Local Difference Measures between Complex Networks for Dynamical System Model Evaluation

Acknowledgments We thank Reik V. Donner for inspiring suggestions that initialized the work presented herein. Jan H. Feldhoff is credited for providing us with the STARS simulation data and for his contributions to fruitful discussions. Comments by the anonymous reviewers are gratefully acknowledged as they led to substantial improvements of the manuscript.Peer reviewedPublisher PD

The diurnal nature of future extreme precipitation intensification

Short‐duration, high‐impact precipitation events in the extratropics are invariably convective in nature, typically occur during the summer, and are projected to intensify under climate change. The occurrence of convective precipitation is strongly regulated by the diurnal convective cycle, peaking in the late afternoon. Here we perform very high resolution (convection‐permitting) regional climate model simulations to study the scaling of extreme precipitation under climate change across the diurnal cycle. We show that the future intensification of extreme precipitation has a strong diurnal signal and that intraday scaling far in excess of overall scaling, and indeed thermodynamic expectations, is possible. We additionally show that, under a strong climate change scenario, the probability maximum for the occurrence of heavy to extreme precipitation may shift from late afternoon to the overnight/morning period. We further identify the thermodynamic and dynamic mechanisms which modify future extreme environments, explaining both the future scaling's diurnal signal and departure from thermodynamic expectations

Local impact analysis of climate change on precipitation extremes : are high-resolution climate models needed for realistic simulations?

This study explores whether climate models with higher spatial resolutions provide higher accuracy for precipitation simulations and/or different climate change signals. The outputs from two convection-permitting climate models (ALARO and CCLM) with a spatial resolution of 3-4 km are compared with those from the coarse-scale driving models or reanalysis data for simulating/projecting daily and sub-daily precipitation quantiles. Validation of historical design precipitation statistics derived from intensityduration-frequency (IDF) curves shows a better match of the convection-permitting model results with the observations-based IDF statistics compared to the driving GCMs and reanalysis data. This is the case for simulation of local subdaily precipitation extremes during the summer season, while the convection-permitting models do not appear to bring added value to simulation of daily precipitation extremes. Results moreover indicate that one has to be careful in assuming spatial-scale independency of climate change signals for the delta change downscaling method, as high-resolution models may show larger changes in extreme precipitation. These larger changes appear to be dependent on the timescale, since such intensification is not observed for daily timescales for both the ALARO and CCLM models

Dynamical downscaling of CMIP5 1 Global Circulation Models over CORDEX-Africa with COSMO-CLM: evaluation over the present climate and analysis of the added value.

In this work we present the results of the application 8 of the Consor- tium for Small-scale Modeling (COSMO) Regional Climate Model (COSMO-CLM, hereafter, CCLM) over Africa in the context of the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX). An ensemble of climate change projections has been created by downscaling the simulations of four Global ClimateModels (GCM), namely:MPI-ESM-LR, HadGEM2- ES, CNRM-CM5, and EC-Earth. Here we compare the results of CCLM to those of the driving GCMs over the present climate, in order to investigate whether RCMs are effectively able to add value, at regional scale, to the performances of GCMs. It is found that, in general, the geographical distribution of mean sea level pressure, surface temperature and seasonal precipitation is strongly affected by the boundary conditions (i.e. driving GCMs), and seasonal statistics are not always improved by the downscaling. However, CCLM is generally able to better represent the annual cycle of precipitation, in particular over Southern Africa and the West Africa Monsoon (WAM) area. By performing a Singular Spectrum Analysis (SSA) it is found that CCLM is able to reproduce satisfactorily the annual and sub-annual principal components of the precipitation time series over the Guinea Gulf, whereas the GCMs are in general not able to simulate the bimodal distribution due to the passage of the WAM and show a unimodal precipitation annual cycle. Furthermore, it is shown that CCLM is able to better reproduce the Probability Distribution Function (PDF) of precipitation and some impact-relevant indices such as the number of consecutive wet and dry days, and the frequency of heavy rain events.JRC.H.7-Climate Risk Managemen

Elevation gradients of European climate change in the regional climate model COSMO-CLM

A transient climate scenario experiment of the regional climate model COSMO-CLM is analyzed to assess the elevation dependency of 21st century European climate change. A focus is put on near-surface conditions. Model evaluation reveals that COSMO-CLM is able to approximately reproduce the observed altitudinal variation of 2m temperature and precipitation in most regions and most seasons. The analysis of climate change signals suggests that 21st century climate change might considerably depend on elevation. Over most parts of Europe and in most seasons, near-surface warming significantly increases with elevation. This is consistent with the simulated changes of the free-tropospheric air temperature, but can only be fully explained by taking into account regional-scale processes involving the land surface. In winter and spring, the anomalous high-elevation warming is typically connected to a decrease in the number of snow days and the snow-albedo feedback. Further factors are changes in cloud cover and soil moisture and the proximity of low-elevation regions to the sea. The amplified warming at high elevations becomes apparent during the first half of the 21st century and results in a general decrease of near-surface lapse rates. It does not imply an early detection potential of large-scale temperature changes. For precipitation, only few consistent signals arise. In many regions precipitation changes show a pronounced elevation dependency but the details strongly depend on the season and the region under consideration. There is a tendency towards a larger relative decrease of summer precipitation at low elevations, but there are exceptions to this as wel

Complex networks for climate model evaluation with application to statistical versus dynamical modeling of South American climate

Acknowledgments: This paper was developed within the scope of the IRTG 1740/TRP 2011/50151-0, funded by the DFG/FAPESP. Furthermore, this work has been financially supported by the Leibniz Society (project ECONS), and the Stordalen Foundation (JFD). For certain calculations, the software packages pyunicorn (Donges et al. 2013a) and igraph (Csa´rdi and Nepusz 2006) were used. The authors would like to thank Manoel F. Cardoso, Niklas Boers, and the reviewers for helpful comments on the manuscript. Open Access: This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License which permits any use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author(s) and the source are credited.Peer reviewedPostprin

Projecting the impacts of climate change on wheat yields in the UK and Germany and assessing modeling uncertainties

Climate change and variability are projected to negatively affect wheat production in Europe. The impacts of climate change are typically projected using global and regional climate models (GCMs and RCMs) and impact assessment tools such as crop models. However, this impact simulation chain can propagate uncertainty, as errors are introduced by GCMs, RCMs, and crop models. There are also many intermediate steps and decisions in the impact simulation process that are influenced by the different communities of practice that utilize climate and crop models. These differences in methods and approaches can also influence the range of future yield projections. Yield projections are thus considered inherently uncertain because of this cascade of uncertainty. This interdisciplinary study projects the impacts of climate change on wheat yields in the UK and Germany, two key wheat-growing countries. Added value is found when using RCMs for downscaling temperature and precipitation simulations for the impact assessment. However, these GCM-RCM simulations are shown to have significant errors relative to observations, necessitating a bias correction (BC) step. Different BC methods are shown to be effective in improving simulations. Two BC calibration approaches, one that corrects RCM-only error and the other GCM-RCM error, are used to examine how different GCM-RCM combinations can affect projected changes in climate. Future climate projections are used in a multi-method crop modeling approach, and the uncertainty in the resulting yield projections is analyzed. Key findings are that wheat yields in the UK and Germany will be affected by changes in temperature and precipitation. However, these impacts are shown to be region-dependent and vary based on the crop modeling method, making the choice of crop modeling method a major contributor to uncertainty

Multivariate Bias‐Correction of High‐Resolution Regional Climate Change Simulations for West Africa: Performance and Climate Change Implications

A multivariate bias correction based on N-dimensional probability density function transform (MBCn) technique is applied to four different high-resolution regional climate change simulations and key meteorological variables, namely precipitation, mean near-surface air temperature, near-surface maximum air temperature, near-surface minimum air temperature, surface downwelling solar radiation, relative humidity, and wind speed. The impact of bias-correction on the historical (1980–2005) period, the inter-variable relationships, and the measures of spatio-temporal consistency are investigated. The focus is on the discrepancies between the original and the bias-corrected results over five agro-ecological zones. We also evaluate relevant indices for agricultural applications such as climate extreme indices, under current and future (2020–2050) climate change conditions based on the RCP4.5. Results show that MBCn successfully corrects the seasonal biases in spatial patterns and intensities for all variables, their intervariable correlation, and the distributions of most of the analyzed variables. Relatively large bias reductions during the historical period give indication of possible benefits of MBCn when applied to future scenarios. Although the four regional climate models do not agree on the same positive/negative sign of the change of the seven climate variables for all grid points, the model ensemble mean shows a statistically significant change in rainfall, relative humidity in the Northern zone and wind speed in the Coastal zone of West Africa and increasing maximum summer temperature up to 2°C in the Sahara

Cosmo-clm (cclm) Climate Simulations Over Turkey: Performance Evaluation And Climate Projections For The 21st Century

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017İklim modelleri, iklim sistemi bileşenleri arasındaki karmaşık etkileşimleri anlamaya yarayan birincil araçlardır. Öte yandan, emisyon senaryolarının yardımıyla iklim sistemi bileşenlerinin gelecekteki durumunu simüle etmek için kullanılmaktadır. İklim değişikliği küresel bir olgu olmasına rağmen, iklim değişikliğinin etkileri yerel ve bölgesel ölçekte de hissedilebilmektedir. Çözünürlüğü 100 km ile 400 km arasında değişen genel dolaşım modellerinin (GCM) yardımı ile bölgesel ölçekte iklim değişimlerini çözebilmek ve bu bölgesel etkileri değerlendirmek zordur. Bu nedenle, bölgesel iklim modelleri (RCM) ülke çapında gelecek projeksiyonlarını gerçekleştirmek ve politik çözümler üretmek için gereklidir. Yaygın bir yöntem olan dinamik ölçek küçültme yöntemi ile, bölgesel iklim modelleri genel dolaşım modellerinin ölçeğini dinamik olarak küçültmektedir. Böylece bölgesel iklim modelleri, kıyı şeritleri gibi yüzey heterojenliklerinden etkilenen alanlar hakkında daha ayrıntılı bilgiler sağlamakta ve orta ölçekli atmosferik olayları genel dolaşım modellerinden daha iyi yakalamaktadır. Çalışmanın genel amacı Türkiye ve batısı için günümüz ve gelecek koşulları iklim simülasyonlarını gerçekleştirmektir. Bu amaç için hidrostatik olmayan sınırlı alan modeli COSMO-CLM (CCLM) iklim modeli koşturulmuştur. Açılımı Consortium for Small-scale Modeling olan COSMO modeli, CLM Topluluğu (CLM-Community) tarafından Alman Meteoroloji Servisi’nin Bölgesel Modeli (Local Model) kullanılarak geliştirilmiştir. COSMO modeli, herhangi bir ölçek yaklaşımı kullanılmadan nemli atmosferdeki sıkıştırılabilir akışı tanımlayan ilkel termo-hidrodinamik denklemlere dayanmaktadır. Model denklemleri dönen coğrafi koordinatlarda formüle edilmiş ve yüzeyi takip eden yükseklik koordinatlarında genelleştirilmiştir. Atmosferdeki bazı fiziksel süreçler parametreleştirme şeması ile hesaba katılmıştır. Çalışma kapsamı yerel iklim koşullarının ortaya koyulması olduğundan 0.11° (yaklaşık 12 km) çözünürlüğe kadar inilmiştir. Simülasyonlar 1971’den 2005 yılının sonuna kadar olan 35 yıllık bir zaman aralığını kapsamaktadır. Ancak yüksek çözünürlükte modelin başlangıç birkaç yılı spin up zamanı olarak alınmakta olup analizlerde kullanılmamaktadır. Model için kullanılan koordinatlar dıştaki çalışma alanı için Türkiye esas alınarak, içteki çalışma alanı için ise Türkiye’nin batısı baz alınarak seçilmiştir. Hem günümüz hem de gelecek küresel iklim simülasyonları, CCLM sınırlı alan modelinin Max-Plank Meteoroloji Enstitüsü (Max-Planck-Institut for Meteorology) tarafından geliştirilen ve CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project Phase 5) arşivinde yer alan MPI-ESM-LR yer sistem modeli çıktılarıyla zorlanmasından elde edilmiştir. MPI-ESM yer sistem modeli, atmosferi temsil eden ECHAM6 ve buz-okyanus ilişkisini içeren MPIOM genel sirkülasyon modellerinden oluşmaktadır. Bunların yanı sıra MPI-ESM-LR, yer yüzeyi ve bitki örtüsünün atmosfer ile etkileşimini kapsayan JSBACH; okyanus biyogeokimyasını temsil eden HAMOCC alt sistem modellerini içermektedir. Düşük çözünürlükteki bu konfigürasyon, atmosfer için T63/1.9° yatay çözünürlükte olmasından dolayı 0.11° çözünürlüğe ulaşabilmek adına 2 aşamalı dinamik yuvalama stratejisi izlenmiştir. Öncelikle CCLM, MPI-ESM-LR ile zorlanarak 0.44° (yaklaşık 50 km) çözünürlükte simülasyonlar elde edilmiştir. Daha sonra 3 saatlik aralıklar ile yazdırılan 0.44° simülasyonları ile zorlanan CCLM modeli 0.11° çözünürlükte koşturulmuştur. Bunun yanı sıra, karmaşık topografya ve kıyı şeritlerine sahip aynı bölge ve aynı referans dönemi için CCLM modelinin performansını keşfetmek amacıyla bir kez de NCAR/NCEP Reanalysis veri seti ile dinamik ölçek küçültme yöntemi uygulanmıştır. 0.44° çözünürlüğe sahip simülasyonlar, küresel veri setlerinden biri olan ve 0.5° grid çözünürlüğüne sahip İklim Araştırma Birimi (CRU) veri setinin ortalama sıcaklık ve yağış verileri ile karşılaştırılarak Türkiye gibi kompleks bir topoğrafya üzerinde modelin tutarlılığı irdelenmiştir. Bunun yanı sıra, 0.11° çözünürlüğe sahip simülasyonlar için Türkiye’ye ait ortalama sıcaklık gözlemi yapan 372 Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) istasyonundan, %20’den fazla eksik veri bulunduran istasyonlar elenerek, geriye kalan 217 noktadaki gözlem verisinden çalışma alanında kalan 48 istasyona ait veriler, istasyonlara en yakın gridlerdeki model çıktıları ile karşılaştırılarak yanlılık analizi yapılmıştır. Aynı yöntem ile yağış için Türkiye genelinde bulunan 283 istasyondan en çok veriye sahip 212 istasyon hesaplanmış ve bu 212 istasyon içerisinden 48 istasyonun ise çalışma alanı içerisinde kaldığı tespit edilmesinin ardından yağış için de yanlılık analizi yapılmıştır. Ayrıca ortalama sıcaklık için model yüksekliklerinden istasyon yükseklikleri çıkarılmış, bu değerler sıcaklığın yükseklik ile değişimini ifade eden ortalama lapse rate (6.5℃/km) ile çarpıldıktan sonra model çıktılarına eklenmiştir. Bu düzeltmenin sonucunda elde edilen yeni model sonuçlarının, istasyon değerleri ile tekrar farkı alınarak model topoğrafyasının sıcaklık ile ilişkilendirilmesi sağlanmış ve Türkiye’nin batı bölgesinde model taraflılığı test edilmiştir. 2-m sıcaklıkların yıllık ve mevsimsel ortalamalarına bakıldığında hem reanaliz veri seti ile koşturulan hem de MPI-ESM-LR yer sistem modeli ile kuple edilen CCLM model sonuçlarının CRU gözlem verisetine göre, 0.44° çözünürlüğe sahip ana çalışma alanı üzerinde benzer sıcaklık dağılımı ortaya koymaktadır. Yıllık sıcaklık ortalamaları, kuple edilen model simülasyonlarının Türkiye üzerinde daha tutarlı (± 1℃) olduğunu göstermektedir. Benzer şekilde reanalizle zorlanan model sonuçlarında kış ve sonbahar mevsimlerinde soğuk yanlılığın hâkim olduğu Türkiye’de kuple edilen model, değerleri daha tutarlı hale getirmektedir. Bu karşılaştırmalarda en çok dikkat çeken, her iki şekilde de koşturulan CCLM modelinin genellikle Kafkas Dağları gibi dağlık bölgelerde daha büyük yanlılığa (>2℃) sahip olmasına rağmen yükseltinin fazla olduğu Türkiye'nin kuzeydoğusundaki sıcaklıkları daha düşük (2℃) over mountainous regions such as Caucasus Mountains, it underestimates the temperatures (6℃) particularly over eastern (for 0.44° resloution) and inland (for 0.11° resloution) parts of Turkey is expected in summer season. However, this climate change does not only refer to increasing temperatures but also to changing precipitation regimes. There is a tendency towards a larger relative decrease of summer precipitation at higher elevations, but there are exceptions to this as well. Drier conditions exceeding 90 mm are apparent over the mountainous regions in 2071-2100 period compared to previous periods, especially for the projections of 0.11° resolution.Yüksek LisansM.Sc