8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009 Wie gut stimmt der modellierte Niederschlag des...

8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Wie gut stimmt der modellierte Niederschlag des COSMO-CLM mit Messungen an Klimastationen des

DWD überein?

Ralf LindauUni Bonn

8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Für einen 41-Jahres-Zeitraum (1960 – 2000)werden Beobachtungen von Regenmessstationen des DWD mit CLM-Ergebnissen verglichen.

Auf jedem 18 km X 18 km Gitterfeld liegen imDurchschnitt 31.000 Beobachtungen des täglichenNiederschlags vor. Das sind etwa 1-5 pro Tag undGitterfeld.

Beobachtungsanzahl

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Die Beobachtungen zeigen Niederschläge vonmehr als 1000 mm/a in Voralpenland, Schwarzwaldund Bergischem Land. Große Teile Ostdeutschlandserhalten dagegen weniger als 600 mm/a.

Das Mittel aller Stationen beträgt 785 mm/a

Beobachtetes 40-Jahresmittel

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Im Model fällt in Mitteleuropa 993 mm/a Niederschlag (links).

Bildet man Datenpaare und wertet das Modell nur an Tagen und Gitterpunkten aus, an denen Beobachtungen vorliegen, vermindert sich der Niederschlag auf 974 mm/a (rechts).

40-Jahresmittel im Modell

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Das Model überschätztden Regen im Mittel um 189 mm/a (26%) (links).

In Westdeutschland ist dieÜberschätzung sehr ungleichmäßig verteilt. InOstdeutschland beträgtsie häufig etwa 50%. (rechts)

Differenz Modell minus Beobachtung

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Vergleich zwischen Modell und Beobachtung

Häufigkeitsverteilung von Regenintensitätsklassen

Modell: Flächenmittel 18 x 18 km2

Obse: Punktförmige Einzelstationen

Häufigkeitsverteilung von Regenklassen

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Das Modell regnet zu häufig.

Jede Regenklassenhäufigkeitwird um 10 0.12, also etwa30% überschätzt.

Kein Regen wird an 44% derTage beobachtet, im Modellsind es lediglich 29%

Allerdings gingen alle Gitter-felder ein, auch wenn nureine Mess-Station in ihr liegt.

Kein Regen an einer einzelnenStation ist aber wesentlich häufiger als kein Regen imgesamten Gitterfeld von 18 x18 km2

+ Modell

0-9 Obse

Mittelwerte von Modellgitterboxen

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Mindest-Stations-Anzahl

2

3

4

Obs Modell

Einzelobs 0.5127 0.2894

mind 1 Obs 0.4422 0.2894

mind 2 Obs 0.4400 0.2895

mind 3 Obs 0.4374 0.2896

mind 4 Obs 0.4346 0.2892

Anteil regenfreier Tage

Mindeststationsanzahl

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Einerseits: Viele Stationen pro Gitterfeldsind notwendig, um die gesamte Fläche zu repräsentieren.

Andererseits: Große Gebiete Deutschlandserfüllen die Forderung nach mindestens 4 Stationen pro Gitterfeld nicht.

Mindeststationsanzahl

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Mit der Methode gleicher Summenhäufigkeitwird die pdf des Modells in die derBeobachtungen überführt.Durch die Transfer-Funktion (links) werden sämtliche Modell-Regenraten vermindert.

99.94 – 100.07 mm/d 82.5 mm/d

2.95 - 3.06 mm/d 2.0 mm/d 0.00 – 0.45 mm/d 0.0 mm/d

Nach der Korrekturstimmen die pdfs überein, auch die Häufigkeit regen-freier Tage (rechts).

Korrekturfunktion

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Lauf_1

Lauf_1korrigiert

Lauf_2

Korrektur vermindert den Niederschlag in allen Monaten etwa gleich. Ist eine monatliche Korrekturfunktion (Febr. stark, März schwach) notwendig?Vergleiche Unterschiede zwischen den Monaten eines Laufs mit den Unterschieden zwischen den Läufen.

Mittlerer Jahresgang des Modellbias

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Der Jahresgang erzeugt eine Standardabweichung von 0.24 mm/d.

Die Standardabweichung der Differerenz beider Läufe ist mit 0.26 mm/d vergleichbar.

Also ist der Jahresgang nicht signifikant.

Mittelwert mm/d

Stdabw. mm/d

Lauf_1 0.537 0.237

Lauf_2 0.538 0.241

Lauf_1corr 0.006 0.200

Diff_1-2 0.001 0.264

rms - 0.253

Monatliche Korrektur notwendig?

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dd

nd

n

1

1

1 2

ddn

dnnn

1

1

11 2

dd

nd

nndd

nd

n

1

1

111 22

2

dvar

n

d )(var2biasrms

Diplomanden-Doktoranden-Seminar Bonn – 29. Juni 2009

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uncorrected corrected

Die Korrektur vermindert den Regen auch räumlich recht gleichmäßig.

Der Kontrast zwischenOberrheintal und Schwarzwald bleibt z.B. erhalten.

Differenz Modell minus Beobachtung

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Regionale Wirkung derKorrektur ist sehrgleichmäßig mit etwa -190 mm/a (links).

Nur die sehr feineDifferenzierung zeigt,dass die Korrektur zwischen 120 mm/a und 260 mm/a variiert(rechts).

Unkorrigiert minus korrigiert

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Es bleibt also trotzKorrektur bei großenregionalen Differenzendes Modells verglichenmit den Beobachtungen(links).

Die zeitliche Analogiedieser räumlichen Betrachtungsweisewar Jahresgang desBiases nach Korrektur(rechts).

Mithilfe einer 2. Modell-Realisation wurde der Jahresgang des Biases als zufällig entlarvt.

Ist auch die räumliche Streuung zufällig oder tritt ein ähnliches Muster im 2.Lauf auf?

Korrektur für jede Gitterbox notwendig?

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Lauf_1 Lauf_2

Beide Läufe sind nahezuidentisch.

Obwohl beide Läufemit derselben Korrekturverändert und mitdenselben Beobach-tungen verglichen werden.

Hat Herr Lindau sichhier vertan?

Korrekturen für zwei Modellläufe

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Auch die Original-Läufe sind sehr ähnlich, aber nicht gleich (links).

Die Unterschiede zwischen beiden Läufen betragen 20 mm/a verglichen mit 1000 mm/a fürdie räumlichenDifferenzen. (Maß: Stdabw.)

Das Muster des Modellfehlers ist alsopersistent und musskorrigiert werden.

Lauf_1

Lauf_2

Differenz

Unterschiede zweier Modellläufe

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Korrekturfunktion für jede Gitterbox

Original Modell-Regen Korrigierter Modell-Regen

Bias B

ias

PD

F

PD

F

Korrektur

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Lauf_1 minus Obs Lauf_2 minus Obs

Bias : 0.83 mm/aFehler des Einzelpixels: 2.57 mm/a

Bias : 2.96 mm/aFehler des Einzelpixels: 23.78 mm/a

Korrektur basiert auf Lauf_1.

Abschätzung des Fehlers der Korrektur durch Anwendung auf Lauf_2.

Räumliche Struktur desFehlers ähnlich der Differenz der Läufe.

Lauf_2 - Lauf_1

Fehler der Korrektur

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Änderung der Regenmenge A1B (2016 – 2025) gegenüber C20 (1960 – 2000) (links).

Der Unterschied zwischen Lauf_1 und Lauf_2ist in der gleichen Größenordung (unten).

Also herrscht 2020 nochkeine signifikanteÄnderung im Niederschlag

Zukünftige Regenmengen

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Klimaläufe:

Die jährliche Regenmengefür Deutschland sinkt imZeitraum 1960 - 2000signifikant.(in beiden Läufen,korrigiert oder unkorriert)

Lauf_1 Lauf_2

Unkorrigiert

Korrigiert

3388.07774.0 3076.01626.1

2662.00530.1 2947.06923.0

Negative Regentrends im Modell

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Modell BeobachtungDas Modell erzeugt Trends, die in denBeobachtungen nicht zu finden sind.

Keine Regentrends beobachtet

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• Verglichen mit Beobachtungen regnet es im Zeitraum 1960 bis 2000 im Klimamodell zu häufig und zuviel.

• Lösung: Die pdf des Modells wird für jeden Gitterpunkt in die der Beobachtungen überführt.

• Bis 2020 sind die prognostizierten Änderungen im Regen klein gegenüber dem Bias des Modells und vergleichbar mit der Modellunsicherheit.

• Im Zeitraum 1960 bis 2000 erzeugt das Klimamodell signifikante Trends im Niederschlag, die in den Beobachtungen nicht zu finden sind. Sind prognostizierte Trends des Klimamodells dann noch glauwürdig?

Zusammenfassung