On intrinsic uncertainties in earth system modelling [Elektronische Ressource] / von Brigitte Knopf

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

On Intrinsic Uncertainties
in Earth System Modelling
D I S S E R T A T I O N
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin Theoretische Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakulta¨t
der Universitat Potsdam¨
von
Brigitte Knopf
geboren am 28.08.1973 in Bonn
Potsdam, im Juni 2006Ignorance is a situation in which man may be enclosed
as narrowly as in a prison
Simone de Beauvoir (1908-86)
“Pour une morale de l’ambiguit´e”, 1947
Ignorance gives one a large range of probabilities
George Eliot (1819 - 1880)Abstract
Uncertainties are pervasive in the Earth System modelling. This is not just due to a lack of
knowledge about physical processes but has its seeds in intrinsic, i.e. inevitable and irreducible,
uncertainties concerning the process of modelling as well. Therefore, it is indispensable to quantify
uncertainty in order to determine, which are robust results under this inherent uncertainty. The
central goal of this thesis is to explore how uncertainties map on the properties of interest such
as phase space topology and qualitative dynamics of the system. We will address several types
of uncertainty and apply methods of dynamical systems theory on a trendsetting field of climate
research, i.e. the Indian monsoon.
For the systematic analysis concerning the different facets of uncertainty, a box model of the
Indian monsoon is investigated, which shows a saddle node bifurcation against those parameters
thatinfluencetheheatbudgetofthesystemandthatgoesalongwitharegimeshiftfromawettoa
dry summer monsoon. As some of these parameters are crucially influenced by anthropogenic per-
turbations,thequestioniswhethertheoccurrenceofthisbifurcationisrobustagainstuncertainties
in parameters and in the number of considered processes and secondly, whether the bifurcation can
be reached under climate change. Results indicate, for example, the robustness of the bifurcation
point against all considered parameter uncertainties. The possibility of reaching the critical point
under climate change seems rather improbable.
A novel method is applied for the analysis of the occurrence and the position of the bifur-
cation point in the monsoon model against parameter uncertainties. This method combines two
standard approaches: a bifurcation analysis with multi-parameter ensemble simulations. As a
model-independent and therefore universal procedure, this method allows investigating the uncer-
tainty referring to a bifurcation in a high dimensional parameter space in many other models.
With the monsoon model the uncertainty about the external influence of El Nin˜o / Southern
Oscillation (ENSO) is determined. There is evidence that ENSO influences the variability of
the Indian monsoon, but the underlying physical mechanism is discussed controversially. As a
contribution to the debate three different hypotheses are tested of how ENSO and the Indian
summer monsoon are linked. In this thesis the coupling through the trade winds is identified as
key in linking these two key climate constituents. On the basis of this physical mechanism the
observed monsoon rainfall data can be reproduced to a great extent. Moreover, this mechanism
can be identified in two general circulation models (GCMs) for the present day situation and for
future projections under climate change.
Furthermore, uncertainties in the process of coupling models are investigated, where the focus
is on a comparison of forced dynamics as opposed to fully coupled dynamics. The former describes
a particular type of coupling, where the dynamics from one sub-module is substituted by data.
Intrinsic uncertainties and constraints are identified that prevent the consistency of a forced model
withitsfullycoupledcounterpart. Qualitativediscrepanciesbetweenthetwomodellingapproaches
arehighlighted, whichleadtoanoverestimationofpredictabilityandproduceartificialpredictabil-
ity in the forced system. The results suggest that bistability and intermittent predictability, when
found in a forced model set-up, should always be cross-validated with alternative coupling designs
before being taken for granted.
All in this, this thesis contributes to the fundamental issue of dealing with uncertainties the
climate modelling community is confronted with. Although some uncertainties allow for including
them in the interpretation of the model results, intrinsic uncertainties could be identified, which
are inevitable within a certain modelling paradigm and are provoked by the specific modelling
approach.
vviZusammenfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht, auf welche Weise Unsicherheiten, wie sie in der integrierten
Klima-(folgen)forschung allgegenwartig sind, die Stabilitat und die Struktur dynamischer Systeme¨ ¨
beeinflussen. Im Rahmen der Erdsystemmodellierung wird der Unsicherheitsanalyse zunehmend
eine zentrale Bedeutung beigemessen. Einerseits k¨onnen mit ihrer Hilfe disziplinar¨ e Qualit¨ats-
standards verbessert werden, andererseits ergibt sich die Chance, im Zuge von“Integrated Assess-
ment”robuste entscheidungsrelevante Aussagen abzuleiten.
ZursystematischenUntersuchungverschiedenerArtenvonUnsicherheitwirdeinkonzeptionelles
¨Modell des Indischen Monsuns eingesetzt, das einen Ubergang von einem feuchten in ein trockenes
Regime aufgrund einer Sattel-Knoten-Bifurkation in Abhan¨ gigkeit derjenigen Parameter zeigt, die
die War¨ mebilanz des Systems beeinflussen. Da einige dieser Parameter anthropogenen Einflu¨ssen
und Veran¨ derungen unterworfen sind, werden zwei zentrale Punkte untersucht: zum einen, ob der
Bifurkationspunkt robust gegenu¨ber Unsicherheiten in Parametern und in Bezug auf die Anzahl
und die Art der im Modell implementierten Prozesse ist und zum anderen, ob durch anthropoge-
nen Einfluss der Bifurkationspunkt erreicht werden kann. Es zeigt sich unter anderem, dass das
Auftreten der Bifurkation uberaus robust, die Lage des Bifurkationspunktes im Phasenraum ist¨
hingegen sehr sensitiv gegenu¨ber Parameterunsicherheiten ist.
Fu¨rdieseUntersuchungwirdeineneuartigeMethodezurUntersuchungdesAuftretensundder
Lage einer Bifurkation gegenu¨ber Unsicherheiten im hochdimensionalen Parameterraum entwick-
elt, die auf der Kombination einer Bifurkationsanalyse mit einer multi parametrischen Ensemble
Simulation basiert.
Mit dem Monsunmodell wird des weiteren die Unsicherheit bezuglich des externen Einflusses¨
von El Nin˜o / Southern Oscillation (ENSO) untersucht. Es ist bekannt, dass durch ENSO die
Variabilit¨at des Indischen Monsun beeinflußt wird, wohingegen der zu Grunde liegende Mechanis-
mus kontrovers diskutiert wird. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Hypothesen zur Kop-
plung zwischen diesen beiden Phan¨ omenen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Passat
WindeeinenSchlusselmechanismusfurdenEinflußvonENSOaufdenIndischenMonsundarstellen.¨ ¨
Mit Hilfe dieses Mechanismus konnen die beobachteten Niederschlagsdaten des Monsuns zu einem¨
großen Anteil reproduziert werden. Zudem kann dieser Mechanismus kann auch in zwei globalen
Zirkulationsmodellen (GCMs) fu¨r den heutigen Zustand und fu¨r ein Emissionsszenario unter Kli-
mawandel identifiziert werden.
ImweiterenTeilderArbeitwerdenintrinsischeUnsicherheitenidentifiziert,diedenUnterschied
zwischen der Kopplung von Teilmodulen und dem Vorschreiben von einzelnen dieser Module durch
Daten betreffen. Untersucht werden dazu ein getriebenes GCM-Ensemble und ein konzeptionelles
Ozean-Atmospharen-Modell, daseinestrukturierteAnalyseanhandvonMethodenderTheoriedy-¨
namischer Systeme ermoglicht. In den meisten Fallen kann die getriebene Version, in der ein Teil¨ ¨
der Dynamik als externer Antrieb vorschrieben wird, das voll gekoppelte Pendant nachbilden. Es
wird gezeigt, dass es jedoch auch Regionen im Phasen- und Parameterraum gibt, in dem sich die
¨zwei Modellierungsansat¨ ze signifikant unterscheiden und unter anderem zu einer Uberschat¨ zung
der Vorhersagbarkeit und zu ku¨nstlichen Zustan¨ den im getriebenen System fu¨hren. Die Ergeb-
nisse legen den Schluss nahe, dass immer auch alternative Kopplungsmechanismen getestet werden
mussen bevor das getriebene System als adaquate Beschreibung des gekoppelten Gesamtsystems¨ ¨
betrachtet werden kann.
Anhand der verschiedenen Anwendungen der Unsicherheitsanalyse macht die Arbeit deutlich,
dass zum einen Unsicherheiten intrinsisch durch bestimmte Arten der Modellierung entstehen und
somit unvermeidbar innerhalb eines Modellierungsansatzes sind, dass es zum anderen aber auch
geeignete Methoden gibt, Unsicherheiten in die Modellierung und in die Bewertung von Modeller-
gebnissen einzubeziehen.
viiviiiContents
1 Introduction 1
1.1 Classification of uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Uncertainty in parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.2 Structural uncertainty in parameterisations . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Structural uncertainty of external forcings . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 Structural uncertainty of coupling models . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Motivation and outline of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Uncertainty analysis of a model of the In