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Christoph Menz

• Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von regionalen Klimasimulationen für die Region Ostasien. Hierfür werden zwei verschiedene Modellierungsansätze verwendet. Der dynamische Regionalmodellierungsansatz, vertreten durch COSMO CLM (CCLM), und der statistische Modellierungsansatz, vertreten durch STARS. Die Simulationen erfolgten unter den Rahmenbedingungen des Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). Beide Regionalmodelle wurden im Rahmen dieser Arbeit umfassend für die Region CORDEX-Ostasien kalibriert und evaluiert. Das statistische Modell STARS wurde hierbei erstmals auf kontinentaler Ebene angewendet. Auf Basis der kalibrierten Modelle wurden Projektionen der zukünftigen klimatischen Entwicklung der Region durchgeführt. Zur Auswertung der einzelnen Kalibrierungsläufe wurde ein komplexes Evaluierungsschema, mit einem Gütekennzahlensystem basierend auf einer linearisierten Form der relativen Modelldifferenz, entwickelt. Neben den etablierten univariaten statistischen Kennwerten (Mittelwert, Varianz, Trend) enthält das Gütekennzahlensystem auch ein bivariates statistisches Maß, welches die zweidimensionalen Stichprobenverteilungen zweier Variablen (beispielsweise Temperatur und Niederschlag) bewertet. Im Rahmen der Kalibrierung konnte ein Großteil des Parameterraums des statistischen Modells STARS systematisch untersucht werden. Es zeigte sich, dass nur wenige Parameter einen Einfluss auf die Simulationen haben. Die meisten Parameter zeigten eine geringe und teilweise unsystematische Beeinflussung. Es konnte zudem eine Schwachstelle des Modells in Bezug auf die Variablenkorrelationen identifiziert werden. Bei der Kalibrierung des dynamischen Regionalmodells CCLM zeigte sich, dass aufgrund der groben horizontalen Auflösung des Modells eine signifikante Verbesserung der Simulationen durch eine Anpassung der physikalischen Parametrisierungen erfolgen kann. Im Rahmen einer abschließenden Evaluierung wurden beide Modelle hinsichtlich ihres räumlichen Bias, des simulierten Jahresgangs und der Abbildung des asiatischen Monsunphänomens untersucht. Im ersten Punkt ergab sich kein qualitativer Unterschied zwischen CCLM und STARS. Beide Modelle zeigen eine deutliche Überschätzung der 2m-Temperatur im Winter über dem nördlichen Teil CORDEX-Ostasiens und eine Überschätzung des Luftdrucks über dem Hochland von Tibet im Sommer. Unterschiede zwischen beiden Modellen ergaben sich hingegen beim simulierten Jahresgang. In Bezug auf die Modellierung des Monsunphänomens zeigt CCLM eine Unterschätzung der Intensität des indischen Sommermonsuns und eine Überschätzung des Sommermonsuns über dem westlichen Nordpazifik. Das statistische Modell STARS zeigte eine Auffälligkeit bei der Simulation des Jahresgangs sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des Sommermonsuns. Aufgrund der Konzeption des Modells ergab sich in einzelnen Regionen eine systematische Deformation des Jahresgangs. Trotz der identifizierten Schwachstellen von CCLM und STARS, bilden beide Modelle das Klima über der Region CORDEX-Ostasien qualitativ ähnlich gut ab wie aktuelle Reanalysen (ERA-Interim). Auf Basis der kalibrierten und evaluierten Modelle wurden Klimaprojektionen für einen nahen (2020-2046), mittleren (2041-2070), und späten (2071-2100) Projektionszeitraum unter den Emissionsszenarien RCP2.6, RCP4.5 und RCP8.5 durchgeführt. Aufgrund von Modellbeschränkungen begrenzen sich die Rechnungen des Modells STARS auf den nahen Projektionszeitraum und die Emissionsszenarien RCP2.6 und RCP4.5. Die Projektionen beider Modelle zeigen eine deutliche und statistisch signifikante Erhöhung der 2m-Temperatur über der gesamten Region mit einer stärkeren Erwärmung über dem Kontinent gegenüber dem Meer. Aufgrund der relativ großen interannulären Variabilität des Niederschlags und des Luftdrucks werden statistisch nicht signifikante Änderungssignale und teils widersprüchliche Änderungen für den nahen Projektionszeitraum simuliert. Für den späten Projektionszeitraum ergeben sich jedoch deutliche Änderungssignale in den Simulationen des Modells CCLM. Insbesondere über dem Hochland von Tibet wird für den Zeitraum von 2071-2100 eine Temperaturerhöhung von über 7.0°C simuliert. Der Luftdruck und der Niederschlag zeigen räumlich heterogene Änderungssignale. Die spezifische Ausprägung der Luftdruckänderungen deutet auf eine Abschwächung der indischen Sommermonsunzirkulation und eine deutlichen Intensivierung des Sommermonsun über dem westlichen Nordpazifik hin. Die Niederschlagsänderungen über dem ostasiatischen Monsungebiet lassen auf eine Entkopplung der östlichen Monsunsysteme schließen. Trotz der heterogenen Änderungssignale im Niederschlag wird in den meisten Regionen eine Zunahme der Intensität von Extremniederschlägen simuliert. Dies gilt selbst für Regionen mit einer simulierten Abnahme der jährlichen Niederschlagssumme wie Westindonesien.