Paläoklima-Modellierungen für das Obermiozän : Reaktionen des General Circulation Model ECHAM 3 auf systematische Veränderungen von Orographie und SST

Abstract

Mit Klimamodellen werden gemeinhin das rezente Klimasystem sowie zukünftige Klimaveränderungen untersucht. Diese Modelle können aber auch auf Klimate vergangener Abschnitte der Erdgeschichte angewandt werden. Experimente zum Paläo-Klima ermöglichen neben der Modellierung des Klimas Untersuchungen zur Konsistenz der mit verschiedenen Methoden und Ansätzen gewonnenen Proxydaten. Auch können Verlässlichkeit und Aussagekraft des Klimamodelles selbst einer Prüfung unterzogen werden. Mangels eines umfassenden Verständnisses der komplexen Prozesse im Klimasystem enthalten Modelle notwendig Unsicherheiten, die stets beschränkten Rechnerkapazitäten zwingen den Modellierer zu Vereinfachungen durch Parameterisierung von Prozessen. Wegen der Komplexität der kausalen Zusammenhänge wird die Interpretation der erzeugten Daten umso schwieriger, je weiter sich das Modell vom optimierten rezenten Zustand entfernt.

In dieser Arbeit wird insbesondere die sukzessive Anpassung der Modell-Orographie des Atmosphärenmodelles (AGCM) ECHAM 3 an die Situation im Torton untersucht. In den globalen Simulationen zum Oberen Miozän sind die Alpen, Himalaya und Tibet gegenüber heute abgesenkt, Grönland ist eisfrei. Der Nordatlantik erhält damit einen zyklonaleren Charakter, verbunden mit einem Anstieg der Wintertemperaturen in Europa und verstärktem Luftmassentransport im Atlantik nach Norden. Der asiatische Wintermonsun wird verstärkt, der Sommermonsun geschwächt.

In weiteren Experimenten werden ergänzend zur Orographie die Meeresoberflächentemperaturen (SST) modifiziert. Da nur wenige Isotopendaten für deren globale Rekonstruktion im Oberen Miozän vorliegen, werden zwei hypothetische Szenarien für das Torton angenommen mit vorgeschriebenen SST in einem statischen Ozean. Die SST haben global eine weitaus stärkere Wirkung auf das Klima als die Veränderungen an der Orographie. Die Saisonalität auf den Kontinenten folgt verstärkt den Anomalien der SST. Der geschwächte meridionale Gradient der SST hat eine schwächende Wirkung auf die Oberflächenwinde. Mit dem Szenario `Kalte Tropen' sind Passate und Monsune schwach, die Niederschläge in den Tropen und den gemäßigten Breiten sowie global reduziert, in den Polargebieten und den Wendekreiswüsten erhöht. Im Szenario `Warme Tropen' erhalten die Polargebiete erhöhte Wärme und Niederschlag.

Unter Verwendung der besser mit den Landdaten harmonierenden SST wird eine Studie für die Messinkrise des Europäischen Mittelmeeres modelliert unter Einbeziehung der Paratethys und des Anstieges von Himalaya und Hochland von Tibet auf rezente Höhe. Eurasien wird großflächig um etwa zwei Grad kälter, auch trockener. In Afrika fällt weniger Niederschlag. Der asiatische Monsun wird stärker beeinflusst als durch die Modifikationen an den SST; der Wintermonsun wird geschwächt, der Sommermonsun gestärkt. Der afrikanische Monsun bleibt unverändert.

Climate models are commonly used to analyse the present-day climate system and future climate change. However, these models also can be applied to climate situations of earth history. In addition to the simulation of palaeoclimates, this allows to investigate the consistency of proxy data, which are obtained using various methods and including different assumptions. Also reliability and explanatory power of the climate model itself can be tested. As all the highly complex processes in the climate system are not yet entirely understood, models necessarily include uncertainties. The limited computer capacities force modellers to simplify certain processes by parameterisation. Due to the complexity of the causal dependencies more difficulties are encountered in interpreting the data the more the model is different from the present-day state.

In this work, special emphasis is placed on the successive adjustment of the orography of the atmospheric general circulation model (AGCM) ECHAM 3 to the Tortonian. The global Late Miocene simulations are performed with a lower elevation of the Alps and the Himalayas as compared to today, and an ice-free Greenland. The North Atlantic becomes more cyclonic in character, winter temperatures in Europe rise, the northward shift of air masses over the Atlantic is enhanced.

For further experiments in addition to the orography, the sea surface temperatures (SST) are modified. Since there are only few isotope data available for a global reconstruction, two hypothetical Tortonian SST scenarios are developed using a static ocean. Globally, the SST cause by far stronger effects on climate than the orographic modifications. The seasonality on the continents reflects and amplifies the anomalities of the SST. The weakened meridional gradient significantly weakens the surface winds. With the scenario `cold tropics', trade-winds and monsoonal winds are weak, precipitation is reduced within the tropics, the temperate latitudes, and in the global mean. Precipitation is enhanced in the polar areas and the trade-wind deserts. With `warm tropics', the polar regions are significantly warmer and obtain more precipitation than today.

Based on the Tortonian SST-scenario which fits best with terrestrial proxy data, finally the Messinian Salinity Crises is modelled, including the Paratethys. The Himalaya mountains and the Tibetan Highlands are set to their present elevation. Major parts of Eurasia become dryer and colder by two degrees centigrade; Africa becomes dryer. With these modifications the Asian monsoon is influenced more than by the modifications to the SST, the winter-monsoon is weakened, the summer-monsoon strengthened. The African monsoon remains unchanged.