Regionale Klimamodellierung
Aufgaben und Ziele
Klimaänderungen haben einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität und Quantität von Wasserressourcen. Dies trifft besonders für hydrologisch sensitive Regionen zu. In den expandierenden industriellen Regionen von Entwicklungsländern oder Schwellenländern (wie der Ukraine) ist die unzureichende Gewässerqualität eines der Hauptprobleme, welche das gesellschaftliche Gemeinwohl und die ökonomische Entwicklung negativ beeinflussen können.
Nachhaltige Lösungen von Wasserproblemen auf Basis des integrierten Wasserressourcen Managements (IWRM) müssen den Einfluss zukünftiger klimatischer Änderungen auf die verfügbaren Wasserressourcen mit in Betracht ziehen. Erfolgreiches IWRM in hydrologisch sensitiven Regionen bedarf somit möglichst robuster regionaler Klimaprojektionen.
Hauptziel für die IWAS-Modellregion Osteuropa (Ukraine, Polen, Weißrussland) ist die Projektion regionaler Klimaszenarien bis zum Jahr 2100. Die Ergebnisse der Klimaszenarien werden den einzelnen Arbeitsgruppen für die Entwicklung und Rechnung von Zukunftsszenarien zur Verfügung gestellt. Weiterhin ist die Implementierung eines geeigneten regionalen Klimamodells und somit die Entwicklung einer geeigneten Methodik zum Downscaling globaler Klimaprojektionen wichtiger Teil der Aufgabe.
Methodik
Dynamisches Downscaling basiert auf der numerischen Modellierung atmosphärischer Prozesse auf der regionalen Skala. Hierbei wird ein wesentlich feiner räumlich aufgelöstes Gitter in das gröbere Gitter eines globalen Klimamodells eingebettet (Nesting). Der Output des globalen Klimamodells wird als externer Antrieb an den Rändern des regionalen Gitters verwendet.
Das Regionale Klimamodell CCLM
Das dynamische Downscaling wird im IWAS Projekt mit dem regionalen Klimamodell CCLM (COSMO Climate Local Model) durchgeführt. Das CCLM basiert auf einer Version des LM (Local Model), welches vom Deutschen Wetterdienst (DWD) entwickelt wurde. Es berechnet die atmosphärischen Variablen auf der Grundlage primitiver (im Sinne von ursprünglich) thermo-hydrodynamischer Gleichungen, welche kompressible Flüsse in einer
feuchten Atmosphäre auf einem regulären Breiten- und Längengitter mit einem rotierten Pol und einer der Geländehöhe folgenden Höhenkoordinate beschreiben. Das CCLM wurde konzipiert für Anwendungen auf der meso-ß (20-200 km) and meso-γ Skala (2-20 km). Aktuell wird das Modell von der CLM-Community weiter entwickelt und gepflegt (www.clm-community.eu).
Modellierungsansatz
Im Teilprojekt IWAS Ukraine werden räumlich hochaufgelöste Klimasimulationen (ca. 7 km horizontale Auflösung) mit dem CCLM durchgeführt. Als äußerer Antrieb wird das Allgemeine Zirkulationsmodell (GCM) ECHAM 5 (http://www.mpimet.mpg.de/en/science/models/echam.html) vom MPI Hamburg verwendet. Aufgrund des hohen Downscaling-Faktors (ca. 29) wird ein sog. Doppelnesting durchgeführt, wobei das CCLM im ersten Schritt mit einer räumlichen Auflösung von 0.44° (ca. 50 km), angetrieben vom GCM ECHAM 5, rechnet. In einem zweiten Schritt wird eine räumliche Auflösung von 0.0625° (ca. 7 km) verwendet, wobei hier die Ergebnisse des ersten Nestings als Antrieb dienen. Abbildung 1 zeigt die betreffenden Modellierungs- und Auswertegebiete der beiden Nestings. In Tabelle 1 ist eine Auswahl der wichtigsten Modellkonfigurationsparameter aufgeführt.
Abb. 1: Einzugsgebiet des Westlichen Bug (graue Fläche) mit den zwei Modellgebieten (M1) und (M2) und den dazugehörigen Auswertegebieten (E1) und (E2)
Tab. 1: CCLM Modellkonfiguration für beide Nestings
| Modell Parameter | 1. Nesting | 2. Nesting |
|---|---|---|
| Gitterweite | 0.44° | 0.0625° |
| Anzahl der Gitterpunkte | 51 x 47 | 135 x 107 |
| rotierter Nordpol | lon -158.3°, lat 39.7° | lon -156.9°, lat 39.7° |
| Modell Zeitschritt | 240 sec. | 40 sec. |
| Ausgabe Zeitschritt | 3 hr | 3 hr |
| Integrations Schema | Runge Kutta | Runge Kutta |
| Konvektions Schema | Tiedtke | Tiedtke |
Ergebnisse
Evaluierung
Voraussetzung für das Downscaling von globalen Klimaprojektionen ist die Bewertung der Modellgüte. Ein Klimamodell sollte in der Lage sein die Vergangenheit mit hinreichender Güte abzubilden, um vertrauenswürdige Projektionen rechnen zu können. Zur Evaluierung des Regionalen Klimamodells CCLM wurde ein Kontrolllauf für den Zeitraum 1961-1990 (Klimanormalperiode) mit Reanalysedaten (ERA40) als externem Antrieb durchgeführt. Die Modellergebnisse wurden mit regionalisierten Beobachtungsdaten verglichen. Während die langjährigen Mittelwerte der 2m Temperaturen vom Modell sehr gut wiedergegeben werden treten bei den langjährigen jährlichen Niederschlagssummen wesentlich höhere Abweichungen auf (Abb. 2). Hier zeigt sich die Notwendigkeit der Anwendung eines geeigneten Bias-Korrekturverfahrens, um die Ergebnisse für weitere Studien (z.B. Wasserhaushaltsmodellierung) nutzen zu können.
Abb. 2: Bias der langjährigen jährlichen Mittelwerte für Niederschlag und 2m Temperatur (CCLM Kontrolllauf - Beobachtungen)
Klimaprojektionen
Für das Einzugsgebiet des Westlichen Bug werden die IPCC SRES Klimaszenarien A2 und B1 für den Zeitraum 2010 bis 2100 gerechnet. Die Modellläufe von 2010 bis 2050 sind bereits prozessiert und ausgewertet worden. Vorläufige Ergebnisse für die 2m Temperatur zeigen die Abb. 1 und 2. Beide Szenarien weisen für das Einzugsgebiet des Westlichen Bug einen geringen, aber deutlichen Anstieg der Jahresmitteltemperaturen zur Mitte des 21. Jahrhunderts auf. Um robustere Aussagen treffen zu können werden die Modellrechnungen der Klimaszenarien bis zum Jahr 2100 weiter fortgeführt.
![Klimaänderungssignal der 2m Temperatur [°C] für das Einzugsgebiet des Westlichen Bug](/export/data/14/40624_CMS_IMAGE.jpg "Klimaänderungssignal der 2m Temperatur [°C] für das Einzugsgebiet des Westlichen Bug")
Abb. 3: Klimaänderungssignal der 2m Temperatur [°C] für das Einzugsgebiet des Westlichen Bug (SRES Szenario – Kontrolllauf), Flächenmittel
Bearbeiter
Dr. Dirk Pavlik
Technische Universität Dresden
Institut für Hydrologie und Meteorologie
Professur für Meteorologie
01062 Dresden
dirk.pavlik@tu-dresden.de
Dipl. Met. Dennis Söhl
Technische Universität Dresden
Institut für Hydrologie und Meteorologie
Professur für Meteorologie
01062 Dresden
dennis.soehl@tu-dresden.de
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Fachbereich Umweltinformatik
Permoser Str. 15
04318 Leipzig
dennis.soehl@ufz.de
Veröffentlichungen
Artikel
D. Pavlik, D. Söhl, Th. Pluntke, A. Mykhnovych, Ch. Bernhofer (2011): Dynamic downscaling of global climate projections for Eastern Europe with a horizontal resolution of 7km. IWAS Special Issue in Environmental Earth Sciences, doi: 10.1007/s12665-011-1081-1.
Konferenzbeiträge
D. Pavlik, D. Söhl (2010): Regionale Klimaprojektionen für das Einzugsgebiet des Westlichen Bug (Ukraine/Polen/Weißrussland). DACH Meteorologentagung, 20.-24.09.2010, Bonn.
D. Pavlik, D. Söhl (2010): Application and Evaluation of a Regional Climate Model for Eastern Europe. International Conference on Global and Regional Climate Changes, 16.11.-19.11.2010, Kiew.
D. Pavlik, D. Söhl (2010): Dynamic downscaling of global climate projections for modelling the future regional water balance and water quality in Ukraine. In: H. Steusloff (2010) (Hrsg.): IWRM – Integrated Water Ressources Management. IWRM Karlsruhe 2010 - Conference proceedings. (ISBN 978-3-86644-545-1).
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