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Simulation of summer temperature extremes over the Czech Republic in regional climate models

Kyselý, Jan; Beranová, Romana; Picek, Jan; Štepánek, Petr

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 5 (2008), p. 645 - 661

published: Oct 27, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0319

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Abstract

Three regional climate models (RCMs) are examined in view of the reproduction of high summer temperatures in control climate runs and scenarios of changes for the late 21st century over the Czech Republic. The 'peaks-over-threshold' analysis is applied for modelling probabilities of extremes and the estimation of high quantiles, and particular attention is paid to the choice of the threshold values and the minimum separation time between exceedances. The model validation shows that rather large differences between control climate runs and observations exist for average summer temperatures and mean annual maxima, mainly in HadRM, and the biases become more pronounced for high quantiles of temperature distributions (reaching 8.3° C for 50-yr return levels in HadRM if averaged over the area, and 12.6° C in individual grid boxes). The particular formulation of the RCMs plays a more important role in influencing the spatial patterns and biases of summer temperatures than within-ensemble variability. A strong dependence of the bias in the temperature characteristics on altitude in HadRM and HIRHAM is related to errors in simulating the vertical gradient of cloud cover, suggesting deficiencies in the parameterization of convection. Scenarios of changes for the late 21st century yield large increases in mean annual temperature maxima as well as the 20-yr and 50-yr return values, which appear to be related to the projected summer drying over central and south-eastern Europe. As the magnitudes of the increases largely depend on the RCM, the scenarios of changes and/or daily time series used for a future time horizon in climate change impact studies should be based on an ensemble of outputs from different RCMs and thus reflect the uncertainty due to the RCM formulation.

Kurzfassung

Drei regionale Klimamodelle (RCMs) werden auf ihre Fähigkeit geprüft, hohe Sommertemperaturen in Kontrolläufen und in Klimaänderungsszenarien für das späte 21. Jahrhundert über der Tschechischen Republik zu simulieren. Dabei wird 'peaks over threshold' Analyse zur Modellierung von Wahrscheinlichkeiten für Extreme und für die Schätzung hoher Quantile benutzt. Besonderes Augenmerk wird auf die Wahl der Grenzwerte und der minimalen Intervalle zwischen Grenzwertüberschreitungen gelegt. Die Modelltests zeigen ziemlich große Unterschiede in den mittleren Sommertemperaturen und mittleren jährlichen Maxima zwischen den Kontrolläufen und den Beobachtungen, vor allem im HadRM. Die systmatischen Fehler sind bei hohen Quantilen der Temperaturverteilungen noch stärker ausgeprägt (8.3° C für 50-jährige Ereignisse in HadRM im Flächenmittel und 12.6° C in einzelnen Gitterboxen). Die genaue Formulierung der RCMs beeinflusst die räumlichen Muster und systematischen Fehler der Sommertemperaturen stärker als die Variabilität innerhalb der Ensembles. Die starke Abhängigkeit der systematischen Temperaturfehler von der Höhenlage in HadRM und HIRHAM hängt mit Fehlern bei der Simulierung des Vertikalgradienten in der Wolkenbedeckung zusammen und deutet auf Mängel in der Konvektionsparameterisierung hin. Klimaänderungsszenarien für das späte 21. Jahrhundert ergeben eine starke Zunahme sowohl der mittleren jährlichen Temperaturmaxima als auch der 20-jährigen und 50-jährigen Ereignisse, was mit der vorhergesagten sommerlichen Austrocknung über Zentral- und Südosteuropa zusammenzuhängen scheint. Weil die Höhe der Zunahme stark vom jeweiligen RCM abhängt, sollten Klimawandelszenarien und Studien über zukünftige Klimaauswirkungen auf Ensembles von verschiedenen RCMs aufsetzen, um die Unsicherheit durch die Formulierung der RCMs wiederzugeben.