C2-WP3 - Multi-dekadische Variabilität – Downscaling und Hindcasts für das 20. Jahrhundert

Projektziele

Das Ziel dieses Arbeitspakets ist es bessere Abschätzung der Vorhersagegüte dekadischer Vorhersagen für Europa für einen breiteren Zeitraum von retrospektiven Vorhersagen („Hindcasts“) zu bekommen, basierend auf den den Ansätzen von Müller et al. (2014) aus dem MiKlip Projekt DROUGHTCLIP. Es wurden regionale Hindcast-Experimente mit COSMO-CLM, angetrieben durch Reanalysedaten des 20. Jahrhunderts als auch durch MPI-ESM-Hindcasts über einen ausgedehnteren Zeitraum beginnend bei 1910, durchgeführt, um die Abdeckung verschiedener Phasen der Atlantischen Multidekadischen Variabilität und ihrer Klimawirkungen auf Europa zu verbessern. Diese ausgedehnteren Hindcasts erlauben eine genauere Zuordnung der Einflüsse anthropogen verursachter Klimatrends und natürlicher Variabilität in Europa, und ermöglichen somit robustere Abschätzungen der erwarteten Vorhersagegüte, als es beim allgemeinen Untersuchungszeitraum von MiKlip (ab 1960) möglich ist. Bei den Untersuchungen wird auch der Einfluss europäischer Randmeere mit einbezogen.

Projekt Struktur

Dies Arbeitspaket C2-WP3 wird gemeinsam von der Goethe Universität Frankfurt (GUF) und dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) bearbeitet. Dabei führt GUF die gekoppelten Ozean-Atmosphären-Experimente mit CCLM/NEMO und KIT die Atmosphären Simulationen mit CCLM durch.
 

Aufgabenstellung des Projektes

 Das Projekt ist in drei Unteraufgaben aufgeteilt:

  • Herunterskalierung globaler Referenzsimulationen für das letzte Jahrhundert für Europa (CCLM EUR-20C).

  • Die Durchführung von Hindcast-Simulationen für diese Periode mit und ohne gekoppeltem regionalen Ozean

  • Analyse der Auswirkungen der Multi-dekadischen Variabilität in Europa

Zu liefernde Ergebnisse des Projekts

D1a: Downscaling Ergebnisse der Referenz-Datensätze für Europa (Atmosphäre)
D1b: Downscaling Ergebnisse der Referenz-Datensätze für Europa (Ozean/Atmosphäre gekoppelt)
D2: Centennial Hindcasts (gekoppelt und ungekoppelt)
D3: Informationen zu den Klimawirkungen der Multi-dekadischen Variabilität in Europa

 

Projektfortschritte

In dem Arbeitspaket wurde eine Herunterskalierung mit CCLM der drei Mitglieder des MiKlip I DROUGHTCLIP Ensembles der Assimilations-Experimente von 1900 – 2009 durchgeführt (Abbildung 2). Die DROUGHTCLIP-Simulationen wurden mit den NCEP-20CR-Reanalysen angetrieben (CCLM EUR-20C). Zusätzlich wurden Simulationen mit dem regional gekoppelten Ozean-Atmosphären Modell CCLM-NEMO mit gekoppelter Nord- und Ostsee sowie gekoppeltem Mittelmeer erzeugt.

Zusätzlich wurde ein regionales hundertjähriges Hindcast-Ensemble mit 3 Mitgliedern erzeugt für die Startjahre 1910 – 2009, die ebenfalls auf Daten aus den globalen Hindcast-Simulationen aus Modul E DROUGHTCLIP basieren (Müller et al., 2014). Die Simulationen zeigen über dem größten Teil Europas eine signifikante Korrelation zu Bodentemperaturbeobachtungsdaten (Abbildung 1). Die Vorhersagegüte ist dabei in der ersten Hälfte des betrachteten Zeitraumes (Startjahre 1910 – 1959) niedriger als in der zweiten Hälfte (1960 – 2009, was in etwa dem MiKlip-Zeitraum entspricht). Die Gründe dafür liegen in der geringeren Verfügbarkeit belastbarer Beobachtungsdaten in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, die sowohl für die Initialisierung als auch für die Verifizierung benötigt werden. Es zeigt sich aber auch der geringere Einfluss der Klimatrends in dieser Periode. Die räumliche Struktur der Vorhersagegüte, mit höherem Skill im Süden und Westen als im Norden und Osten Europas, ist vergleichbar mit den regionalen Basisensembles aus C3-WP3. Daraus lässt sich schließen dass diese Verteilung stabil über die Zeit ist.

Abbildung 1: Temperaturkorrelation zwischen den CCLM EUR-20C-Hindcasts und den CRU-TS4.01-Beobachtungsdaten für den Zeitraum 1912-2014 Vorhersagejahre 2-5 (Startjahre 1910-2009).

In Zusammenarbeit mit C2-WP2 wurde die Multi-dekadische Variabilität von Klimaextremen und ihre Beziehung zu großskaligen Mustern analysiert. Abbildung 2 zeigt die Langzeitvariabilität (fortlaufende 5-Jahres-Mittelwerte) der Anzahl von Starkregentagen (>20mm pro Tag) für Europa aus den CCLM EUR-20C-Referenzsimulationen. Dieser Extremwertindex ist stark korreliert mit dem Index der Trend-bereinigten Meeresoberflächentemperatur im Nord-Atlantik (AMO-Index). Eine höhere Meeresoberflächentemperatur führt zu einer feuchteren Atmosphäre über dem Atlantik. Im stromabwärts gelegenen Europa bietet dies ein höheres Potential für Starkregen. Dagegen sinkt die Häufigkeit von Starkregen in der kalten Phase der AMO.

Die gekoppelte regionale Simulation zeigt verbesserte Ergebnisse für Inseln (z.B. den Britischen Inseln, Korsika und Sardinien) und in einigen Küstenregionen, was aufgrund verbesserter Meer-Atmosphäre-Wechselwirkung zu erwarten ist. Es gibt auch Unterschiede zwischen der gekoppelten und ungekoppelten Simulation über kontinentalen Regionen. Beispielsweise korrelieren mit dem gekoppelten Modell simulierte Niederschläge in Zentraleuropa besser mit Beobachtungen als die Ungekoppelten. Es existieren aber auch Regionen, in denen die ungekoppelte Simulation besser an die Beobachtungsdaten herankommtals gekoppelte Simulationen. Die Ursachen und Charakteristika dieser regionalen Unterschiede werden derzeit weiter untersucht.

Abbildung 2: Multi-dekadische Variabilität der Tage mit starkem Niederschlag (> 20 mm/Tag) für das CCLM-EUR-20C-Ensemble (rote Kurve und grau schattierter Bereich für die Spannbreite des Ensembles) für Europe im Zeitraum 1900 – 2009 (5-jähriges gleitendes Mittel). Die blaue Kurve zeigt den Trend-bereinigten Index der Nord-Atlantischen Meeresoberflächentemperatur (AMO Index).

Kontakt

Institut für Atmosphäre und Umwelt Goethe University Frankfurt/Main
Bodo Ahrens
bodo.ahrens(at)nospamiau.uni-frankfurt.de
+49 69 798-40244

Institut für Atmosphäre und Umwelt Goethe University Frankfurt/Main
Fanni Dora Kelemen
kelemen(at)nospamiau.uni-frankfurt.de
+49 69 798-40234

Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) Karlsruhe Institut für Technologie (KIT)
Hendrik Feldmann
hendrik.feldmann(at)nospamkit.edu
+49 721 608-222802

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