Description: We developed a new version of the Alfred Wegener Institute Climate Model (AWI-CM3), which has higher skills in representing the observed climatology and better computational efficiency than its predecessors. Its ocean component FESOM2 (Finite-volumE Sea ice-Ocean Model) has the multi-resolution functionality typical of unstructured-mesh models while still featuring a scalability and efficiency similar to regular-grid models. The atmospheric component OpenIFS (CY43R3) enables the use of the latest developments in the numerical-weather-prediction community in climate sciences. In this paper we describe the coupling of the model components and evaluate the model performance on a variable-resolution (25-125 km) ocean mesh and a 61 km atmosphere grid, which serves as a reference and starting point for other ongoing research activities with AWI-CM3. This includes the exploration of high and variable resolution and the development of a full Earth system model as well as the creation of a new sea ice prediction system. At this early development stage and with the given coarse to medium resolutions, the model already features above-CMIP6-average skills (where CMIP6 denotes Coupled Model Intercomparison Project phase 6) in representing the climatology and competitive model throughput. Finally we identify remaining biases and suggest further improvements to be made to the model.

Description: Various observational estimates indicate growing mass loss at Antarctica's margins but also heavier precipitation across the continent. In the future, heavier precipitation fallen on Antarctica will counteract any stronger iceberg discharge and increased basal melting of floating ice shelves driven by a warming ocean. Here, we use from nine CMIP5 models future projections, ranging from strong mitigation efforts to business-as-usual, to run an ensemble of ice-sheet simulations. We test, how the precipitation boundary condition determines Antarctica's sea-level contribution. The spatial and temporal varying climate forcings drive ice-sheet simulations. Hence, our ensemble inherits all spatial and temporal climate patterns, which is in contrast to a spatial mean forcing. Regardless of the applied boundary condition and forcing, some areas will lose ice in the future, such as the glaciers from the West Antarctic Ice Sheet draining into the Amundsen Sea. In general the simulated ice-sheet thickness grows in a broad marginal strip, where incoming storms deliver topographically controlled precipitation. This strip shows the largest ice thickness differences between the applied precipitation boundary conditions too. On average Antarctica's ice mass shrinks for all future scenarios if the precipitation is scaled by the spatial temperature anomalies coming from the CMIP5 models. In this approach, we use the relative precipitation increment per degree warming as invariant scaling constant. In contrast, Antarctica gains mass in our simulations if we apply the simulated precipitation anomalies of the CMIP5 models directly. Here, the scaling factors show a distinct spatial pattern across Antarctica. Furthermore, the diagnosed mean scaling across all considered climate forcings is larger than the values deduced from ice cores. In general, the scaling is higher across the East Antarctic Ice Sheet, lower across the West Antarctic Ice Sheet, and lowest around the Siple Coast. The latter is located on the east side of the Ross Ice Shelf.

Description: Das Finite Element Sea ice Ocean Model FESOM ist mit dem atmosphärischen Zirkulationsmodell ECHAM gekoppelt worden. Durch das unstrukturierte Gitter des Ozeanmodells ist es möglich, das Gitter des Ozeanmodells sehr variabel zu gestalten, um Schlüsselregionen oder Regionen von besonderem Interesse in hoher Auflösung zu simulieren, während andere Regionen niedriger aufgelöst bleiben. In unseren Sensitivitätsstudien nutzen wir verschieden hohe Auflösungen in der Arktis und in den nördlichen mittleren Breiten. Kombiniert mit variierten Modellparametern in der Atmosphäre und im Ozean wie z.B. Treibhausgaskonzentrationen, Schwerewellenwiderstand und Meereisalbedo erreicht das gekoppelte System zwei unterschiedliche Zustände, einen mit stark ausgeprägter atlantischer meridionaler Umwälzzirkulation und deutlichem Irminger-Strom und einen mit schwach ausgeprägter atlantischer meridionaler Umwälzzirkulation und schwachem Irminger-Strom. Im ersten Zustand beträgt die Stärke der atlantischen meridionalen Umwälzzirkulation zwischen 20 und 25 Sverdrup während der zweite Zustand zeitweise nur zwischen 5 und 10 Sverdrup aufweist. Die Beobachtungen liegen mit durchschnittlich 18 Sverdrup dazwischen. Um physikalische Ursachen für diese Unterschiede feststellen zu können, werden verschiedene Zeitpunkte der Simulation mit stark ausgeprägter atlantischer meridionaler Umwälzzirkulation ausgewählt. Der Zustand des Ozeans und der Atmosphäre an diesen ausgewählten Zeitpunkten wird verwendet, um Modellsimulationen mit der Modellversion, mit der eine schwach ausgeprägte atlantische meridionale Umwälzzirkulation simuliert wird, zu initialisieren. Anschließend wird die mittlere Abweichung der auf diese Weise initialisierten Modellsimulationen von der Stammsimulation nach Tagen, Wochen, Monaten und Jahren analysiert, um festzustellen, in welchen Gebieten sich die ersten Unterschiede einstellen und wie sich diese ausbreiten. Dies wird anschließend wiederholt, indem in weiteren Simulationen sukzessive die einzelnen Unterschiede zwischen den Modellversionen zugeschaltet werden, um herauszufinden, welche Modelländerung den größten Einfluss hat.

Description: In den letzten Jahren sind wiederholt extrem niedrige Meereisausdehnungen in der Arktis beobachtet worden. Daher ist es wichtig, mögliche Einflüsse stark reduzierter arktischer Meereisausdehnungen auf das globale Zirkulationssystem zu studieren. Im Mittelpunkt dieser Studie steht der Einfluss auf das Klima der nördlichen mittleren Breiten. Dazu sind hoch aufgelöste, idealisierte Simulationen mit der atmosphärischen Komponente des globalen Klimamodells ECEarth mit reduzierter und entfernter arktischer Meereisbedeckung sowie erhöhter Oberflächentemperatur durchgeführt worden. Diese sind mit voll gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Meereis- Simulationen für 1850-2100 mit ansteigenden Treibhausgas- und veränderlichen Aerosolkonzentrationen verglichen worden, um Einflussfaktoren der Arktis von komplizierten Rückkopplungsmechanismen des globalen Klimasystems zu separieren. Die gekoppelten Simulationen sind für das CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project 5) durchgeführt worden. In den idealisierten Experimenten wird eine deutliche Erwärmung der arktischen Meereis- /Meeresoberfläche im Winter, Frühling und Herbst um bis zu 21 °C im Winter im Experiment mit entfernter Meereisbedeckung vorgeschrieben, während die Meeresoberflächentemperatur in den anderen Regionen unverändert bleibt. In den gekoppelten Experimenten wird für die Arktis eine deutliche Erwärmung der Arktis simuliert, die insbesondere in der Barents-See ebenfalls bis zu 21 °C im Winter im extremen RCP 8.5 Szenario erreicht. Da sich die Erwärmung in den gekoppelten Experimenten nicht auf die Arktis beschränkt, obwohl sie durch den Eis-Albedo- Rückkopplungsmechanismus in der Arktis stärker als in anderen Gebieten ist, wird der meridionale Temperaturgradient zwischen der Arktis und den mittleren Breiten nur ein wenig abgeschwächt, während dies in den idealisierten Experimenten sehr deutlich der Fall ist. Gemeinsam zwischen den idealisierten und gekoppelten Experimenten sind stärker aufwärts gerichtete turbulente Wärmeflüsse, mehr Niederschlag, geringerer Bodenluftdruck und höheres 500 hPa-Geopotential in der zentralen Arktis. Unterschiedlich ist die Bewölkung über der Arktis, die in den idealisierten Experimenten im allgemeinen abnimmt, während sie in den gekoppelten Experimenten zunimmt. Außerdem unterscheiden sich die idealisierten und gekoppelten Experimente in den nördlichen mittleren Breiten. In den idealisierten Experimenten nimmt der Niederschlag im Winter in den nördlichen mittleren Breiten ab, während er in den gekoppelten Experimenten mit Ausnahme von kleinräumigen Gebieten um Grönland und Island zunimmt. Ferner schwächt sich der mittlere westliche Wind in den idealisierten Experimenten über Nordwest- und Mitteleuropa im Winter deutlich ab, was in den gekoppelten Experimenten nicht der Fall ist. Wegen der deutlichen Erwärmung in der oberen Troposphäre in den Tropen und des somit stärkeren meridionalen Temperaturgradienten nimmt der Strahlstrom in den gekoppelten Experimenten zu, während er in den idealisierten Experimenten wegen des schwächeren meridionalen Temperaturgradienten abnimmt. Die große Unsicherheit in der zukünftigen Entwicklung arktischer Bewölkung bewirkt eine große Unsicherheit im Energiehaushalt der Arktis und somit in der Geschwindigkeit der zukünftigen Abnahme der arktischen Meereisausdehnung, was auch Konsequenzen für das Klima der mittleren Breiten haben kann.