Analysis of Atmospheric Precursor of Extreme Summers in Central Europe

In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften extrem heißer und trockener Sommer in Zentraleuropa und deren vorhergehender Winter - Frühlings – Übergangsperioden analysiert, mit dem Ziel potenzielle Vorläufer extremer Sommer in der atmosphärischen Zirkulation zu identifizieren. Dabei werden sowohl Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre als auch großräumige atmosphärische Zirkulationsregime im Zusammenhang analysiert und diskutiert. Die Analyse basiert auf in situ Beobachtungen, satellitenbasierten Fernerkundgsbeobachtungen und Re-analysedaten. In dieser Arbeit werden extrem heiße und trockene Sommer mithilfe der Kombination aus solarer Einstrahlung und Niederschlag als zentralem Proxy definiert. Die extremsten Sommer hinsichtlich des Solarstrahlungsüberschusses und des Niederschlagsdefizites wurden gemeinsam mit den jeweils vorhergehenden Winter - Frühlings - Übergangsperioden im Untersuchungsgebiet 47°N -56°N; 4°E - 15°E (Deutschland und angrenzende Gebiete) analysiert. Die Analyse basiert auf regionalen Mitteln der akkumulierten Monatsmittel der Winter – Frühlings – Übergangsperiode (Februar, März, April – FMA) und der Sommerperiode (Juni, Juli, August – JJA) von Solarstrahlung und Niederschlag im Untersuchungsgebiet und auf der Analyse der saisonalen Anomalien des Geopotenzials in 850 hPa über dem Nordatlantik und Europa. Die Modellexperimente anderer Autoren für Süd- und Südosteuropa wurden bestätigt: Für die extremsten Hitzesommer wurde auch für Zentraleuropa eine Dominanz von antizyklonalen Zirkulationsregimen mit dem damit verbundenen Solarstrahlungsüberschuss und dem Niederschlagsdefizit (im Vergleich zum langjährigen Mittel) beobachtet. Zwei der drei extremsten sonnigen und trockenen Sommer in Zentraleuropa im Zeitraum 1958 - 2011 wurden bereits in der jeweils vorhergehenden FMA Periode mit extrem großen positiven Solarstrahlungsanomalien und extrem großen negativen Niederschlagsanomalien präkonditioniert. Für dieselben Jahre konnte auch eine Präkonditionierung der Atmosphäre während der FMA Periode identifiziert werden: ein Dipol in der Druckanomalie (Anomalie des Geopotenzials in 850 hPa), mit einem Zentrum negativer Anomalie über Südgrönland und einem Zentrum positiver Anomalie über der Nordsee und Fennoskandien. Als ein Maß für die Stärke dieses Dipols wurde der neue Grönland - Nordsee - Dipol - Index (GNDI) eingeführt. In der Mehrzahl der Jahre mit extrem sonnigen und trockenen Sommern überschreitet der GNDI der vorhergehenden FMA Periode einen Wert von 20. Ein Zusammenhang mit der NAO oder der AO und den extremen Sommern konnte nicht festgestellt werden. Einer der als extrem sonnig und trocken identifizierten Sommer der Zeitreihe wurde nicht präkonditioniert. Jedoch trat im Winter vor diesem Ereignis ein extrem starkes El Nino Ereignis auf. Auf der anderen Seite gab es ein Jahr mit ungewöhnlich sonniger und trockener FMA Periode (Präkonditionierung), auf die aber ein eher feuchter Sommer mit durchschnittlicher solarer Einstrahlung folgte. Im Winter zuvor trat ein extrem starkes La Nina Ereignis auf. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass extrem starke ENSO Ereignisse das europäische Klima auf der saisonalen Skala beeinflussen können: Starke El Nino Ereignisse können extreme Sommer verursachen. Starke La Nina Ereignisse können Signale erzeugen, die das Potenzial haben, die Verbindung zwischen sonnigen und trockenen FMA Perioden und den darauf folgenden Sommern zu stören. Im Kontext extrem heißer und trockener Sommer in Zentraleuropa zeigen diese Ergebnisse Folgendes: - Zusätzlich zur Dominanz antizyklonaler Drucksysteme in der atmosphärischen Zirkulation und den Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre, ist ENSO ein weiterer wichtiger Faktor für die Entwicklung extremer Sommer in Zentraleuropa. - Durch ENSO ausgelöste Effekte haben das Potenzial die Verbindungen zwischen der FMA Periode und dem darauf folgenden Sommer bezüglich des Zusammenspiels von atmosphärischer Zirkulation und Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre, welche für die Entwicklung extrem heißer und trockener Sommer verantwortlich sind, zu zerstören. Diese Erkenntnisse werden im neu entwickelten Zentraleuropäischen Dürreindex (CEDI) zusammengeführt. Mithilfe des CEDI können alle extrem heißen und trockenen Sommer der oberen 10% Perzentile und ein der extremer Sommer der oberen 20% Perzentile in Zentraleuropa richtig "nachhergesagt" werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der Entwicklung extremer Sommer in Zentraleuropa bei und sind daher ein wertvoller Beitrag zur Verbesserung der sommerlichen Jahreszeitenvorhersage für dieses Gebiet. Aufgrund der Ergebnisse kann erwartet werden, dass der neu entwickelte CEDI einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines Frühwarnsystems für extrem heiße und trockene Sommer leisten kann

Analysis and Discussion of Atmospheric Precursor of European Heat Summers

The prediction of summers with notable droughts and heatwaves on the seasonal scale is challenging, especially in extratropical regions, since their development is not yet fully understood. Thus, monitoring and analysis of such summers are important tasks to close this knowledge gap. In a previous paper, the authors presented hints that extreme summers are connected with specific conditions during the winter-spring transition season. Here, these findings are further discussed and analysed in the context of the Earth’s circulation systems. No evidence for a connection between the North Atlantic Oscillation or the Arctic Oscillation during the winter-spring transition and extremely hot and dry summers is found. However, inspection of the geopotential at 850 hPa shows that a Greenland-North Sea-Dipole is connected with extreme summers in Central Europe. This motivated the introduction of the novel Greenland-North Sea-Dipole-Index, GNDI. However, using this index as predictor would lead to one false alarm and one missed event in the time series analysed (1958–2011). Hints are found that the disturbance of the “dipole-summer” connection is due to El Niño/Southern Oscillation (ENSO). To consider the ENSO effect, the novel Central European Drought Index (CEDI) has been developed, which is composed of the GNDI and the Bivariate ENSO Time Series Index. The CEDI enables a correct indication of all extremely hot and dry summers between 1958 and 2011 without any false alarm

Brief Accuracy Assessment of Aerosol Climatologies for the Retrieval of Solar Surface Radiation

Solar surface irradiance is an important variable in many different fields, e.g., climate monitoring and solar energy. Remote sensing data are nowadays well established and the only observational data source in many regions of the world. Aerosols significantly affect the clear sky radiation and hence also the all sky radiation. In order to achieve the optimal accuracy for surface radiation, information of aerosols with low uncertainty is needed. In this study, the effect of four different aerosol climatologies on the solar surface radiation have been evaluated for the period 2006–2009 at nine BSRN stations. The use of the aerosol climatology from the European Center of Medium Weather Forecast (MACC) leads to the highest accuracy of solar radiation. The mean absolute bias is 6.8 Watt per square meter for global irradiance and 11.3 for direct irradiance. With the Max-Planck climatology (MAC-v1) 9.4 and 14.8 Watt per square meter and with GADS/OPAC (Global Aerosol Data Set/Optical Properties of Aerosols and Clouds) 10.0 and 14.6 Watt per square meter have been achieved, respectively. The improvement in the accuracy of solar radiation by using the MACC climatology is relatively large. Also remarkable is that the new MAC-v1 climatology and the older GADS/OPAC climatology performs on the same level with respect to the achieved accuracy in radiation. The effect of interannual variations of Aerosol Optical Depth (AOD) on the global irradiance is rather low for the investigated sites and period

Analysis of Atmospheric Precursor of Extreme Summers in Central Europe

In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften extrem heißer und trockener Sommer in Zentraleuropa und deren vorhergehender Winter - Frühlings – Übergangsperioden analysiert, mit dem Ziel potenzielle Vorläufer extremer Sommer in der atmosphärischen Zirkulation zu identifizieren. Dabei werden sowohl Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre als auch großräumige atmosphärische Zirkulationsregime im Zusammenhang analysiert und diskutiert. Die Analyse basiert auf in situ Beobachtungen, satellitenbasierten Fernerkundgsbeobachtungen und Re-analysedaten. In dieser Arbeit werden extrem heiße und trockene Sommer mithilfe der Kombination aus solarer Einstrahlung und Niederschlag als zentralem Proxy definiert. Die extremsten Sommer hinsichtlich des Solarstrahlungsüberschusses und des Niederschlagsdefizites wurden gemeinsam mit den jeweils vorhergehenden Winter - Frühlings - Übergangsperioden im Untersuchungsgebiet 47°N -56°N; 4°E - 15°E (Deutschland und angrenzende Gebiete) analysiert. Die Analyse basiert auf regionalen Mitteln der akkumulierten Monatsmittel der Winter – Frühlings – Übergangsperiode (Februar, März, April – FMA) und der Sommerperiode (Juni, Juli, August – JJA) von Solarstrahlung und Niederschlag im Untersuchungsgebiet und auf der Analyse der saisonalen Anomalien des Geopotenzials in 850 hPa über dem Nordatlantik und Europa. Die Modellexperimente anderer Autoren für Süd- und Südosteuropa wurden bestätigt: Für die extremsten Hitzesommer wurde auch für Zentraleuropa eine Dominanz von antizyklonalen Zirkulationsregimen mit dem damit verbundenen Solarstrahlungsüberschuss und dem Niederschlagsdefizit (im Vergleich zum langjährigen Mittel) beobachtet. Zwei der drei extremsten sonnigen und trockenen Sommer in Zentraleuropa im Zeitraum 1958 - 2011 wurden bereits in der jeweils vorhergehenden FMA Periode mit extrem großen positiven Solarstrahlungsanomalien und extrem großen negativen Niederschlagsanomalien präkonditioniert. Für dieselben Jahre konnte auch eine Präkonditionierung der Atmosphäre während der FMA Periode identifiziert werden: ein Dipol in der Druckanomalie (Anomalie des Geopotenzials in 850 hPa), mit einem Zentrum negativer Anomalie über Südgrönland und einem Zentrum positiver Anomalie über der Nordsee und Fennoskandien. Als ein Maß für die Stärke dieses Dipols wurde der neue Grönland - Nordsee - Dipol - Index (GNDI) eingeführt. In der Mehrzahl der Jahre mit extrem sonnigen und trockenen Sommern überschreitet der GNDI der vorhergehenden FMA Periode einen Wert von 20. Ein Zusammenhang mit der NAO oder der AO und den extremen Sommern konnte nicht festgestellt werden. Einer der als extrem sonnig und trocken identifizierten Sommer der Zeitreihe wurde nicht präkonditioniert. Jedoch trat im Winter vor diesem Ereignis ein extrem starkes El Nino Ereignis auf. Auf der anderen Seite gab es ein Jahr mit ungewöhnlich sonniger und trockener FMA Periode (Präkonditionierung), auf die aber ein eher feuchter Sommer mit durchschnittlicher solarer Einstrahlung folgte. Im Winter zuvor trat ein extrem starkes La Nina Ereignis auf. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass extrem starke ENSO Ereignisse das europäische Klima auf der saisonalen Skala beeinflussen können: Starke El Nino Ereignisse können extreme Sommer verursachen. Starke La Nina Ereignisse können Signale erzeugen, die das Potenzial haben, die Verbindung zwischen sonnigen und trockenen FMA Perioden und den darauf folgenden Sommern zu stören. Im Kontext extrem heißer und trockener Sommer in Zentraleuropa zeigen diese Ergebnisse Folgendes: - Zusätzlich zur Dominanz antizyklonaler Drucksysteme in der atmosphärischen Zirkulation und den Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre, ist ENSO ein weiterer wichtiger Faktor für die Entwicklung extremer Sommer in Zentraleuropa. - Durch ENSO ausgelöste Effekte haben das Potenzial die Verbindungen zwischen der FMA Periode und dem darauf folgenden Sommer bezüglich des Zusammenspiels von atmosphärischer Zirkulation und Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre, welche für die Entwicklung extrem heißer und trockener Sommer verantwortlich sind, zu zerstören. Diese Erkenntnisse werden im neu entwickelten Zentraleuropäischen Dürreindex (CEDI) zusammengeführt. Mithilfe des CEDI können alle extrem heißen und trockenen Sommer der oberen 10% Perzentile und ein der extremer Sommer der oberen 20% Perzentile in Zentraleuropa richtig "nachhergesagt" werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem besseren Verständnis der Entwicklung extremer Sommer in Zentraleuropa bei und sind daher ein wertvoller Beitrag zur Verbesserung der sommerlichen Jahreszeitenvorhersage für dieses Gebiet. Aufgrund der Ergebnisse kann erwartet werden, dass der neu entwickelte CEDI einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung eines Frühwarnsystems für extrem heiße und trockene Sommer leisten kann

Digging the METEOSAT Treasure—3 Decades of Solar Surface Radiation

Solar surface radiation data of high quality is essential for the appropriate monitoring and analysis of the Earth's radiation budget and the climate system. Further, they are crucial for the efficient planning and operation of solar energy systems. However, well maintained surface measurements are rare in many regions of the world and over the oceans. There, satellite derived information is the exclusive observational source. This emphasizes the important role of satellite based surface radiation data. Within this scope, the new satellite based CM-SAF SARAH (Solar surfAce RAdiation Heliosat) data record is discussed as well as the retrieval method used. The SARAH data are retrieved with the sophisticated SPECMAGIC method, which is based on radiative transfer modeling. The resulting climate data of solar surface irradiance, direct irradiance (horizontal and direct normal) and clear sky irradiance are covering 3 decades. The SARAH data set is validated with surface measurements of the Baseline Surface Radiation Network (BSRN) and of the Global Energy and Balance Archive (GEBA). Comparison with BSRN data is performed in order to estimate the accuracy and precision of the monthly and daily means of solar surface irradiance. The SARAH solar surface irradiance shows a bias of 1.3 $W/m^2$ and a mean absolute bias (MAB) of 5.5 $W/m^2$ for monthly means. For direct irradiance the bias and MAB is 1 $W/m^2$ and 8.2 $W/m^2$ respectively. Thus, the uncertainty of the SARAH data is in the range of the uncertainty of ground based measurements. In order to evaluate the uncertainty of SARAH based trend analysis the time series of SARAH monthly means are compared to GEBA. It has been found that SARAH enables the analysis of trends with an uncertainty of 1 $W/m^2/dec$; a remarkable good result for a satellite based climate data record. SARAH has been also compared to its legacy version, the satellite based CM-SAF MVIRI climate data record. Overall, SARAH shows a significant higher accuracy and homogeneity than its legacy version. With its high accuracy and temporal and spatial resolution SARAH is well suited for regional climate monitoring and analysis as well as for solar energy applications

The CM SAF R Toolbox—A Tool for the Easy Usage of Satellite-Based Climate Data in NetCDF Format

The EUMETSAT Satellite Application Facility on Climate Monitoring (CM SAF) provides satellite-based climate data records of essential climate variables of the energy budget and water cycle. The data records are generally distributed in NetCDF format. To simplify the preparation, analysis, and visualization of the data, CM SAF provides the so-called CM SAF R Toolbox. This is a collection of R-based tools, which are optimized for spatial data with longitude, latitude, and time dimension. For analysis and manipulation of spatial NetCDF-formatted data, the functionality of the cmsaf R-package is implemented. This R-package provides more than 60 operators. The visualization of the data, its properties, and corresponding statistics can be done with an interactive plotting tool with a graphical user interface, which is part of the CM SAF R Toolbox. The handling, functionality, and visual appearance are demonstrated here based on the analysis of sunshine duration in Europe for the year 2018. Sunshine duration in Scandinavia and Central Europe was extraordinary in 2018 compared to the long-term average

The Role of the Effective Cloud Albedo for Climate Monitoring and Analysis

Cloud properties and the Earth’s radiation budget are defined as essential climate variables by Global Climate Observing System (GCOS). The cloud albedo is a measure for the portion of solar radiation reflected back to space by clouds. This information is essential for the analysis and interpretation of the Earth’s radiation budget and the solar surface irradiance. We present and discuss a method for the production of the effective cloud albedo and the solar surface irradiance based on the visible channel (0.45–1 μm) on-board of the Meteosat satellites. This method includes a newly developed self-calibration approach and has been used to generate a 23-year long (1983–2005) continuous and validated climate data record of the effective cloud albedo and the solar surface irradiance. Using these records we demonstrate the ability of the method to provide these essential variables in high accuracy and homogeneity. Further on, we discuss the role of the cloud albedo within climate monitoring and analysis. We found trends with opposite sign in the observed effective cloud albedo resulting in positive trends in the solar surface irradiance over ocean and partly negative trends over land. Ground measurements are scarce over the ocean and thus satellite-derived effective cloud albedo and solar surface irradiance constitutes a unique observational data source. Within this scope it has to be considered that the ocean is the main energy reservoir of the Earth, which emphasises the role of satellite-observed effective cloud albedo and derived solar surface irradiance as essential climate variables for climate monitoring and analysis