The consideration of North and Baltic Seas in regional climate modelling with the coupled atmosphere-ocean-ice model COSMO-CLM/NEMO

  • The main objective of this PhD work is to assess the impact of fine-scale air-sea interaction on the performance of a regional climate prediction model in marginal sea regions. Focus is on the North and Baltic Seas, the largest marginal sea area in the mid-latitudes. Motivation for this work is to better understand the interaction between the different components of the climate system, namely atmosphere, ocean and sea-ice. In addition to that, the sea regions of interest, the North and Baltic Seas, are orographically complex and cannot be resolved by a global ocean model. The ice coverage on the Baltic Sea is underestimated in the stand-alone atmospheric model COSMO-CLM due to the low water freezing temperature value assumed, which is not applicable for such brackish water body. To fulfil the thesis goal, a new regional coupled atmosphere-ocean-ice system was developed for these two seas, named COSMO-CLM/NEMO. The two-way coupling system involves active feedback from both component models: the limited-area climate model COSMO-CLM and the regional ocean model NEMO-NORDIC. The coupled system COSMO-CLM/NEMO for the North and Baltic Seas was used to study the impact of sea surface temperature and sea ice on the atmosphere on diffrent topics. The long term impact of the North and Baltic Seas was studied through 15- year long simulations driven by European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Interim reanalysis (ERA-Interim) data. Furthermore, to see whether the marginal sea modelling can advance the simulation of extreme climate events, the coupled model was used to reproduce six extreme snowband phenomena over the Baltic Sea in simulations driven by ERA-interim data. Last but not least, the role of the North and Baltic Sea model in improving long-term regional climate prediction was examined. Two sets of experiments with coupled and uncoupled models, each set has five independent decadal hindcasts forced by global climate model, were carried out. All results were compared with observations and the stand-alone atmospheric model COSMO-CLM results. In all experiments, COSMO-CLM/NEMO showed good agreement with observations. Improvements compared with the uncoupled COSMO-CLM were also found. Coupling was found to affect the air temperature not only around the coupled sea region but also inland. The convective snowbands over the Baltic Sea were successfully reproduced by the coupled model. The high contrast of temperature in the air column, as well as considerably high amounts of surface heat fluxes exchanged between air and sea could not be simulated by COSMO-CLM without the help of reanalysis data. The coupled model also provided better forecasts in decadal scales compared with the uncoupled model and the global model. The added predictability came from the initialized regional seas and better simulated sea surface temperatures by the ocean model. The impact of the North and Baltic Seas on the climate of the surrounding regions is in certain phases dominated by the North Atlantic Oscillation (NAO) activity. In this thesis, the relation between the NAO and the marginal sea influences was studied. It is confirmed by this study that, in strong phases, the NAO can overpower the impact of the local seas. During dominant phases of NAO, the European climate is mainly governed by large-scale circulation. On the other hand, the local seas play an important role in determining the European climate when NAO is in weak phases. The added value of the coupled model raises promising perspectives for research in this field. It points to a potential benefit of using the coupled atmosphere-ocean-ice system for climate prediction in the region surrounding the North and Baltic Seas. Along with that, it is still a challenge to complete the model representation of the climate system by adding more climate components (such as a hydrological model). Further improvement of the coupled system can be achieved by coupling for a larger sea region, or by trying to reduce remaining low performance of the coupled model in some areas with a better configuration of the current system.
  • Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Randmeere auf das regionale Klima, mit dem Schwerpunkt auf Nord- und Ostsee, den beiden größen Randmeeren in den mittleren Breiten. Zu diesem Zweck wurde ein regionales Atmosphäre-Ozean-Eis-System für diese beiden Meere entwickelt, das sogenannte COSMO-CLM/NEMO. Es handelt sich dabei um eine Zweiwege-Kopplung mit aktiver Rüuckmeldung zweier Komponentenmodellen: einerseits dem regionalen Klimamodell COSMO-CLM und andererseits dem Ozeanmodell NEMO-NORDIC. Motivation dieser Studie ist ein besseres Verständnis zu gewinnen hinsichtlich des Zusammenspiels verschiedener Komponenten des Klimasystems, nämlich der Atmosphäre, dem Ozean und dem Meereis. Zudem besitzt die untersuchte Meeresregion, die Nord- und Ostsee, eine komplexe Topografie, die von Globalmodellen oftmals nur unzureichend aufgelöst werden kann. Darüber hinaus wird Meereis über der Ostsee vom eigenständigen Atmosphärenmodell nicht gut simuliert. Mit Hilfe des Kopplungssystems COSMO-CLM/NEMO für Nord- und Ostsee wurde der klimatische Effekt der Oberflächenwassertemperatur sowie des Meereises in verschiedenen Fallstudien untersucht. Langfristige Auswirkungen von Nord- und Ostsee wurden basierend auf fünfzehnjährlichen Simulationen mittels ERA-Interim-Reanlysedaten angetriebener Simulationen untersucht. Ebenfalls betrachtet wurde der Einfluss der Randmeere auf extreme Wetterereignisse, die jeweils nur von kurzer Dauer sind. Das gekoppelte Modell wurde durch ERA-Interim-Daten angetrieben, um das Verhalten von Schneedbändern über der Ostsee zu simulieren. Nicht zuletzt wurde dabei die Rolle von Nord- und Ostsee in langfristigen regionalen Klimavorhersagen bewertet. Insgesamt wurden für das gekoppelte sowie das ungekoppelte (mittels des Globalmodells angetrieben) Modell jeweils fünf Experimente dekadischer Vorhersagen durchgeführt. Sämtliche Ergebnisse wurden sowohl mit Beobachtungen als auch mit Ergebnissen des eigenständigen COSMO-CLM Modells verglichen. COSMO-CLM/NEMO zeigte eine generell gute Übereinstimmung mit den Beobachtungsdaten. Daneben wurden Verbesserungen im Vergleich mit dem ungekoppelten COSMO-CLM detektiert. Die Kopplung beeinflusste die Lufttemperatur nicht nur in der Nähe der Randmeere sondern auch im Binnenlandbereich. Das gekoppelte Modell reproduzierte die konvektiven Schneebänder über der Ostsee deutlich besser als das ungekoppelte Modell. Sowohl der hohe Kontrast der Lufttemperaturen als auch die großen Wärmeflüsse an der Meeresoberfläche konnten mit dem COSMO-CLM ohne Reanalysedaten nicht simuliert werden. Verglichen mit dem ungekoppelten Modell und dem Globalmodell waren die dekadischen Vorhersagen des gekoppelten Modells verbessert. Dies kann einerseits auf die Initialisierung und andererseits auf im Ozeanmodell realist ischer simulierte Oberflächenwassertemperaturen zurückgeführt werden. Nord- und Ostsee beeinflussen das regionale Klima unter gewissen Umständen entscheidend. In dieser Arbeit wurde die Intensität der Auswirkungen der nordatlantischen Oszillation (NAO) mit jener der Randmeere ins Verhältnis gesetzt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass eine hohe Aktivität der NAO die Auswirkung der Randmeere deutlich überwiegen kann. Befindet sich die NAO jedoch in einer schwachen Phase, spielen die lokalen Meere eine wichtige Rolle für das europäische Klima. Die Ergebnisse für das gekoppelte Modell sind vielversprechend und bieten eine erfolgversprechende Perspektive für weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet. Weitere Verbesserungen des gekoppelten Systems könnten mittels der Kopplung einer größeren Meeresregion oder durch eine verbesserte Konfiguration des aktuellen Systems erzielt werden. Die Kopplung mit anderen Klimakomponenten wie beispielsweise dem Wasserabfluss durch Flüsse stellt für zukünftige Entwicklungen in der Klimaforschung eine weitere Herausforderung dar.

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Metadaten
Author:Trang Van Pham
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-504488
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Bodo AhrensORCiDGND, Markus Meier
Advisor:Bodo Ahrens
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Year of first Publication:2019
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2019/05/22
Release Date:2019/06/06
Page Number:xiv, 97
HeBIS-PPN:449271153
Institutes:Geowissenschaften / Geographie / Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht