen, dreidimensionalen Darstellung von Temperatur, Salzgehalt und Strömungen, die auch Regionen ohne direkte Messungen umfasst.

Die grundlegende Technik zur Erstellung dieser Produkte ist die Datenassimilation. In jedem Schritt wird die vom Modell gelieferte Vorhersage (Hintergrund) mit den verfügbaren Beobachtungen kombiniert, um eine verbesserte Schätzung des Systemzustands (Analyse) zu erhalten. Moderne Methoden zielen darauf ab, beide Informationsquellen unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Unsicherheiten auszubalancieren.

Eine der wichtigsten Techniken ist die vierdimensionale Variationsassimilation. Diese minimiert eine Kostenfunktion, die sowohl die Differenz zwischen Analyse und Hintergrundzustand als auch die Differenz zwischen Analyse und Beobachtungen bestraft. Darüber hinaus erfordert sie, dass die resultierende Entwicklung über den gesamten betrachteten Zeitraum mit den Modellgleichungen kompatibel ist. Auf diese Weise führt eine einzelne, unzuverlässige Beobachtung nicht dazu, dass die Analyse übermäßig vom Modellzustand abweicht: Die Gewichtung jedes Datenpunkts hängt von seiner Zuverlässigkeit ab. Neben Reanalysen gibt es integrierte Niederschlagsprodukte, die eine ähnliche Logik der Datenkombination verwenden. Diese Produkte vereinen Satellitenmessungen mittels Radar und passiven Mikrowellenradiometern mit Aufzeichnungen von Bodenniederschlagsmessern. Satelliten bieten eine umfassende räumliche Abdeckung, während Regenmesser präzise Punktmessungen ermöglichen. Die Fusionsalgorithmen nutzen beide Vorteile, um globale Niederschlagsschätzungen mit Frequenzen bis zu einer halben Stunde und räumlichen Auflösungen im Bereich von einem Zehntel Grad zu erzeugen – Eigenschaften, die keine der beiden Quellen allein liefern könnte.

Ein weiteres integriertes Produkt ist die Datenbank für extreme Klimaindizes. Diese verwendet vorhomogenisierte tägliche Beobachtungen, um standardisierte Indikatoren wie Temperaturperzentile, Anzahl der Frosttage, Dauer von Hitzewellen und Niederschlagsmaxima zu berechnen. Die Vorhomogenisierung dient dazu, vergleichbare Zeitreihen zu generieren, bevor diese zur Charakterisierung von Klimawandel und Extremereignissen verwendet werden. Atmosphärische und ozeanische Reanalysen, integrierte Niederschlagsprodukte und Datenbanken für extreme Klimaindizes transformieren gemeinsam verstreute, unvollständige Beobachtungen verschiedener Instrumente in kohärente Darstellungen des Klimasystems. Reanalysen nutzen Modellierung und Assimilation, um kontinuierliche Felder zu rekonstruieren; Niederschlagsprodukte vereinen Satelliten- und Bodenmessdaten. Indexdatenbanken verarbeiten homogenisierte Zeitreihen, um Extremwerte zu beschreiben. Ihre gemeinsame Funktion besteht darin, ein räumlich und zeitlich vollständiges und konsistentes Bild des Klimas zu liefern, das keine einzelne Beobachtung bieten könnte.

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