Supplement: Zusammenfassung Dieser Abschnitt enthalt eine deutschsprachige Zusammenfassung der vorliegenden Arbeit. Hierzu werden die wesentlichen Ergebnisse und Aussagen der Kapitel 1 bis 5 wiedergegeben. S.1 Hintergrund, Motivation und Ziele Rückkopplungen zwischen dem Mittelmeer und der Atmosphäre auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen spielen eine wichtige Rolle im regionalen Klimasystem des Mittelmeerraums und darüber hinaus. Das Mittelmeer ist eine Feuchtequelle aufgrund von übermäßiger Verdunstung. Im langfristigen Durchschnitt induziert das Mittelmeer eine Erwärmung der unteren Atmosphäre infolge des Wärmeverlustes an der Grenzfläche zwischen Luft und Meer. Die komplexen Luft-Wasser-Wechselwirkungen und Rückkopplungen im Mittelmeerbecken regulieren stark die Flüsse an der Meeresoberfläche und begünstigen mehrere zyklogenetische Aktivitäten unter bestimmten meteorologischen Bedingungen. Beispiele sind die Medicanes (Mediterrane Hurrikane) und Vb-Zyklonen. Medicanes sind mesoskalige, marine Mittelmeer- Zyklonen mit warmen Kern, die einige Ähnlichkeiten mit tropischen Zyklonen aufweisen. Vb-Zyklonen sind extratropisch und wandern vom westlichen Mittelmeer aus über die osteuropäischen Alpen in die mitteleuropäische Region. Extrem starke Winde und Starkniederschläge stehen im Zusammenhang mit diesen Zyklonen und führen zu schweren Zerstörungen und Überschwemmungen. Zyklone im Mittelmeer sind Extremfälle von Atmosphäre-Ozean-Interaktionen. Eine bessere Darstellung der Wechselwirkungen und Rückkopplungen kann die Abschätzungen der Wärmeströme an der Meeresoberfläche verbessern und die Darstellung und Vorhersagbarkeit von Extremereignissen weiter verbessern. Obwohl bekannt ist, dass Zyklonen im Mittelmeerraum von Zeit zu Zeit auftreten, haben ihre Häufigkeit und Intensität in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Die räumliche und zeitliche Verteilung dieser Extremereignisse ist unregelmäßig. Änderungen in der Intensität und Häufigkeit von Wirbelstürmen werden auch im zukünftigen Klima projiziert, indem insbesondere die Mittelmeerregion nach jetzigem Erkenntnisstand ein Hotspot in Bezug auf steigende Temperaturen sein wird. Die derzeitigen Bemühungen zur Bewertung der Flüsse zwischen Atmosphäre und Mittelmeer fußen auf Beobachtungs- oder Reanalyse daten mit einer groben räumlichen Auflösung (83–125 km) oder konventionellen, grobaufgelösten (~150 km) globalen Atmosphären-Ozean- Zirkulationsmodellen (AOGCMs). Trotz der Tatsache, dass die AOGCM die Atmosphäre-Ozean- Wechselwirkungen berücksichtigen, ist der Mittelmeerraum weder in den globalen Atmosphärenmodellen noch in globalen Meeresmodellen allgemein gut dargestellt. Im Allgemeinen können AOGCM mit grober Auflösung die lokalen und mesoskaligen Prozesse, die den Mittelmeerraum charakterisieren, nicht ausreichend auflösen. Auf der anderen Seite sind hochauflösende AOGCMs noch zu rechenaufwändig. Die Entwicklung von hochauflösenden regionalen Klimamodellen (RCMs) hat unser Verständnis der Prozesse, die das Mittelmeerklima charakterisieren, vorangetrieben. Es bestehen jedoch nach wie vor große Unsicherheiten hinsichtlich der Berechnung von Flüssen zwischen Atmosphäre und Meer, welche sich wiederum auf die Simulation des mediterranen Klimas auswirken. Diese Unsicherheiten können verschiedene Faktoren zugeschrieben werden, wie z. B. Datenqualität, zeitliche und räumliche Auflösung und falsche Darstellung physikalischer Prozesse. Bei der Betrachtung der komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten des Erdsystems ist die Kopplung numerischer Modelle ein üblicher Ansatz (z.B Will et al. 2017). Um die wechselseitigen Wechselwirkungen an der Schnittstelle zwischen Atmosphäre und Ozean in der Mittelmeerregion aufzulösen, ist ein hochauflösendes regional gekoppeltes Atmosphären-Ozean-Modell (AORCM) erforderlich (Somot et al. 2008). Der Einfluss der Atmosphäre-Ozean-Kopplung auf die oberflächennahen Flüsse wurde in früheren Studien untersucht. Es wurde festgestellt, dass bidirektionale, hochfrequente Wechselwirkungen und eine höhere räumliche Auflösung der SST die Darstellung von Wärmeströmen, hydrologischen Parametern und Winden im Mittelmeerraum verbessern (Lebeaupin and Drobinski 2009; Dubois et al. 2012; Lebeaupin et al. 2014; Sevault et al. 2014). Darüber hinaus können SSTs, die mit hochauflösenden Ozeanmodellen simuliert wurden, einen starken und positiven Effekt auf Zyklogenese und Niederschlagssimulationen haben (Sanna et al. 2013). In einer anderen Studie haben Sevault et al. (2014) gezeigt, dass die Ozeankopplung das NH verbessert, aber große Fehler in einzelnen Komponenten (besonders in LH und LW) auftraten. Dubois et al. (2012) verwendeten ein Ensemble von fünf AORCMs und zeigten, dass sich der Durchschnitt der NH-Komponenten im Mittelmeerbecken zwischen den Ensemblemitgliedern signifikant unterschied. Diese Studien zeigen, dass, obwohl die AORCM die Darstellung von oberflächennahen Flüssen über dem Mittelmeer verbessert haben, große Unsicherheiten bestehen bleiben. Solche Unsicherheiten in den Wärmeströmen können die Simulationen von Mittelmeer-Zyklonen (Medicanes und Vb-Zyklone) stark beeinflussen. Die meisten Studien zu Medicanes (siehe z.B Romero and Emanuel 2013; Cavicchia et al. 2014b;Walsh et al. 1996) und Vb-Zyklonen (siehe z.B Hofstätter and Chimani 2012; Nissen et al. 2014; Grams 2014; Kelemen et al. 2016; Messmer et al. 2017) verwenden RCM-Simulationen oder Reanalysedaten. Daher fehlen in diesen Datensätzen feinskalige Rückkopplungen, die mit den Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen zusammenhängen, denn diese beeinflussen stark die zeitliche und räumliche Struktur der Wirbelstürme im Mittelmeerraum. Flaounas et al. (2018) fanden heraus, dass die Kopplung zwischen Atmosphäre und Ozean nur einen schwachen Einfluss auf die Klimatologie und Intensität der mediterranen Zyklone hat, einschließlich der Medicanes (für weitere Details siehe Anhang A). Für Vb-Zyklonen wurde der Einfluss von Atmosphäre- Meer-Wechselwirkungen und diesbezügliche Rückkopplungen auf Vb-Charakteristika noch nicht mit einem AORCM untersucht. Der Nutzen von der Verwendung von gekoppelten AORCMs für die Simulation von Vb-Zyklonen wurde von Ho-Hagemann et al. (2015) hervorgehoben, welche ein RCM mit einem gekoppelten Nord- und Ostseemodell nutzten, um das Hochwasserereignis im Oktober 1997 zu untersuchen. Sie kamen zu dem Schluss, dass 3 Prozesse maßgeblich für die starken Regenfälle und Überschwemmungen in Mitteleuropa waren: a) eine großräumige Konvergenz von Luftfeuchte aus dem Mittelmeer und b) Feuchteadvektion aus dem Nordatlantik über die Nordsee und c) Verdunstung über dem Inland. Ihre Analyse ergab, dass die Verwendung eines gekoppelten Nord- und Ostseemodells für die Simulation des Ereignisses von Vorteil ist. Um einige dieser Inkonsistenzen zu überwinden, wurde Es wurde ein neues hochauflösendes regionales gekoppeltes Atmosphären-Ozean-Modell (AORCM) entwickelt, um die Atmosphäre- Ozean-Rückkopplungsmechanismen zu simulieren. Dieses Modell beinhaltet die Kopplung von RCM COSMO-CLM (CCLM) und dem regionalen Ozeanmodell NEMO-MED12 für das Mittelmeer (MED) sowie NEMO-NORDIC für die Nord- und Ostsee (NORDIC). Die Entwicklung des AORCM dient den folgenden Zielen: ▪ Bessere Darstellung der kleinräumigen, lokalen Prozesse und SST-Muster ▪ Bessere Darstellung der Flüsse an der Meeresoberfläche durch Auflösung von kleinräumigen Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen und Rückkopplungen ▪ Bessere Simulationen der Mittelmeer-Zyklonen (Medicanes und Vb-Zyklone) Im Rahmen dieser Studie wurden mehrere Experimente mit gekoppelten und ungekoppelten Modellen durchgeführt, um die folgenden Schwerpunkte und diesbezügliche Fragen zu behandeln: ▪ Untersuchung der meeresoberflächennahen Wärmeflüsse und der Windgeschwindigkeit über dem Mittelmeer: – Welchen Einfluss haben kleinräumige Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen und Rückkopplungen auf die Wärmeflüsse und die Windgeschwindigkeit des Meeres? – Wie wirkt sich die horizontale Gitterauflösung auf die Wärmeflüsse und die Windgeschwindigkeit über Meeresoberfläche aus? – Welchen Einfluss hat die tageszeitabhängige Variabilität der SST auf die Wärmeflüsse der Meeresoberfläche und die Windgeschwindigkeit auf stündlicher und längeren Zeitskalen? ▪ Untersuchung von Medicanes: ▪ – Welchen Einfluss haben kleinräumige Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen und Rückkopplungen auf deren Intensität und Trajektorien? – Verbessert ein hochauflösendes horizontales atmosphärisches Gitter die Darstellung von Medicanes? – Wie wirkt sich die spektrale Nudging-Methode auf die Simulation aus? Untersuchung von Vb-Zyklonen: – Wie wirken sich kleinräumige Atmosphäre-Ozean-Wechselwirkungen und Rückkopplungen über dem Mittelmeer bzw. über der Nord- und Ostsee auf die Intensität und die Trajektorien von Vb-Zyklonen aus? S.2 Wissenschaftliche Ergebnisse Im Rahmen dieser Studie wurden mehrere Experimente mit einem CCLM in ungekoppelter und gekoppelter Konfiguration durchgeführt. Sowohl die gekoppelten als auch die ungekoppelten Modelle konnten die Charakteristika des mediterranen Klimas reproduzieren. In Bezug auf die eingangs formulierten Themenschwerpunkte konnten mit dem hier entwickelten, hochauflösenden AORCM folgende Erkenntnisse erzielt werden. S.2.1 Untersuchung der Wärmeflüsse und derWindgeschwindigkeit über dem Mittelmeer Bei der Untersuchung des Einflusses der horizontalen atmosphärischen Gitterauflösung (0,08˚ ~9 km vs. 0,44˚ ~ 50 km) und der Kopplung der Ozeane auf die meeresoberflächennahen Wärmeflüsse und die Windgeschwindigkeit können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: ▪ Hochaufgelöste Simulationen führten im Gegensatz zu grobaufgelösten Simulationen zu einer besseren Darstellung der Winde, insbesondere in Küstennähe und im westlichen Mittelmeer. Folglich hat das feine atmosphärische Gitter einen positiven Einfluss auf turbulente Flüsse. ▪ Die Atmosphäre-Ozeankopplung führte zu einer Verbesserung bei den turbulenten Flüssen. ▪ Die Strahlungsflüsse sind in den grobaufgelösten Simulationen etwas besser dargestellt als in den hochaufgelösten Simulationen. Grund hierfür ist die etwas bessere Erfassung der Wolkenbedeckung. Schätzungen des Nettowärmeflusses (NH) sind jedoch in den gekoppelten Simulationen mit feinem Gitter realistischer. ▪ Das gekoppelte Modell simuliert sub-tägliche Variabilität der SST, die in der ERA-Interim- Reanalyse komplett fehlt. Die Ergebnisse zeigen, dass die sub-täglichen Schwankungen für den mittleren atmosphärischen Zustand im Mittelmeerraum von untergeordneter Bedeutung sind. S.2.2 Untersuchung von Medicanes Bei der Untersuchung der Auswirkungen der horizontalen atmosphärischen Gitterauflösung (0,44˚ ~ 50 km vs. 0,22˚~ 25 km vs. 0,08˚ ~ 9 km) und der Kopplung des Meeres auf die Zugbahnen der Medicanes und deren Intensität können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: ▪ Die Modellperformance hängt stark von der horizontalen atmosphärischen Gitterauflösung ab. Obwohl großräumige Störungen bei allen drei Auflösungen ziemlich gut simuliert werden, wurden charakteristische Merkmale der Medicanes bei der Auflösung von 0,44˚ nicht mehr detektiert. ▪ Der mittlere Luftdruck auf Meeresniveau und die warme Kernstruktur wurden in den 0,22˚- Simulationen relativ gut erfasst, aber die Windgeschwindigkeit wurde stark unterschätzt. All diese Merkmale waren in den gekoppelten und ungekoppelten Simulationen von 0,08˚ tiefer und verfeinerter. ▪ Im Vergleich zu den ungekoppelten Simulationen zeigten die gekoppelten Simulationen beim Vergleich von 0,44˚ und 0,22˚ Auflösung keine signifikante Verbesserung. ▪ Bei der Auflösung von 0,22˚ waren Zugbahnen von Medicanes sowohl in den gekoppelten als auch in den ungekoppelten Simulationen nahezu identisch. Allerdings waren bei 0.08 Auflösung die Zugbahnen der Medicanes, die warme Kernstruktur und die Windgeschwindigkeit größtenteils besser erfasst als in den ungekoppelten Simulationen. ▪ In den meisten Fällen waren Zugbahnen der Medicaes in den gekoppelten Simulationen mit einer Auflösung von 0,08 länger und näher an den Beobachtungen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine Rasterauflösung von 0,08 die Merkmale von Medicanes detaillierter erfasst, insbesondere mit einem gekoppelten Modell. ▪ Die spektrale Nudging-Technik erhöhte die Genauigkeit von Zeit und Ort von simulierten Medicanes. Beim mittleren Luftdruck auf Meeresniveau und der Windgeschwindigkeit wurde jedoch keine Verbesserung festgestellt. ▪ Ähnlich wie bei den Simulationen, die ohne spektrales Nudging durchgeführt wurden, waren in den gekoppelten Simulationen mit spektralem Nudging die Zugbahnen der Medicanes und diesbezügliche Windgeschwindigkeiten besser dargestellt als in den reinen Atmosphärensimulationen mit spektralen Nudging. ▪ Die Magnitude der latenten und fühlbaren Wärmeflüsse nahm mit der Ozeankopplung und der Erhöhung der atmosphärischen Gitterauflösung zu. Spektrales Nudging hatte jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die latenten und fühlbaren Wärmeströme. Somit legen die Ergebnisse nahe, dass die Intensität von Medicanes stark verknüpft ist mit den oberflächennahen Wärmeflüssen und den kleinskaligen Merkmalen an der Grenzfläche zwischen Luft und Meer. S.2.3 Untersuchung von Vb-Zyklonen Vb-Zyklonen wurden untersucht anhand von Simulationen mit einer atmosphärischen Gitterauflösung von 0.22˚ und bei Verwendung eines gekoppelten AORCMs, welches das Mittelmeer (MED) und die Nord- und Ostsee einbezieht (NORDIC). Die Analyse der Auswirkungen der Ozeankopplung auf die Zugbahnen und die Intensität der Vb-Zyklonen über dem Mittelmeer und Nord- und Ostsee führen zu folgenden Schlussfolgerungen: ▪ Die in MED+NORDIC simulierten durchschnittlichen saisonalen und jährlichen SSTs waren ähnlich wie MED für das Mittelmeer und NORDIC für die Nord- und Ostsee. ▪ Die Jahresmittelwerte und Trends der SST im Mittelmeer und in der Nord- und Ostsee stimmen gut mit den Beobachtungen überein. ▪ Im Vergleich zu den Beobachtungen zeigten die SSTs, die unter Verwendung der gekoppelten Konfigurationen simuliert wurden, eine BIAS von etwa 1 K über den Gebieten, in denen die Kopplung zum Einsatz kam. Der BIAS war insbesondere im Winter und Sommer sichtbar. ▪ Die gekoppelten Modellläufe waren stabil und robust, und die SST-Unsicherheiten des Modells sind angesichts der Beobachtungsunsicherheiten in den Randmeeren als gering einzuschätzen. ▪ Im Allgemeinen waren alle Modellkonfigurationen in der Lage, die Zugbahnen von Vb- Zyklonen und ihre hauptsächlichen Merkmale (wie z. B. die geopotentiellen Höhen) zu reproduzieren. Allerdings waren in den meisten Fällen die Position, Intensität und Lebensdauer von Vb-Zyklonen, die in den gekoppelten Modellen simuliert wurden, waren sehr nah oder sogar näher an den Observationen als jene Zyklonenmerkmale, die aus Reanalysedatensätzen abgeleitet wurden. Am schlechtesten schnitt diesbezüglich das ungekoppelte Modell ab. ▪ Die Positionen der Niederschlagsmaxima stimmten gut mit den entsprechenden Zyklonenzugbahnen überein. ▪ Die Evaluation simulierter Niederschlagsfelder ergab, dass alle Modellkonfigurationen in der Lage waren, intensive Niederschlagsmuster zu erfassen, die Muster jedoch unterschiedlich hoch und verschoben waren. Im Allgemeinen wurde der simulierte Niederschlag unterschätzt gegenüber den EOBS-Niederschlagsdaten. Dies ist möglicherweise verursacht durch das grobe Modellraster von 25 km, welches orographische Merkmale nicht ausreichend auflöst und die starke Konvektion bei intensiven Vb-Niederschlagsereignissen unterschätzt. ▪ Darüber hinaus zeigte allein die Kopplung der Nord- und Ostsee einen Vorteil bei der Simulation von Vb-Zyklonen, insbesondere für den Einzelfall im Juli 1997 (ebenfalls in Ho- Hagemann et al. 2015, diskutiert). Der Vorteil resultiert aus den Beiträgen unterschiedlicher Feuchtequellen und ist für jeden Einzelfall gesondert zu betrachten (vgl. Gimeno et al. 2010; Volosciuk et al. 2016; Messmer et al. 2017). S.2.4 Abschließende Bewertung Die in dieser Arbeit verwendeten Modelle waren allesamt in der Lage, die wichtigsten Eigenschaften jener physikalischer Prozesse zu reproduzieren, welche beteiligt sind an den oberflächennahen Wärmeflüssen über dem Mittelmeer, den Windgeschwindigkeiten, den Medicanes und den Vb-Zyklonen. Das gekoppelte Modell in Verknüpfung mit einer hohen Auflösung (< 10km) verbessert die Darstellung der oberflächennahen Wärmeflüsse, der Windgeschwindigkeit und der Medicanes. In Bezug auf die Vb-Zyklonen hat die Ozeankopplung einen generell positiven Einfluss auf die Zugbahnen und Intensitäten, obwohl es eine starke Variation von Fall zu Fall gibt (beispielsweise das Feuchtereservoir). Die Fähigkeit der AORCMs die SST explizit selbst aufzulösen, machen sie sehr wertvoll im Vergleich zu den ungekoppelten Atmosphärenmodellen. Diese Studie ist ein erster Schritt hin in Richtung der Verwendung von neuen, komplexeren Modellsystemen. Weitere Entwicklungen sind jedoch nötig, um noch auftretende Defizite zu überwinden.