Wie gut stimmt der modellierte Niederschlag des COSMO-CLM mit Messungen an Klimastationen des DWD überein? Ralf Lindau Uni Bonn 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Beobachtungsanzahl 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 im Durchschnitt 31.000 Beobachtungen des täglichen Niederschlags vor. Das sind etwa 1-5 pro Tag und Gitterfeld. 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Beobachtetes 40-Jahresmittel Die Beobachtungen zeigen Niederschläge von mehr als 1000 mm/a in Voralpenland, Schwarzwald und Bergischem Land. Große Teile Ostdeutschlands erhalten dagegen weniger als 600 mm/a. Das Mittel aller Stationen beträgt 785 mm/a 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

40-Jahresmittel im Modell 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). 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Differenz Modell minus Beobachtung Das Model überschätzt den Regen im Mittel um 189 mm/a (26%) (links). In Westdeutschland ist die Überschätzung sehr ungleichmäßig verteilt. In Ostdeutschland beträgt sie häufig etwa 50%. (rechts) 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Häufigkeitsverteilung von Regenklassen Vergleich zwischen Modell und Beobachtung Häufigkeitsverteilung von Regenintensitätsklassen Modell: Flächenmittel 18 x 18 km2 Obse: Punktförmige Einzelstationen 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Mittelwerte von Modellgitterboxen Das Modell regnet zu häufig. Jede Regenklassenhäufigkeit wird um 10 0.12, also etwa 30% überschätzt. Kein Regen wird an 44% der Tage beobachtet, im Modell sind es lediglich 29% Allerdings gingen alle Gitter- felder ein, auch wenn nur eine Mess-Station in ihr liegt. Kein Regen an einer einzelnen Station ist aber wesentlich häufiger als kein Regen im gesamten Gitterfeld von 18 x18 km2 + Modell 0-9 Obse 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Mindeststationsanzahl 2 3 4 Anteil regenfreier Tage Obs Modell Einzelobs 0.5127 0.2894 mind 1 Obs 0.4422 mind 2 Obs 0.4400 0.2895 mind 3 Obs 0.4374 0.2896 mind 4 Obs 0.4346 0.2892 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Mindeststationsanzahl Einerseits: Viele Stationen pro Gitterfeld sind notwendig, um die gesamte Fläche zu repräsentieren. Andererseits: Große Gebiete Deutschlands erfüllen die Forderung nach mindestens 4 Stationen pro Gitterfeld nicht. 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Korrekturfunktion Mit der Methode gleicher Summenhäufigkeit wird die pdf des Modells in die der Beobachtungen 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 Korrektur stimmen die pdfs überein, auch die Häufigkeit regen- freier Tage (rechts). 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Mittlerer Jahresgang des Modellbias Lauf_1 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. Lauf_1 korrigiert 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Monatliche Korrektur notwendig? 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 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Diplomanden-Doktoranden-Seminar Bonn – 29. Juni 2009 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Differenz Modell minus Beobachtung Die Korrektur vermindert den Regen auch räumlich recht gleichmäßig. Der Kontrast zwischen Oberrheintal und Schwarzwald bleibt z.B. erhalten. uncorrected corrected 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Unkorrigiert minus korrigiert Regionale Wirkung der Korrektur ist sehr gleichmäßig mit etwa -190 mm/a (links). Nur die sehr feine Differenzierung zeigt, dass die Korrektur zwischen 120 mm/a und 260 mm/a variiert (rechts). 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Korrektur für jede Gitterbox notwendig? Es bleibt also trotz Korrektur bei großen regionalen Differenzen des Modells verglichen mit den Beobachtungen (links). Die zeitliche Analogie dieser räumlichen Betrachtungsweise war Jahresgang des Biases 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? 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Korrekturen für zwei Modellläufe Lauf_1 Lauf_2 Beide Läufe sind nahezu identisch. Obwohl beide Läufe mit derselben Korrektur verändert und mit denselben Beobach- tungen verglichen werden. Hat Herr Lindau sich hier vertan? 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Unterschiede zweier Modellläufe 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 für die räumlichen Differenzen. (Maß: Stdabw.) Das Muster des Modellfehlers ist also persistent und muss korrigiert werden. Differenz Lauf_1 Lauf_2 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Korrektur Original Modell-Regen Korrigierter Modell-Regen Bias Korrekturfunktion für jede Gitterbox Bias PDF PDF 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Fehler der Korrektur Lauf_1 minus Obs Lauf_2 minus Obs Korrektur basiert auf Lauf_1. Abschätzung des Fehlers der Korrektur durch Anwendung auf Lauf_2. Räumliche Struktur des Fehlers ähnlich der Differenz der Läufe. Lauf_2 - Lauf_1 Bias : 0.83 mm/a Fehler des Einzelpixels: 2.57 mm/a Bias : 2.96 mm/a Fehler des Einzelpixels: 23.78 mm/a 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Zukünftige Regenmengen Änderung der Regenmenge A1B (2016 – 2025) gegenüber C20 (1960 – 2000) (links). Der Unterschied zwischen Lauf_1 und Lauf_2 ist in der gleichen Größenordung (unten). Also herrscht 2020 noch keine signifikante Änderung im Niederschlag 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Negative Regentrends im Modell Lauf_1 Lauf_2 Unkorrigiert Korrigiert Klimaläufe: Die jährliche Regenmenge für Deutschland sinkt im Zeitraum 1960 - 2000 signifikant. (in beiden Läufen, korrigiert oder unkorriert) 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Keine Regentrends beobachtet Das Modell erzeugt Trends, die in den Beobachtungen nicht zu finden sind. Modell Beobachtung 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009

Zusammenfassung 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? 8. Deutsche Klimatagung Bonn – 8. Oktober 2009