Regionalisierung von GCMs in zwei alpinen Regionen: europäische Alpen und Himalaja

Downscaling of general circulation models in two alpine regions: The European Alps and the Himalayas

  • Das Ziel dieser Studie ist es, die Möglichkeiten und Grenzen von hochauflösenden Klimaprojektionen in orographisch beeinflussten Gebieten an den Beispielen der europäischen Alpen und des Himalajas zu prüfen. Insbesondere wird die Fragestellung untersucht, ob beobachtete regionale Muster in den höher aufgelösten Daten besser wiedergegeben werden als in den antreibenden großskaligen Daten. Dazu werden regionale Klimasimulationen des COSMO-CLM Modells und Daten von zwei statistischen Regionalisierungsmethoden mit ERA40 Reanalysen sowie Daten des globalen Atmosphäre-Ozean Modells ECHAM5/MPIOM für verschiedene Parameter des Klimasystems verglichen. Ein Vergleich mit den Reanalysen anhand täglicher Niederschlagsstatistiken ergibt, dass die COSMO-CLM Niederschlagsdaten auf der 0.5° Skala vergleichbar sind mit ERA40 Niederschlägen und mit statistisch regionalisierten ERA40 Niederschlägen. Eine zusätzliche Fehlerkorrektur der COSMO-CLM Niederschläge liefert gute Ergebnisse. Dabei sind jedoch etwa 500 Regentage notwendig, um eine robuste Fehlerabschätzung zu gewährleisten. Für das südasiatische Gebiet ist eine realistische Wiedergabe des indischen Sommermonsuns (ISM) in den Modellen von hoher Relevanz. Betrachtet man nur die Mittelwerte und zeitlichen Variabilitäten von verschiedenen Indizes des ISM, so liefert das COSMO-CLM keinen Mehrwert im Vergleich zu den antreibenden Daten. Allerdings werden die räumlichen Strukturen von Niederschlag und vertikaler Windscherung, sowie die zeitliche Korrelation der modellierten Indizes gegenüber dem ECHAM5/MPIOM Modell verbessert. Die durchgeführten COSMO-CLM Projektionen für die Jahre 1960 bis 2100 zeigen negative Trends des ISM für die SRES Szenarien A2, A1B und B1. Die negativsten Trends sind dabei im Szenario A2 zu finden, gefolgt von A1B und B1. Fast keine Trends zeigen sich im commitment Szenario. Trotz großen zeitlichen Variabilitäten sind die Abnahmen in Niederschlagsmengen, ausgehender langwelliger Strahlung und Windscherung statistisch signifikant in großen Regionen des Simulationsgebietes. Für Nordwest-Indien weisen die Projektionen teilweise einen Rückgang der Monsunniederschläge von über 70% in 100 Jahren auf. Der Rückgang der Windscherung ist hauptsächlich auf Veränderungen in der oberen Troposphäre bei 200 hPa zurück zu führen. Während in den COSMO-CLM Projektionen alle Indizes des ISM synchrone Negativtrends aufweisen, sind die Trends für den Monsunregen über Indien im globalen ECHAM5/MPIOM Model positiv. Gemäß den Definitionen der verschiedenen Indizes, sind jedoch synchrone Trends wahrscheinlicher und das COSMO-CLM liefert zu den globalen ISM Projektionen ebenfalls einen Mehrwert. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass das COSMO-CLM wertvolle regionale Zusatzinformationen zu den globalen Modellen in den beiden untersuchten Regionen liefert. Für die Einzugsgebiete der oberen Donau und des oberen Brahmaputra liefern die COSMO-CLM Projektionen einen signifikanten Anstieg der Temperatur für alle Jahreszeiten der Jahre 1960 bis 2100. Die Werte sind generell höher im Brahmaputragebiet, mit den größten Trends in der Region des tibetanischen Plateaus. Im Niederschlag zeigen die saisonalen Anteile ebenfalls klare Trends, beispielsweise eine Zunahme des Frühjahrsniederschlags im Einzugsgebiet der oberen Donau. Die größten Trends werden wiederum in der Region des tibetanischen Plateaus projiziert mit einem Anstieg von bis zu 50% in der Länge der Trockenperioden zwischen Juni und September und einem gleichzeitigen Anstieg von etwa 10% für die maximale Niederschlagsmenge an fünf aufeinander folgenden Tagen. Für die Region Assam in Indien, zeigen die Projektionen zudem eine Zunahme von 25% in der Anzahl der aufeinander folgenden trockenen Tage während der Monsunzeit
  • The main objective of this thesis is to examine the possibilities and limitations of high resolution climate projections in orographically influenced areas on the examples of the European Alps and the Himalayas. In particular, the question whether observed regional patterns can be better represented in the regional data than in the driving large-scale data is of interest. To this end, regional climate simulations by the COSMO-CLM and from two statistical downscaling methods are compared to ERA40 reanalysis data and data from the global atmosphere-ocean model ECHAM5/MPIOM using various parameters of the climate system. A comparison with the reanalysis on the basis of daily precipitation shows that the accuracy of the COSMO-CLM rainfall data on the 0.5° scale is comparable with ERA40 and statistically downscaled ERA40 precipitation. An additional bias correction of the COSMO-CLM precipitation shows good results. However, a sufficient number of rain days is necessary to give a certain degree of security in the bias estimate. In the present study a threshold of about 500 rain days is proposed. For the South Asian region the reproduction of a realistic Indian summer monsoon (ISM) is of high relevance. Considering only the mean values and temporal variabilities of different large-scale indices, the COSMO-CLM provides no added value compared to the driving data. However, the spatial patterns of rainfall and vertical wind shear as well as the temporal correlation of the ISM indices are improved by the application of the COSMO-CLM to the ECHAM5/MPIOM model. COSMO-CLM projections carried out for the years 1960 to 2100 show negative trends in the ISM indices for the SRES scenarios A2, A1B and B1. The most negative trends are found in A2, followed by A1B and B1. Almost no trends appear in the commitment scenario. Although there are large temporal variabilities, the trends in rainfall, outgoing longwave radiation and meridional and zonal wind shear are statistically significant in many regions of the simulation domain. For north-west India, the projections partially show a decline in rainfall during the monsoon season of more than 70% in 100 years. The decrease in wind shear is found to be based mainly on changes in the upper troposphere at 200 hPa. While in the COSMO-CLM projections all ISM indices show simultaneous negative trends, the trends for the all-India monsoon rainfall in the ECHAM5/MPIOM model are positive. Following the definition of the indices, simultaneous trends are more likely and the COSMO-CLM is able to add value on the global projections in this aspect as well. Overall, the results of this study show that the COSMO-CLM adds valuable regional information to the global models in the two regions investigated. For the river basins of the upper Danube and the upper Brahmaputra, the COSMO-CLM projections reveal a significant rise in temperature in both basins and for all seasons from 1960 to 2100. The values are generally higher in the Brahmaputra area with the highest values in the region of the Tibetan Plateau. For precipitation, there are also clear seasonal trends, such as an increase in spring precipitation in the upper Danube. The largest trends are again simulated in the region of the Tibetan Plateau with an increase of up to 50% in the drought length from June to September and a simultaneous increase of about 10% for the maximum amount of rainfall on five consecutive days. For the region Assam in India, the projections show further an increase of 25% in the number of consecutive dry days during the monsoon season.

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Metadaten
Author:Andreas Dobler
URN:urn:nbn:de:hebis:30-100397
Referee:Bodo AhrensORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/05/03
Year of first Publication:2010
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2011/04/14
Release Date:2011/05/03
Tag:Regionales Klimamodell
Regional climate model
GND Keyword:Klima; Alpen; Himalaja; Regionalisierung; General circulation model; Klimaänderung; Monsun
HeBIS-PPN:245972536
Institutes:Geowissenschaften / Geographie / Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht