Changes in weather extremes: Assessment of return values using high resolution climate simulations at convection-resolving scale

Abstract

Global and regional climate models are currently employed on horizontal resolutions down to 10 km. State-of-the-art numerical weather predicition (NWP) models are already used at the kilometer-scale. At this resolution explicit calculation of convection becomes feasible and effects of small-scale topographic features and land use structures can be accounted for. It is assumed that consequently extremes like wind gusts, thunderstorms or heavy rain will be modeled more realistically. COSMO-CLM is the climate version of the NWP model of the COSMO consortium. It has been employed in simulations at 1,3 km resolution over the region of Rhineland-Palatinate. Two time slices of 10 years (1960-69 and 2015-24) show changes in extremes for the IPCC A1B scenario. A “peaks over threshold” (POT) extreme value analysis gives information about changes in extremes of near-surface wind speed, screen level temperature and precipitation. Moving block bootstrapping is used for the assessment of the stability of the POT method. Regionalization of the extreme value analysis shows that mountaineous regions will experience the strongest change in daily minimum temperature extremes while in flat and lowland region daily maximum temperature extremes change most. The changes in wind speed tend around zero, in the mean as well as in the extremes. Our study shows that there is an added value through the better resolution of the meteorological variability. German Globale und regionale Klimamodelle werden derzeit mit räumlichen Auflösungen von 10 km oder mehr betrieben. State-of-the-art Wettervorhersagemodelle sind dagegen in ihrer Auflösung an der Kilometerskala angekommen, was die explizite Berechnung von Konvektion und die Berücksichtigung von topographischen Effekten z.B. in Mittelgebirgsregionen ermöglicht. Es besteht die Annahme, dass sich dadurch Extreme wie Starkwindereignisse, Gewitter oder Starkregen realistischer modellieren lassen. Das COSMO-CLM, die Klimaversion des Wettervorhersagemodells des COSMO-Konsortiums, wurde mit einer Auflösung von 1.3 km für das Gebiet von Rheinland-Pfalz betrieben. Zwei Zeitscheiben von jeweils 10 Jahren (1960-69 und 2015-25) zeigen die Veränderungen in Extremereignissen für das A1B Szenario des IPCC. Eine “Peaks over threshold” (POT) Extremwertanalyse gibt Aufschluss über Veränderungen in den Extrema des bodennahen Windes, der Temperatur und des Niederschlags. Die Stabilität der Analyse wird mit moving-block Bootstrapping getestet. Wird die Analyse auf die einzelnen Gitterpunkte angewendet, so zeigt sich, dass Bergregionen die größten Temperaturänderungen in den Extremen der Tagesminima zu erwarten haben, im Gegensatz zum Flachland, wo die Tagesmaxima der Temperatur die stärkste Veränderung zeigen. Änderungen in den Windgeschwindigkeiten bewegen sich um Null, im Mittel wie auch in den Extrema. Unsere Studie zeigt den Mehrwert, der durch erhöhte Variabilität meteorologischer Größen aufgrund besserer horizontaler Auflösung erreicht werden kann.