G. Schädler Statusseminar erausforderung Klimawandel 29.9.2008 Hochauflösende Simulation künftiger Starkniederschlagsereignisse () G. Schädler, H. Feldmann, H.-J. Panitz, B. Früh, R. Kohlhepp, Ch. Kottmeier Institut für Meteorologie und Klimaforschung Universität Karlsruhe / Forschungszentrum Karlsruhe gerd.schaedler@imk.fzk.de www.fzk.de
Schwerpunkt auf Sommer (konvektive Niederschläge) in Baden- Württemberg Evaluierungszeitraum: 1971-2000, Zukunftszeitraum (A1B): 2011-2040 Verwendung umfangreicher Beobachtungsdatensätze Niederschlagssummen, -verteilungen und Wiederkehrwerte Ablauf Episoden Orientierung an KLIWA-Methodik G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Merkmale Nahe Zukunft Klimasimulationen in hoher Auflösung Ensembles eigene Simulationen mit verbesserter Modellphysik und -numerik bei COSMO-CLM Bereitstellung von Modelldaten für andere Projekte und Impaktstudien G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Verwendete Modelle und Daten Regionale Klimamodelle: COSMO-CLM (abgeleitet vom operationellen Wettervorhersagemodell des DWD) REMO: dito Beide werden von ECHAM5 über dynamisches Downscaling angetrieben Daten: COSMO-CLM Konsortialläufe: CLM-CR, 18 km Auflösung REMO Projektionen im Auftrag des UBA: REMO-UBA, 10 km eigene Simulationen mit COSMO-CLM, 7 km Stationsdaten und gerasterte Beobachtungen 1971-2000 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Nahe Zukunft Anpassung Minderung G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Auflösung 55. 54. Niederschlag Herbst (SON) 1971-2000 53. 52. Mannheim Heidelberg 51. Heilbronn Karlsruhe 50. 49. Pforzheim Ludwigsburg Stuttgart Esslingen 48. Tuebingen Reutlingen Ulm 47. Freiburg 46. Konstanz 45. 44. 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 COSMO CLM 7 km SON Prec.: avg.= 230, min.= 144, max.= 364mm C20 ECHAM5 SON precipitation 1971-2000 -1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 2500mm G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Orographie Baden-Württemberg: Beitrag der Wellenlänge zum Spektrum 100000 Faktor 10 -Bereich Amplitude 100 1000000 Amplitude 1000 0.1 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Wellenlänge (km) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Wellenlänge (km) G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Ensemble-Wettervorhersage: COSMO-LEPS Quelle: MeteoSchweiz G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Ensembles in IPCC AR4 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Simulationen mit COSMO-CLM am IMK mit 7 km Auflösung Zweifachnesting Antrieb: ERA, ECHAM5_20C, ECHAM5_A1B (je 2 Realisierungen) 5250 5000 4750 4500 4250 4000 3750 3500 3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 West <- (X in Km) -> Ost 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 5750 Topo (m ASL) Above 1500.0 1250.0-1500.0 1000.0-1250.0 750.0-1000.0 600.0-750.0 500.0-600.0 400.0-500.0 300.0-400.0 250.0-300.0 200.0-250.0 150.0-200.0 100.0-150.0 50.0-100.0 20.0-50.0 10.0-20.0 1.0-10.0 0.0-1.0 Below 0.0 900 Auswertegebiet Verweilzeit im Rechner: ca. 1 Monat auf 16-24 Prozessoren Benötigter Plattenplatz: ca. 50 55 TByte Sued <-- (Y in Km) --> Nord 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 600 West <-- (X in Km) --> Ost 700 800 TOPO (m ASL) Above 1500.0 1250.0-1500.0 1000.0-1250.0 750.0-1000.0 600.0-750.0 500.0-600.0 400.0-500.0 300.0-400.0 250.0-300.0 200.0-250.0 150.0-200.0 100.0-150.0 50.0-100.0 20.0-50.0 10.0-20.0 1.0-10.0 0.0-1.0 Below 0.0 0 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
am IMK-TRO durchgeführte COSMO-CLM (CCLM) Simulationen 1 G. Schädler Statusseminar erausforderung Klimawandel 29.9.2008 Global Data Period Status Wall-Clock Time (d) No of CPUs ERA40 1968-2001 finished finished 9.5 31 16 16 ECHAM5_20C3M all, Realization 1 1968-2000 finished running 9 20 (estimated) 16 24 ECHAM5_20C3M all, Realization 3 1968-2000 finished running 9 20 (estimated) 16 24 ECHAM5_A1B Realization 1 2007-2041 finished running 9 20 (estimated) 16 24 ECHAM5_A1B Realization 3 2007-2041 running in preparation 9 (estimated) 20 (estimated) 16 24 geschätzte Verweilzeit im Rechner: geschätzter Plattenspeicherbedarf: 157 Tage 50 55 TByte
Modellevaluation Mittlere jährliche Niederschlagssumme 1971-2000 in Baden-Württemberg (mm) Beobachtung auf CLM-CR Gitter Simulation CLM-CR Mannheim Heidelberg Mannheim Heidelberg Heilbronn Heilbronn Karlsruhe Karlsruhe Pforzheim Ludwigsburg Pforzheim Ludwigsburg Stuttgart Esslingen Stuttgart Esslingen Tuebingen Reutlingen Tuebingen Reutlingen Ulm Ulm Freiburg Freiburg Konstanz Konstanz Beobachtung auf REMO-UBA Gitter Simulation REMO-UBA Mannheim Heidelberg Mannheim Heidelberg Heilbronn Heilbronn Karlsruhe Karlsruhe Pforzheim Ludwigsburg Pforzheim Ludwigsburg Stuttgart Esslingen Stuttgart Esslingen Tuebingen Reutlingen Ulm Tuebingen Reutlingen Ulm Simulation CLM 7 km (IMK) Freiburg Freiburg Konstanz Konstanz mm 2 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Modellevaluation Anzahl der Tage pro Sommerhalbjahr mit gegebener Niederschlagsmenge in Baden-Württemberg 1971-2000 Precipitation Days Sum mer Half Year 100 10 Observation CLM-CR REMO-UBA 1 1-5 m m 5-10 m m 10-15 m m 15-20 m m 20-25 m m 25-30 m m 30-40 m m 40-50 m m > 50 m m [% ] 0.1 3 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Ensemble -Projektion der Änderung des Sommerniederschlags 4 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
iederkehrwerte (RVs): Gumbel-Diagramm Wiederkehrwert, mm / Tag 80 70 60 50 40 30 20 Verallgemeinerte Pareto Verteilung Kappa Verteilung beobachtete Niederschlagsereignisse Wiederkehrperiode (T), Jahre 24h Niederschlag Beobachtungen JJA Stuttgart 1971 2000 1 2 5 10 20 50 100 5 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Modellevaluation Vergleich der 10-jährlichen Wiederkehrwerte (RV10) Beobachtung / REMO / CLM Sommer (JJA) 1971-2000 a) KD - OBS10 - JJA b) KD - REMO-UBA - JJA b) KD - CLM-CR - JJA 9. 49. 49. 8. 48. 48. 7.5 8.5 9.5 10.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 125 150 200 250mm 7.5 8.5 9.5 10.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 125 150 200 250mm 7.5 8.5 9.5 10.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 125 150 200 250 mm Beobachtungen REMO-UBA CLM-CR 6 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Relative Änderung von RV10 zwischen 1971-200 und 2011-2040 REMO-UBA Änderung in % CLM-CR 7 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Ensemble -Projektion der Änderung von RV10 im Sommerhalbjahr 18 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Episoden: Niederschlagsereignis Rheintal 50 50 50 49.9 49.9 49.9 49.8 49.8 49.8 49.7 49.7 49.7 16:30 17:00 17:30 49.6 49.6 49.6 Latitude (deg N) 49.5 Latitude (deg N) 49.5 Latitude (deg N) 49.5 49.4 49.4 49.4 49.3 49.3 49.3 49.2 49.2 49.2 49.1 49.1 49.1 49 8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 Longitude (deg E) 49 8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 Longitude (deg E) 49 8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 Longitude (deg E) Maximum ca. 21 mm/d 9 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Was wird an Daten vorliegen? Atmosphäre: Wind, Temperatur, Niederschlag, Feuchte, Strahlung Energiebilanzterme: Wärmeflüsse, Verdunstung, Boden: Wassergehalt, Temperatur für jeweils 30 a Gegenwart und Zukunft flächendeckend für Baden-Württemberg räumliche Auflösung 7 km zeitliche Auflösung ab 1 h 0 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Zusammenfassung verbesserte Modellversion COSMO-CLM gibt realistischere Niederschlagsverteilung komplexe Orographie erfordert hohe Auflösung Ensembles erlauben Abschätzung der Verläßlichkeit der Aussagen hohe räumliche Variabilität von Niederschlagssummen und Starkniederschlag, Zu- und Abnahme dicht beieinander geringe Änderung im Flächenmittel, aber hohe räumliche Variabilität 1 G. Schädler Statusseminar Herausforderung
Als Nächstes weitere Verbesserung an Methodik und Modell Ensemble: weitere Simulationen mit anderen Antriebsdaten (HadCM, CCM) und Realisierungen statistische Auswertung der Ergebnisse Aufbereitung der Ergebnisse für Datenbank und Impaktstudien (Regionales Klimabüro) 2 G. Schädler Statusseminar Herausforderung