Diss. Naturwiss. Bern. / Literaturverz.

University, Diss., 2003--Kiel.

Augsburg, Univ., Diss., 2008.

Considering its social, economic and natural conditions the Mediterranean Area is a highly vulnerable region by designated affections of climate change. Furthermore, its climatic characteristics are subordinated to high natural variability and are steered by various elements, leading to strong seasonal alterations. Additionally, General Circulation Models project compelling trends in specific climate variables within this region. These circumstances recommend this region for the scientific analyses conducted within this study. Based on the data of the CMIP3 database, the fundamental aim of this study is a detailed investigation of the total variability and the accompanied uncertainty, which superpose these trends, in the projections of temperature, precipitation and sea-level pressure by GCMs and their specific realizations. Special focus in the whole study is dedicated to the German model ECHAM5/MPI-OM. Following this ambition detailed trends and mean values are calculated and displayed for meaningful time periods and compared to reanalysis data of ERA40 and NCEP. To provide quantitative comparison the mentioned data are interpolated to a common 3x3° grid. The total amount of variability is separated in its contributors by the application of an Analysis of Variance (ANOVA). For individual GCMs and their ensemble-members this is done with the application of a 1-way ANOVA, separating a treatment common to all ensemble-members and variability perturbating the signal given by different initial conditions. With the 2-way ANOVA the projections of numerous models and their realizations are analysed and the total amount of variability is separated into a common treatment effect, a linear bias between the models, an interaction coefficient and the residuals. By doing this, the study is fulfilled in a very detailed approach, by considering yearly and seasonal variations in various reasonable time periods of 1961-2000 to match up with the reanalysis data, from 1961-2050 to provide a transient time period, 2001-2098 with exclusive regard on future simulations and 1901-2098 to comprise a time period of maximum length. The statistical analyses are conducted for regional-averages on the one hand and with respect to individual grid-cells on the other hand. For each of these applications the SRES scenarios of A1B, A2 and B1 are utilized. Furthermore, the spatial approach of the ANOVA is substituted by a temporal approach detecting the temporal development of individual variables. Additionally, an attempt is made to enlarge the signal by applying selected statistical methods. In the detailed investigation it becomes evident, that the different parameters (i.e. length of temporal period, geographic location, climate variable, season, scenarios, models, etc…) have compelling impact on the results, either in enforcing or weakening them by different combinations. This holds on the one hand for the means and trends but also on the other hand for the contributions of the variabilities affecting the uncertainty and the signal. While temperature is a climate variable showing strong signals across these parameters, for precipitation mainly the noise comes to the fore, while for sea-level pressure a more differentiated result manifests. In turn, this recommends the distinguished consideration of the individual parameters in climate impact studies and processes in model generation, as the affecting parameters also provide information about the linkage within the system. Finally, an investigation of extreme precipitation is conducted, implementing the variables of the total amount of heavy precipitation, the frequency of heavy-precipitation events, the percentage of this heavy precipitation to overall precipitation and the mean daily intensity from events of heavy precipitation. Each time heavy precipitation is defined to exceed the 95th percentile of overall precipitation. Consecutively mean values of these variables are displayed for ECHAM5/MPI-OM and the multi-model mean and climate sensitivities, by means of their difference between their average of the past period of 1981-2000 and the average of one of the future periods of 2046-2065 or 2081-2100. Following this investigation again an ANOVA is conducted providing a quantitative measurement of the severity of change of trends in heavy precipitation across several GCMs. Besides it is a difficult task to account for extreme precipitation by GCMs, it is noteworthy that the investigated models differ highly in their projections, resulting partially in a more smoothed and meaningful multi-model mean. Seasonal alterations of the strength of this behaviour are quantitatively supported by the ANOVA. / Bezüglich seiner sozialen, wirtschaftlichen und natürlichen Gegebenheiten ist der Mittelmeerraum eine Region, die in Anbetracht des zu erwartenden Klimawandels äußerst anfällig ist. Seine klimatischen Eigenschaften sind hoher natürlicher Variabilität, unterschiedlichen Antriebsmechanismen, sowie einer starken saisonalen Schwankung unterworfen. Zudem projizieren Globale Zirkulationsmodelle für diese Region aussagekräftige Trends für ausgewählte Klimavariablen. Diese Vorraussetzungen machen den Mittelmeerraum zu einem hervorragenden Studienobjekt für diese wissenschaftliche Arbeit. Auf der Basis der CMIP3 Datenbank ist das zu Grunde liegende Ziel dieser Arbeit eine detaillierte Untersuchung der Gesamtvariabilität und der damit einhergehenden Unsicherheit, die in den Projektionen der Globalen Zirkulationsmodelle und deren einzelnen Realisationen die Trends der Variablen Temperatur, Niederschlag und Druck überlagert. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem deutschen Modell ECHAM5/MPI-OM. Für dieses Ziel werden Trends und Mittelwerte für aussagekräftige Zeitperioden berechnet und graphisch den Reanalysedatensätzen NCEP und ERA40 gegenübergestellt. Um quantitative Vergleiche zu ermöglichen werden die angesprochenen Datensätze auf ein gemeinsames geographisches Gitter von 3x3° interpoliert. Der Gesamtanteil der Variabilität wird in seine Entstehungsquellen durch die Anwendung einer Varianzanalyse (ANOVA) aufgeteilt. Dies wird mit einer 1-Wege Varianzanalyse für einzelne Globale Zirkulationsmodelle und ihre Realisationen durchgeführt, wobei ein Anteil dem Signal entspricht, das in allen Realisationen vorhanden ist und ein Anteil dem Rauschen zugeordnet werden kann, das das Signal überlagert und unterschiedlichen Anfangsbedingungen des Modells geschuldet ist. Durch eine 2-Wege Varianzanalyse werden die unterschiedlichen Realisationen mehrerer Klimamodelle in eine Analyse eingebunden, wobei der Anteil der Gesamtvariabilität wiederum in einen gemeinsamen Signalanteil, einem Anteil des linearen Unterschieds zwischen den verschiedenen Klimamodellen, einem Interaktionskoeffizient und dem Rauschen aufgeteilt werden. Die Anwendung dieser Verfahren wird detailliert ausgeführt, indem die Analysen auf jährlicher und saisonaler Grundlage für unterschiedliche Zeitperioden, nämlich 1961-1990 für den Vergleich mit den Reanalysedatensätzen, 1961-2050 als eine Übergangsperiode zwischen den Szenarien, 2001-2098 als reinen zukünftigen Betrachtungszeitraum und 1901-2098 um eine maximal umfassende Zeitperiode zu erhalten, betrachtet werden. Die statistischen Verfahren werden sowohl für regionale Mittelwerte als auch für einzelne Gitterpunkte berechnet. Für jede dieser Berechnungen werden die SRES Szenarien A1B, A2 und B1 herangezogen. Zudem wird der räumliche Ansatz der ANOVA ebenso durch einen zeitlichen ersetzt, wodurch die zeitliche Entwicklung der einzelnen Variabilitäten dargestellt wird. Des Weiteren wird durch gezielte statistische Methoden versucht, künstlich verstärkte Signale zu detektieren. Durch die detaillierte Untersuchung wird offenkundig, dass die unterschiedlichen Randbedingungen (hier die Länge der Zeitperiode, der geographische Ort, die Bezugsvariable, die Saison, das Szenario, das Modell, etc…) eine entscheidende Rolle für das Ergebnis spielen, indem sie einerseits durch deren unterschiedlicher Kombination es sowohl verstärken als auch glätten können. Dies gilt sowohl für die Mittelwerte und die Trends als auch für die unterschiedlichen Partitionen der Variabilitäten, die wiederum die Unsicherheiten und das Signal beeinflussen. Während Temperatur starke Signale über alle dieser Randbedingungen aufweist, so zeigt sich für Niederschlag hauptsächlich ein starkes Rauschen, während für Druck eine sehr ambivalente Verteilung hervortritt. Dies wiederum beweist, dass dieser differenzierte Ansatz bezüglich der Betrachtung der Abhängigkeit dieser Randebedingungen unabdinglich in Klimafolgestudien und der Modellentwicklung ist, da diese Bedingungen auch Informationen über die Wechselbeziehungen im System beinhalten. Schließlich wird noch die Entwicklung von Extremereignissen hinsichtlich der Niederschlagsmengen von Extremereignissen, der Häufigkeit der Ereignisse von extremen Niederschlagsmengen, dem prozentualen Anteil der Niederschlagsmenge aus Extremereignissen zu der Gesamtniederschlagsmenge und der mittleren täglichen Intensität von Niederschlagsextremereignissen untersucht. Hierbei wird ein Extremereignis als ein Ereignis definiert, das in seiner Menge oberhalb des 95.Perzentils der Menge der Gesamtereignisse liegt. So werden Mittelwerte dieser Variablen für ECHAM5/MPI-OM und über alle Modelle sowie deren Veränderungen zwischen ihren Mittelwerten aus den Zeiträumen der Vergangenheit 1981-2000 und den zukünftigen Perioden von 2046-2065 oder 2081-2100 gezeigt. Der Struktur dieser Studie folgend, wird wiederum eine ANOVA angewendet um eine quantitative Ermessung der Stärke der Veränderung im Erscheinungsbild von Extremniederschlagsereignissen über eine Vielzahl verschiedener Zirkulationsmodelle zu gewinnen. Ungeachtet der schwierigen Tatsache, Extremniederschlagsereignisse aus GCMs abzuleiten, ist es erwähnenswert, dass die betrachteten Modelle stark in ihren Projektionen abweichen, was wiederum zu einem in einem gemäßigten und aussagekräftigerem Multi-Modell Mittelwert führt. Saisonale Unterschiede in diesem Verhalten können durch die ANOVA quantitativ belegt werden.

The Mediterranean area reveals a strong vulnerability to future climate change due to a high exposure to projected impacts and a low capacity for adaptation highlighting the need for robust regional or local climate change projections, especially for extreme events strongly affecting the Mediterranean environment. The prevailing study investigates two major topics of the Mediterranean climate variability: the analysis of dynamical downscaling of present-day and future temperature and precipitation means and extremes from global to regional scale and the comprehensive investigation of temperature and rainfall extremes including the estimation of uncertainties and the comparison of different statistical methods for precipitation extremes. For these investigations, several observational datasets of CRU, E-OBS and original stations are used as well as ensemble simulations of the regional climate model REMO driven by the coupled global general circulation model ECHAM5/MPI-OM and applying future greenhouse gas (GHG) emission and land degradation scenarios. / Der Mittelmeerraum weist eine starke Vulnerabilität gegenüber dem zukünftigen Klimawandel auf, da für diese Region starke klimatische Auswirkungen vorhergesagt werden, aber nur eine geringe Anpassungsfähigkeit besteht. Daher werden präzise Vorhersagen des regionalen oder lokalen Klimawandels benötigt, v.a. für Extremereignisse, welche den Mittelmeer-Lebensraum stark beeinträchtigen. Die vorliegende Studie untersucht zwei Hauptaspekte der Klimavariabilität im Mittelmeerraum: Zum Einen wird das dynamische Downscaling gegenwärtiger und zukünftiger Mittelwerte und Extremereignisse von Temperatur und Niederschlag von der globalen zur regionalen Skala analysiert. Zum Anderen wird eine umfassende Untersuchung von Temperatur- und Niederschlagsextremen samt Unsicherheitsabschätzung und Vergleich unterschiedlicher statistischer Methoden zur Bestimmung von Niederschlagsextremen durchgeführt. Für diese Untersuchungen stehen verschiedene Beobachtungsdaten von CRU, E-OBS und Messstationen sowie Ensemble-Simulationen des regionalen Klimamodells REMO zur Verfügung, das vom gekoppelten globalen “General Circulation Model” ECHAM5/MPI-OM angetrieben wird und zukünftige Treibhausgasemissions- und Landnutzungsänderungs-Szenarien verwendet.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006.

Europa erlebte in den letzten 20 Jahren einige sehr heiße und trockene Sommer mit regionalen Rekordwerten heißer Temperaturen oder geringer Niederschlagssummen. In anderen Jahren führten Starkregen zu Überflutungen unterschiedlichen räumlichen Ausmaßes. Da solche Extremereignisse mit vielfältigen negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesellschaft, natürliche Ökosysteme und verschiedene Wirtschaftssektoren verbunden sind, ist die langzeitliche Veränderung in ihrem Auftreten im Rahmen der globalen Erwärmung von großer Bedeutung. Konzepte: Maßgeblich für die Qualität von Klimawandel(folgen)studien ist die Verfügbarkeit und Qualität von Daten. Daher werden Konzepte für die Sicherstellung einer zuverlässigen und vergleichbaren Datenbasis entwickelt. Für die Beschreibung der Eigenschaften eines bestimmten Ereignisses existiert eine Vielzahl an Definitionen und Indizes, was zu unterschiedlichen Ergebnissen von Studien führen kann, welche die zeitlichen Veränderungen der Charakteristik solcher Ereignisse analysieren. Die Integration einer Reihe von Indizes in einen aggregierten Index ermöglicht eine robustere Bewertung der Klimabedingungen und Trends. Die Vergleichbarkeit von Klimafolgenbewertungen verlangt zudem die Verwendung eines gemeinsamen Analyserahmens sowie abgestimmter Datensätze (Beobachtungsdaten, Klimaprojektionen) und Methoden (z.B. Untersuchungszeiträume, Ensemble-Ansatz, Qualitätsbewertung, Korrekturalgorithmen, Impactmodelle und -indizes, Elemente der Klimafolgen- oder Risikoanalyse). Trends: Sommerliche Trockenheit hat über weiten Teilen Europas – mit Ausnahme des Nordens – zugenommen. Besonders stark zugenommen haben die Dürrebedingungen im Sommerhalbjahr für Indizes, welche die Evapotranspiration einbinden. Der reine Fokus auf den Niederschlag zur Bewertung von Dürre in verschiedenen Speichern des Wasserkreislaufs ist unzureichend. Neben dieser beobachteten Zunahme in der Sommertrockenheit, ist auch für die Intensität von Starkniederschlagsereignissen und ihrem Anteil am Gesamtniederschlag ein Anstieg über Europa zu beobachten. Verschiedene Stationen in Mitteleuropa zeigen für das Sommerhalbjahr gleichzeitige Anstiege in den Dürrebedingungen und Starkniederschlägen, was die mit solchen Niederschlagsextremen verbundenen Folgen und Risiken erhöht. Folgen: Viele Sektoren sind durch die Folgen des Klimawandels und extreme Wettereignisse negativ betroffen, so auch das Verkehrssystem. Dessen Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit ist von hoher Bedeutung für die Gesellschaft (Mobilität) und Wirtschaft (Waren, Transportketten). Extreme Wettereignisse wie Hitzewellen, Überschwemmungen, Dürren, Stürme und Sturmfluten können Unfälle und Staus verursachen, die Infrastrukturen beschädigen und damit Transportketten unterbrechen sowie zu Verspätungen und Ausfällen führen. Die Verkehrsträger sind dabei in unterschiedlicher Weise und Intensität betroffen. Um die Klimawandelfolgen für das Bundesverkehrssystem zu bewerten und Anpassungsbedarfe zu priorisieren wurde ein methodischer Rahmen für die Durchführung von Klimawirkungsanalysen entwickelt. Ergänzt werden diese nationalen Analysen durch Klimafolgenstudien für die UNECE-Region (UNECE: Wirtschaftskommission für Europa der Vereinten Nationen). Zielgerichtete Klimadienstleistungen, welche die Bedarfe der Anwendenden integrieren, sind eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung praktikabler Anpassungsoptionen.:Abstract 1 Zusammenfassung 2 1. Research topic and questions addressed 3 2. Outline and structure of this thesis 6 3. Concepts – How to evaluate changes in heat, drought and wetness? 11 3.1 How to define drought? 11 3.2 How to measure changes in (extreme) temperature and precipitation? 11 3.2.1 Applying established climate indices 11 3.2.2 Developing new indices to measure drought and wetness 12 3.2.3 Assessing extreme events and their impacts 14 3.3 How to ensure good quality climate data sets? 15 3.3.1 Separating climate variability from changes in non-climatic parameters 15 3.3.2 Regionalizing climate information 15 3.3.3 Adjusting biases in climate projections 16 3.4 How to ensure comparable results of climate impact assessments? 17 3.4.1 Agreeing on common assumptions and scenarios 17 3.4.2 Applying an ensemble analysis approach 17 3.4.3 Implementing a common analysis framework for impact assessment 18 4. Changes – Which variations are seen in the regional climate? 20 4.1 Variations and changes in the average climate – temperature and precipitation 20 4.1.1 Changes in wet and dry periods over Europe 20 4.1.2 Observed and projected temperature and precipitation trends over Germany 21 4.1.3 Observed climatic changes in North-eastern Brazil (NEB) 21 4.1.4 Observed precipitation variations in the Palestinian territories and surrounding areas 22 4.2 Extreme weather and climate events: spatio-temporal variations and trends 22 4.2.1 Increases in temperature extremes and heatwaves 22 4.2.2 Characteristics of and changes in heavy precipitation 23 4.2.3 Temporal variations in meteorological drought conditions 26 4.2.4 Drought and heavy precipitation 28 4.3 Characterising selected record hot and dry summers 30 4.3.1 The five record drought summers in Europe – 1947, 2018, 2003, 1921 and 1911 30 4.3.2 The summer of 2018 31 4.3.3 The summer of 2015 32 4.3.4 Recent hot and dry summers in Germany in comparison to climate projections 33 5. Consequences – Which climate impacts do we have to expect and how to adapt to them? The case of the transport system 35 5.1 Relevance of climate change considerations for the transport system 35 5.2 Networks supporting the development of climate resilient transport systems 35 5.2.1 BMDV Network of Experts on Climate Change Impacts and Adaptation 36 5.2.2 DAS core service “climate and water” 37 5.2.3 UNECE Group of Experts on Assessment of Climate Change Impacts and Adaptation for Inland Transport 38 5.3 Climate change impact analysis for the transportation sector 39 5.3.1 Methodology of the integrated climate impact assessment 39 5.3.2 Exemplary results of the exposure analysis 40 5.3.3 Integrated climate impact assessment 40 5.4 Stress testing the transport system 41 5.4.1 The stress test methodology 41 5.4.2 Exemplary results of the traffic simulations 41 5.5 Developing an adaptation framework and specific measures 42 5.5.1 Background and classification of adaptation measures 42 5.5.2 Information and consultation services 42 5.5.3 Reviewing and revising technical guidelines and standards 43 5.5.4 Structural adaptation measures 43 5.5.5 Adapting management practices of transportation infrastructure 43 5.5.6 Adapting the operative management of traffic flows 44 5.5.7 Survey results on suitable adaptation measures 44 6. Conclusions 45 6.1 Concepts 45 6.2 Changes 45 6.3 Consequences 46 7. References 48 / Over the last 20 years, some very hot and dry summers affected Europe, regionally resulting in record breaking high temperature or low precipitation values. In other years, torrential rains led to flood events at different spatial scales. Long-term changes of such extreme events within a warming world are of great relevance, as they are connected with manifold negative impacts on human society, natural ecosystems and diverse economic sectors. Concepts: The quality of climate change (impact) studies is often hampered by availability and quality of datasets. Thus, concepts for securing reliable and comparable data are developed and applied. For the description of the characteristics of a specific event a vast number of definitions and indices exists. Therefore, results on the temporal changes of event characteristics may differ between studies. By integrating a number of indices into an aggregated index, a more robust evaluation of the climate conditions and trends is facilitated. Furthermore, comparable climate impact assessments demand a common analysis framework with agreements on the data bases (observational data and climate projections) and methodologies (e.g., study periods, ensemble approach, quality assessment, correction algorithms, climate impact models and indices, elements considered in the impact or risk analysis). Changes: Summer drought conditions increased over most of Europe, except for some stations in northern Europe. Thereby, the observed increase in drought conditions during the warm part of the year is particularly pronounced for indices integrating evapotranspiration in their definition. Purely focussing on precipitation to evaluate drought conditions in the different water reservoirs does not suffice any longer. While observing increases in summer drought, the intensity of heavy precipitation events as well as their contribution to total precipitation show a positive trend over Europe, too. Several stations in Central Europe show increasing drought conditions and increasing heavy precipitation events during the summer half year at the same time, which increases the risks connected with precipitation extremes. Consequences: Climate change impacts on the transport system are studied exemplarily for the many sectors that are affected negatively by the projected changes in climate and extreme weather events. The availability and performance of the transport system are of high importance for the society (mobility) and economy (goods, transport chains). Extreme weather events such as heatwaves, flooding, droughts, and storm surges might 1) cause accidents and congestion, 2) severely damage to infrastructures and disrupt transport chains, and 3) result in delays and cancellations. Different modes of transport are affected by climate change in different ways and with different intensity. A climate impact assessment framework was defined and tested for the German Federal transport system to support the prioritization of adaptation options. Climate change impact studies for the UNECE-region (United Nations Economic Commission for Europe) complement these Federal analyses. It is shown that tar-geted climate services that integrate user requirements are key in developing feasible adaptation options.:Abstract 1 Zusammenfassung 2 1. Research topic and questions addressed 3 2. Outline and structure of this thesis 6 3. Concepts – How to evaluate changes in heat, drought and wetness? 11 3.1 How to define drought? 11 3.2 How to measure changes in (extreme) temperature and precipitation? 11 3.2.1 Applying established climate indices 11 3.2.2 Developing new indices to measure drought and wetness 12 3.2.3 Assessing extreme events and their impacts 14 3.3 How to ensure good quality climate data sets? 15 3.3.1 Separating climate variability from changes in non-climatic parameters 15 3.3.2 Regionalizing climate information 15 3.3.3 Adjusting biases in climate projections 16 3.4 How to ensure comparable results of climate impact assessments? 17 3.4.1 Agreeing on common assumptions and scenarios 17 3.4.2 Applying an ensemble analysis approach 17 3.4.3 Implementing a common analysis framework for impact assessment 18 4. Changes – Which variations are seen in the regional climate? 20 4.1 Variations and changes in the average climate – temperature and precipitation 20 4.1.1 Changes in wet and dry periods over Europe 20 4.1.2 Observed and projected temperature and precipitation trends over Germany 21 4.1.3 Observed climatic changes in North-eastern Brazil (NEB) 21 4.1.4 Observed precipitation variations in the Palestinian territories and surrounding areas 22 4.2 Extreme weather and climate events: spatio-temporal variations and trends 22 4.2.1 Increases in temperature extremes and heatwaves 22 4.2.2 Characteristics of and changes in heavy precipitation 23 4.2.3 Temporal variations in meteorological drought conditions 26 4.2.4 Drought and heavy precipitation 28 4.3 Characterising selected record hot and dry summers 30 4.3.1 The five record drought summers in Europe – 1947, 2018, 2003, 1921 and 1911 30 4.3.2 The summer of 2018 31 4.3.3 The summer of 2015 32 4.3.4 Recent hot and dry summers in Germany in comparison to climate projections 33 5. Consequences – Which climate impacts do we have to expect and how to adapt to them? The case of the transport system 35 5.1 Relevance of climate change considerations for the transport system 35 5.2 Networks supporting the development of climate resilient transport systems 35 5.2.1 BMDV Network of Experts on Climate Change Impacts and Adaptation 36 5.2.2 DAS core service “climate and water” 37 5.2.3 UNECE Group of Experts on Assessment of Climate Change Impacts and Adaptation for Inland Transport 38 5.3 Climate change impact analysis for the transportation sector 39 5.3.1 Methodology of the integrated climate impact assessment 39 5.3.2 Exemplary results of the exposure analysis 40 5.3.3 Integrated climate impact assessment 40 5.4 Stress testing the transport system 41 5.4.1 The stress test methodology 41 5.4.2 Exemplary results of the traffic simulations 41 5.5 Developing an adaptation framework and specific measures 42 5.5.1 Background and classification of adaptation measures 42 5.5.2 Information and consultation services 42 5.5.3 Reviewing and revising technical guidelines and standards 43 5.5.4 Structural adaptation measures 43 5.5.5 Adapting management practices of transportation infrastructure 43 5.5.6 Adapting the operative management of traffic flows 44 5.5.7 Survey results on suitable adaptation measures 44 6. Conclusions 45 6.1 Concepts 45 6.2 Changes 45 6.3 Consequences 46 7. References 48