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Abstract

In a chaotic system such as the Earth’s atmosphere, the differences between the members in an ensemble of global climate model simulations launched from different initial conditions initially grow in time until they reach the level of natural variability, indicating that member simulations become uncorrelated. In nested Regional Climate Models (RCMs), however, the growth of inter-member differences is quenched due to the control exerted by the lateral boundary conditions (LBCs), but it nevertheless exhibits episodes of large fluctuations. Earlier work has speculated that this puzzling behaviour may simply reflect remaining chaos allowed by the incomplete control exerted by LBC. In this work, two large ensembles of twenty simulations were performed over an Arctic domain with two different RCMs: the Canadian RCM (CRCM5) and the High-Resolution Limited-Area Model (HIRHAM5). The inter-member variability (IV) of each ensemble was methodically analysed in the framework of the potential temperature IV budget. The study reveals that, despite being simulated by models with entirely different formulation, the two ensembles exhibit nearly identical IV patterns and time evolution, and in both cases baroclinic processes trigger fluctuations of IV. These results confirm earlier speculations that IV in RCMs is not an artefact of specific model nesting technique, but rather a natural phenomenon arising from the chaotic nature of the atmosphere.

Wird mit einem globalen Klimamodell ein Ensemble mit unterschiedlichen Anfangsbedingungen generiert, dann führt dies aufgrund des chaotischen Verhaltens der Atmosphäre dazu, dass die Differenzen zwischen den Ensemblemitgliedern mit der Zeit anwachsen, bis ein Zustand entsprechend der natürlichen Variabilität erreicht ist. Dies führt zu Simulationen, die sich zueinander unkorreliert verhalten. In genesteten regionalen Klimamodellen (RCM) ist das Anwachsen der Variabilität zwischen den Ensemblemitgliedern aufgrund der äußeren Randbedingungen (LBC) gedämpft. Dennoch können Episoden mit starken Schwankungen der Variabilität zwischen den Ensemblemitgliedern auftreten. In früheren Studien wird die Vermutung geäußert, dass dieses rätselhafte Verhalten durch mangelhafte LBC und das damit zusammenhängende verbleibende Chaos initiiert wird. In dieser Arbeit werden zwei große Ensemble mit je 20 Ensemblemitgliedern über der Arktis mit zwei verschiedenen RCMs erzeugt: dem kanadischen RCM (CRCM5) und dem „High-Resolution Limited-Area Model“ (HIRHAM5). Für diese Ensemble wird die Variabilität zwischen den Ensemblemitgliedern (inter-member Variability; IV) mit Hilfe einer IV Budgetstudie für die potentielle Temperatur analysiert. Die Studie ergab, dass trotz der sehr unterschiedlichen Modellformulierungen die räumlichen Muster und die zeitliche Entwicklung der IV in beiden RCM Ensembles sehr ähnlich sind. Außerdem werden in beiden Fällen die Schwankungen der IV durch barokline Prozesse ausgelöst. Diese Ergebnisse bestätigen die früheren Vermutungen, dass die IV in RCMs nicht durch die Nestingmethode bedingt, sondern eher ein natürliches Phänomen ist, dessen Ursache in der chaotischen Natur der Atmosphäre liegt.