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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-77016
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7701/


Regional climate modelling : the Eastern European ”summer drying” problem and the representation of coastal surface wind speed in a multi model ensemble

Regionale Klimamodellierung : das osteuropäische Problem der "sommerlichen Austrocknung" und die Widergabe oberflächennaher Windgeschwindigkeiten in einem Multi-Modell-Ensemble

Anders, Ivonne

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Regionale Klimamodellierung , Evaluierung , hindcast , Wind , Trockenheit , ENSEMBLES
Freie Schlagwörter (Englisch): Regional Climate Modelling , surface wind , summer drying , Evaluation , ENSEMBLES
Basisklassifikation: 38.82
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Storch, Hans von (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.06.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 27.01.2016
Kurzfassung auf Englisch: An ensemble of regional climate models (RCM) can provide a robust view on the climate and related uncertainties. In the last decade, large projects, e.g., PRUDENCE, ENSEMBLES and CORDEX, have been set up to organise and coordinate multi model ensemble simulations with respect to the researchers and public needs.
In some of the RCM results, from the projects mentioned before, an overestimation of summer air temperature in south-eastern Europe had been identified, which coincides with a strong underestimation of precipitation in this season, the ”summer drying” problem of climate models.
One application of climate models is to assess future wind climate, which is particularly relevant for the assessment of energy potential, risk management and engineering. As observations for wind speed and direction are rare, models can close this gap and provide homogenous wind fields for further investigations. Several studies investigated RCM performance over open ocean and in near coastal regions and found a good agreement of simulated wind speed distribution and wind speed percentiles. Within the PRUDENCE project the deficiency has been identified, that the models using no gust parameterisation are not able to simulate wind speeds above 8Bft.
According to the first issue – the ”summer drying” – the hypothesis that the biases are related to a false representation of soil properties in this region, based on divergences between the soil maps of Haase et al. (2007) and Stremme (1937) and that of FAO, which is commonly used in climate models, is investigated in more detail. Therefore, two simulations with the RCM CLM have been carried out using default sandy loam and silt loam over an area north of the Black Sea. As a consequence of the different soil characteristics, the results indicate increased soil moisture by up to 60% in the modified simulation compared to the control simulation. In addition to local changes in near surface parameters (e.g. temperature decrease by up to 1.5K), large-scale changes involving temperature, precipitation and surface pressure are observed.
Regarding wind climate assessment, the second focus of the present study is to investigate the ability of RCMs to simulate surface wind speed in coastal regions of the North Sea. The analysis was based on the ENSEMBLES project results, due they give the opportunity to analyse the model performance for the wind characteristics among a large multi model hindcast ensemble for the time period 1961 – 2000. The observational data for 10m wind speed was provided by the German and the Dutch meteorological services, DWD and KNMI. From most of the contributing RCMs simulation results of two spatial resolutions, 50 km and 25 km, are available. Several measures and skill scores were applied to analyse the RCMs performance compared to the driving field and to evaluate accuracy gain by including higher spatial resolution of the model grid. At inland stations RCMs overestimate the mean wind speed, whereas maximum wind speed percentiles are captured very well. The higher resolved 25 km are often closer to the observations than the 50 km. The RCM ensemble mean performs good and adds value to the driving GCM ERA40. Additionally, a weather regime classification has been carried out and investigated, together with a second classification provided by ENSEMBLES, to be able to reflect the North Sea wind climate. Findings from the regime dependent evaluation of the RCMs wind climate can only be addressed to local effects of the near environment of the measuring sites.
Kurzfassung auf Deutsch: Ein Ensemble regionaler Klimamodelle (RCM) kann einen robusten Überblick des Klimas und relevanter Unsicherheiten geben. In den letzten Jahrzehnten, wurden in großen Projekten wie z.B. PRUDENCE, ENSEMBLES und CORDEX unter Berücksichtigung der Anforderungen aus Forschung und der Öffentlichkeit "Multi-Model-Ensemble"-Simulationen organisiert und koordiniert.
In einigen Ergebnissen von Regionalmodellen der genannten Projekte wird die sommerliche Lufttemperatur in Süd-Ost-Europa überschätzt und die Niederschlagsmengen in der gleichen Jahreszeit unterschätzt. Dieses Phänomen wird als "sommerliches Austrocknung(s)"-Problem regionaler Klimamodelle bezeichnet.
Eine Anwendung regionaler Modelle ist das zukünftige Windklima abzuschätzen, was besonders für die Bewertung von Energie-Potential, Risikomanagement und Bauvorhaben von großem Interesse ist. Da jedoch nur wenige Beobachtungen für Windgeschwindigkeit und -richtung vorhanden sind, nutzt man Modelle, um diese Lücke zu schließen und homogene Windfelder für Untersuchungen anzubieten. In verschiedenen Studien wurde bereits untersucht, wie gut regionale Klimamodelle in der Lage sind, Wind über offenem Wasser und in Küstenbereichen widerzugeben. Hier wurde eine gute Übereinstimmung in den Verteilungen der Windgeschwindigkeit und auch in den Perzentilwerten festgestellt. Eine Untersuchung von Wind über Land im Rahmen des PRUDENCE-Projektes ergab, dass die Modelle ohne Böen-Parametrisierung nicht in der Lage sind, Geschwindigkeiten über 8Bft zu simulieren.
Bezüglich der ersten Problematik, der sommerlichen Austrocknung, ist die Hypothese, dass dieser Bias im Zusammenhang mit einer unrealistischen Bodenartenverteilung im Modell in dieser Region steht. Die Annahme begründet sich in Unterschieden in Karten und Datensätzen von Haase et al. (2007) und Stremme (1937) und der Datengrundlage der FAO, die üblicherweise in den Regionalmodellen benutzt wird. Dieser Sachverhalt wird in der vorliegenden Arbeit im Detail untersucht. Dazu dienen 2 Simulationen mit dem Regionalmodell COSMO-CLM, in denen im Gebiet nördlich des Schwarzen Meeres zum Einen sandiger Lehm und zum Anderen Löss als vorherrschende Bodenarten angenommen wird. Als Konsequenz der unterschiedlichen Bodencharakteristiken, ergibt sich, dass unter Nutzung von Löss im Vergleich zu sandigem Lehm bis zu 60% mehr Bodenfeuchte zur Verfügung steht. Zu diesen eher lokalen Änderungen kann großräumig eine Reduktion der oberflächennahen Lufttemperatur von bis zu -1.5K, aber auch Änderungen im Niederschlagsverhalten und Bodenluftdruck festgestellt werden.
Im Hinblick auf die Abschätzung des Windklimas, liegt der zweite Schwerpunkt der Arbeit in der Untersuchung der Fähigkeit regionaler Klimamodelle, oberflächennahe Windgeschwindigkeiten in küstennahen Regionen in der Deutschen Nordsee widerzugeben. Diese Analyse basiert auf Ergebnissen des ENSEMBLES-Projektes, da hier die Möglichkeit gegeben ist, die Modellgüte bzgl. Wind in einem großen Ensemble an Hindcast-Simulationen für 1961 bis 2000 zu testen. Beobachtungsdaten für die Windgeschwindigkeit in 10m Höhe über der Geländeoberfläche wurden durch den Deutschen und den Niederländischen Wetterdienst (DWD und KNMI) zur Verfügung gestellt. Von den meisten der in die Untersuchung einbezogenen Regionalmodelle lagen zwei Simulationen mit unterschiedlicher Auflösung vor, 50km und 25km. Um die Modellgüte im Vergleich mit der des antreibenden Feldes zu analysieren sowie auch die Unsicherheiten unter Einbeziehung unterschiedlicher Modellauflösungen zu evaluieren, wurden verschiedene statistische Gütemaße angewendet. An Stationen über Land überschätzen die Regionalmodelle die mittleren Windgeschwindigkeiten, wogegen Perzentilwerte von täglichen maximalen Windgeschwindigkeiten gut getroffen werden. Die Simulationsergebnisse der höheren Auflösung (25km) sind oft näher an den Beobachtungen als die der gröberen Auflösung von 50km. Bildet man ein Mittel aus den Simulationsergebnissen in jeder Auflösung stellt man eine gute Widergabe der Windgeschwindigkeit fest und auch einen allgemeinen Mehrwert gegenüber den Windgeschwindigkeiten des antreibenden Modells ERA40. Zusätzlich wurde auch eine Wetterlagenklassifikation durchgeführt und mit einer weiteren, durch ENSEMBLES zu Verfügung gestellten, dahingehend verglichen, inwieweit diese das Windklima der Nordsee reflektieren. Ergebnisse einer wetterlagenabhängigen Evaluierung des Windklimas in den Regionalmodellen ergaben einen starken Effekt der stationsnahen Umgebung auf die Beobachtungen.

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