Original paper

Evaluation of daily precipitation characteristics in the CLM and their sensitivity to parameterizations

Bachner, Susanne; Kapala, Alice; Simmer, Clemens

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 4 (2008), p. 407 - 419

published: Aug 25, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0300

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Abstract

This paper presents a detailed evaluation study of the regional climate model CLM (climate version of the “Lokal-Modell”), driven by ERA-40 re-analysis data, with respect to summer precipitation characteristics over Germany. Since extremes might become more important in a changing climate, characteristics other than mean values need to be analyzed in more detail. Two aspects are investigated, namely the capability of the CLM to simulate different statistical characteristics of daily precipitation and the sensitivity of these characteristics to changes in the physical parameterizations. Our evaluation is based on 132 model runs, encompassing 11 summers with 12 different model configurations each, and relates to observations of a dense station network. In addition to its frequency distribution, different characteristics of daily precipitation, including extremes, are assessed by means of several indices. We analyze these characteristics in four different regions of Germany with a size of about 220x220 km2, by assessing the model skill with respect to both the spatial average and the spatial structure within these regions. The range of the model uncertainty due to modified parameterizations is derived for all indices and regions. Our results indicate that: (i) the CLM underestimates both observed total precipitation and wet-day frequency, although the wet-day precipitation intensity is simulated quite well, (ii) the model deviations from observations of the indices describing extreme events are comparable to those of the total precipitation amount, (iii) the frequency distribution is reasonably well simulated by the CLM, (iv) the CLM is unable to adequately reproduce the observed spatial structure of precipitation indices within the selected regions, (v) in the southernmost region which is characterized by complex terrain the CLM performance is generally low, and (vi) the uncertainty due to the modified physical parameterizations is considerable. All in all, the model performance differs for different characteristics, regions or model configurations, which leads to the conclusion that application-specific evaluation studies are indispensable prior to using the model results from climate change projections.

Kurzfassung

In dieser Studie wird eine detaillierte Evaluierung des regionalen Klimamodells CLM (Klimaversion des “Lokal-Modells”), angetrieben mit ERA-40 Reanalysen, bezüglich verschiedener Eigenschaften der Sommerniederschläge in Deutschland vorgestellt. Da eine Verstärkung von Extremen in einem sich ändernden Klima zunehmend diskutiert wird, ist es wichtig neben Mittelwerten auch andere Verteilungsparameter genauer zu betrachten. Dabei werden hier zwei Aspekte untersucht, nämlich die Fähigkeit des CLM verschiedene statistische Eigenschaften täglicher Niederschläge wiederzugeben und die Sensitivität dieser Eigenschaften bezüglich Änderungen in den Modellparametrisierungen. Die Evaluierung beruht auf 132 Modellläufen, die 11 Sommer mit je 12 Modellkonfigurationen umfassen, und bezieht sich auf Beobachtungen eines dichten Stationsnetzes. Zusätzlich zur Häufigkeitsverteilung werden verschiedene Charakteristika von täglichen Niederschlägen in Form von Indizes betrachtet, die auch Kennwerte extremer Ereignisse umfassen. Diese Indizes werden in vier ausgewählten Regionen mit einer Größe von 220x220 km2 untersucht, wobei die Modellgüte sowohl bezüglich der Gebietsmittel als auch der räumlichen Struktur innerhalb dieser Regionen betrachtet wird. Die Spannweite der Modellunsicherheit durch Änderungen in den Parametrisierungen wird für alle Indizes und Regionen ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass: (i) das CLM den beobachteten Gesamtniederschlag sowie die Niederschlagshäufigkeit unterschätzt, obwohl die mittlere Intensität recht gut simuliert wird, (ii) die Modellabweichungen für die Indizes, die extreme Niederschläge beschreiben, im Allgemeinen nicht größer sind als jene für den Gesamtniederschlag, (iii) die Häufigkeitsverteilung relativ gut simuliert wird, (iv) das CLM nicht in der Lage ist, die beobachtete räumliche Struktur der Niederschlagsindizes innerhalb der gewählten Regionen angemessen wiederzugeben, (v) in der südlichsten Region, die sich durch komplexes Terrain auszeichnet, die Modellgüte allgemein niedrig ist, und (vi) die gefundene Modellunsicherheit aus den Änderungen in den Parametrisierungen beträchtlich ist. Insgesamt lässt sich sagen, dass die Modellgüte bezüglich der verschiedenen Eigenschaften, Regionen und Modellkonfigurationen stark variiert, was zu dem Schluss führt, dass vor der Nutzung der Modellergebnisse aus Klimaprojektionen jeweils eine anwendungsspezifische Evaluierung unumgänglich ist.