Original paper

The evolution of ERA-40 surface temperatures and total ozone compared to observed Swiss time series

Kunz, Heike; Scherrer, Simon C.; Liniger, Mark A.; Appenzeller, Christof

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 2 (2007), p. 171 - 181

published: May 7, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0183

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Abstract

The aim of this paper is to compare long term changes derived from ERA-40 reanalysis with the corresponding changes found in carefully homogenized observational data. Focus is given on two climate key parameter, daily surface temperature (T2) and total ozone in the Alpine region for the period 1961-2000. Overall the two temperature data sets agree well. The reanalysed temperature trend (0.3°C/decade) is similar to the trend in raw data but underestimates the trend derived from homogenized data by 0.1°C/decade. Differences between ERA-40 and the observations decrease with time. The bias is reduced from ±2° in the 1960s to ±1° in the 1990s. Differences show a distinct annual cycle. On average ERA-40 overestimates T2 in summer by 1.0°C and underestimates it by 0.4°C in winter. A simple downscaling procedure is applied to compare the temperature values of single Swiss station series with ERA-40 data. The technique makes use of a topographic lapse rate derived from observations. It is shown that the lapse rate has a distinct seasonal cycle in the Alpine region. The use of this seasonal varying lapse rate reduces considerably the seasonal bias found between ERA-40 and the observed series. In contrast to the temperature data the two ozone data sets show strong differences between time periods satellite data has been assimilated or not. In the episodes where ozone measurements from satellites are used, basically after 1979, the total ozone values agree well with ERA-40. The reanalysis data slightly overestimates the observations by 10 DU (Dobson Units). Before 1973 the error is a little bit larger with 12 DU, but the lack of satellite data assimilation in ERA-40 results in an enhanced seasonal bias with maximum errors in winter (about 20 DU). The strongest differences are found in the 1970s, when radiance from satellite data was assimilated, but ozone was not. There is a mean bias of 38 DU with maximum errors in winter of about 70 DU.

Kurzfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist es, Änderungen über einen langen Zeitraum aus ERA-40 Re-Analysen mit solchen aus sorgfältig homogenisierten Beobachtungsdaten zu vergleichen. Die Analyse erstreckt sich über den Zeitraum 1961 bis 2000. Im Blickpunkt stehen zwei klimatologische Schlüsselparameter: Tagesmittelwerte der bodennahen Temperatur (T2) und Totalozon im Alpinen Raum. Für die Temperatur stimmen die beiden Datensätze im Allgemeinen gut überein. Der Temperaturtrend aus den Re-Analysen (0.3°C/Dekade) ist ähnlich dem der Rohdaten, unterschätzt aber den Trend, der aus homogenisierten Daten errechnet wurde um 0.1°C/Dekade. Mit der Zeit nehmen die Differenzen zwischen ERA-40 und Beobachtungen ab. Zwischen den 1960er und 1990er Jahren halbiert sich der Bias von +2°C auf +1°C. Die Differenzen zwischen den Datensätzen zeigen einen ausgeprägten Jahresgang. ERA-40 überschätzt die Temperaturen im Sommer im Mittel um 1.0° und unterschätzt sie im Winter um 0.4°C. Um Temperaturwerte an einzelnen Schweizer Stationen mit den ERA-40 Daten vergleichen zu können, wurde eine einfache Methode zur Korrektur der Höhe angewandt. Hierzu wird ein topografisch vertikaler Temperaturgradient benutzt, der aus Beobachtungen an Bodenstationen berechnet wird. Es zeigt sich, dass dieser vertikale Temperaturgradient im Alpinen Raum einen ausgeprägten Jahresgang aufweist. Unter Berücksichtigung dieses saisonal variierenden vertikalen Temperaturgradienten kann der gefundene saisonale Bias zwischen ERA-40 und den Beobachtungsreihen deutlich reduziert werden. Im Gegensatz zu den Temperatur-Datensätzen weichen die beiden Ozon-Datensätze deutlich voneinander ab, je nachdem ob Satellitendaten assimiliert wurden oder nicht. Während der Zeitepisoden nach 1979, in denen Ozon-Messungen von Satelliten genutzt werden konnten, stimmt das beobachtete Totalozon gut mit den ERA-40 Werten überein. Die Re-Analyse Daten überschätzen die Beobachtungen um 10 DU (Dobson Units). Vor 1973 ist der Fehler mit 12 DU im Mittel nur etwas grösser, aber die fehlende Datenassimilation führt zu einem erhöhten saisonalen Bias in den ERA-40 Daten mit maximalen Fehlern im Winter (etwa 20 DU). Die stärksten Unterschiede findet man in den 1970er Jahren, in denen die Strahlungswerte aus Satellitendaten assimiliert wurden, die Ozonwerte jedoch nicht. Für diesen Zeitraum beträgt der mittlere Bias 38 DU mit einem maximalen Fehler von etwa 70 DU im Winter.