O objetivo principal deste trabalho é avaliar a capacidade do modelo RegCM3 (Regional Climate Model versão 3), para três diferentes simulações, em simular os padrões espaciais de tendência de alguns índices climáticos anuais e sazonais de temperatura e chuva na América do Sul para o clima presente (1961-1990). Para atingir o objetivo principal, desenvolveu-se um algoritmo baseado no software RClimDex para calcular os índices e investigou-se a habilidade dos dados de reanálise do NCEP/NCAR e do conjunto de dados de chuva produzido por Liebmann e Allured (2005) em estimar os índices anuais e sazonais de temperatura e chuva para a mesma região e período. A metodologia concentrou-se em análises dos coeficientes de correlação e de regressão linear. De maneira geral, os dois conjuntos de dados foram considerados válidos para representar os índices anuais e sazonais de temperatura e chuva observados na América do Sul durante o período de 1961-1990. Contudo, a reanálise do NCEP/NCAR mostrou sinais de tendência opostos às observações para os índices de temperatura e chuva sobre a Argentina. Dentre as três simulações com o modelo RegCM3, as simulações RegCM3(s2), com o esquema de convecção Emanuel, e RegCM3(s1), com o esquema de Grell, apresentaram um melhor desempenho em representar as tendências dos índices de temperatura e chuva, respectivamente, sobre a América do Sul. O modelo RegCM3(s1) simulou a predominante tendência de aumento das condições de umidade observadas na América do Sul através dos índices anuais r95p, prcptot e rx5day, particularmente na estação de inverno. As tendências opostas dos índices anuais cwd e cdd, que sugerem um aumento no número de dias com chuva, ao contrário, não foram bem detectadas pelo modelo RegCM3(s1). O aquecimento da temperatura mínima como conseqüência do aumento de noites quentes e diminuição de noites frias identificado em quase todo o continente foi simulado corretamente pelo modelo RegCM3(s2). Com relação à temperatura máxima, embora as observações não apresentem um padrão característico, a simulação do modelo RegCM3(s2) se mostra bastante semelhante ao apresentado pela reanálise do NCEP/NCAR. As distribuições espaciais de tendência dos índices anuais de temperatura e chuva resultantes das simulações do RegCM3(s2 e s1, respectivamente) e do HadAM3 sobre a América do Sul durante o período de 1961-1990 são bastante semelhantes entre si, embora o HadAM3 seja caracterizado por tendências mais suavizadas. Para os índices anuais e sazonais de temperatura, a simulação do HadAM3 se mostrou ligeiramente melhor à do RegCM3, enquanto que o inverso é encontrado para os índices anuais e sazonais de chuva. / The main goal of this study is to investigate if the RegCM3 model (Regional Climate Model version 3) is able to simulate the spatial patterns of some annual and seasonal climate indices of temperature and precipitation trend over South America for the present climate (1961-1990). The analysis is done for three different simulations where the model was running with different cumulus parametrization, i.e, Grell and Emanuel. An algorithm based on the software RClimDex was developed to calculate the indices. Different data sources such as the NCEP/NCAR reanalysis, individual observational stations and others were used to estimate the annual and seasonal indices of temperature and precipitation for the same region and period. Correlation and linear regression coefficients analysis were used in the results comparison. In general, the results suggest that the datasets can provide useful information about annual and seasonal indices of temperature and precipitation at individual grid cells in South America during the period 1961-1990. However, the NCEP/NCAR reanalysis showed reversal trend signals for some indices over Argentina. Within the three simulations with the RegCM3 model, the trends of the annual and seasonal indices of temperature and precipitation over South America are better reproduced by the Emanuel (s2) and Grell (s1) schemes, respectively. The RegCM3(s1) simulates the change to wetter conditions in South America through the r95p, prcptot and rx5day annual indices, particularly in the austral winter. On the other hand, the opposite signal of the trends in cdd and cwd indices, that indicates an increase in the number of days with precipitation, was not well represented by the model. The warming in minimum temperature as a consequence of the increase in the frequency of warm nights and the decrease of cold nights observed all over the South American continent was correctly simulated by the RegCM3(s2). Although the observed maximum temperature extremes did not show any special feature, the simulations with Grell scheme were able to represent the spatial patterns of the warm and cold days indices trend similar to the NCEP/NCAR reanalysis. The spatial distributions of the annual indices of temperature and precipitation trend obtained from the RegCM3(s2 and s1, respectively) and HadAM3 simulations over South America during the period 1961-1990 are very similar, though the HadAM3 shows a trend less intense. For the annual and seasonal indices of temperature, the HadAM3 simulation is slightly better than the RegCM3 running, while the opposite is found to the annual and seasonal indices of precipitation.

O objetivo principal deste trabalho é avaliar a capacidade do modelo RegCM3 (Regional Climate Model versão 3), para três diferentes simulações, em simular os padrões espaciais de tendência de alguns índices climáticos anuais e sazonais de temperatura e chuva na América do Sul para o clima presente (1961-1990). Para atingir o objetivo principal, desenvolveu-se um algoritmo baseado no software RClimDex para calcular os índices e investigou-se a habilidade dos dados de reanálise do NCEP/NCAR e do conjunto de dados de chuva produzido por Liebmann e Allured (2005) em estimar os índices anuais e sazonais de temperatura e chuva para a mesma região e período. A metodologia concentrou-se em análises dos coeficientes de correlação e de regressão linear. De maneira geral, os dois conjuntos de dados foram considerados válidos para representar os índices anuais e sazonais de temperatura e chuva observados na América do Sul durante o período de 1961-1990. Contudo, a reanálise do NCEP/NCAR mostrou sinais de tendência opostos às observações para os índices de temperatura e chuva sobre a Argentina. Dentre as três simulações com o modelo RegCM3, as simulações RegCM3(s2), com o esquema de convecção Emanuel, e RegCM3(s1), com o esquema de Grell, apresentaram um melhor desempenho em representar as tendências dos índices de temperatura e chuva, respectivamente, sobre a América do Sul. O modelo RegCM3(s1) simulou a predominante tendência de aumento das condições de umidade observadas na América do Sul através dos índices anuais r95p, prcptot e rx5day, particularmente na estação de inverno. As tendências opostas dos índices anuais cwd e cdd, que sugerem um aumento no número de dias com chuva, ao contrário, não foram bem detectadas pelo modelo RegCM3(s1). O aquecimento da temperatura mínima como conseqüência do aumento de noites quentes e diminuição de noites frias identificado em quase todo o continente foi simulado corretamente pelo modelo RegCM3(s2). Com relação à temperatura máxima, embora as observações não apresentem um padrão característico, a simulação do modelo RegCM3(s2) se mostra bastante semelhante ao apresentado pela reanálise do NCEP/NCAR. As distribuições espaciais de tendência dos índices anuais de temperatura e chuva resultantes das simulações do RegCM3(s2 e s1, respectivamente) e do HadAM3 sobre a América do Sul durante o período de 1961-1990 são bastante semelhantes entre si, embora o HadAM3 seja caracterizado por tendências mais suavizadas. Para os índices anuais e sazonais de temperatura, a simulação do HadAM3 se mostrou ligeiramente melhor à do RegCM3, enquanto que o inverso é encontrado para os índices anuais e sazonais de chuva. / The main goal of this study is to investigate if the RegCM3 model (Regional Climate Model version 3) is able to simulate the spatial patterns of some annual and seasonal climate indices of temperature and precipitation trend over South America for the present climate (1961-1990). The analysis is done for three different simulations where the model was running with different cumulus parametrization, i.e, Grell and Emanuel. An algorithm based on the software RClimDex was developed to calculate the indices. Different data sources such as the NCEP/NCAR reanalysis, individual observational stations and others were used to estimate the annual and seasonal indices of temperature and precipitation for the same region and period. Correlation and linear regression coefficients analysis were used in the results comparison. In general, the results suggest that the datasets can provide useful information about annual and seasonal indices of temperature and precipitation at individual grid cells in South America during the period 1961-1990. However, the NCEP/NCAR reanalysis showed reversal trend signals for some indices over Argentina. Within the three simulations with the RegCM3 model, the trends of the annual and seasonal indices of temperature and precipitation over South America are better reproduced by the Emanuel (s2) and Grell (s1) schemes, respectively. The RegCM3(s1) simulates the change to wetter conditions in South America through the r95p, prcptot and rx5day annual indices, particularly in the austral winter. On the other hand, the opposite signal of the trends in cdd and cwd indices, that indicates an increase in the number of days with precipitation, was not well represented by the model. The warming in minimum temperature as a consequence of the increase in the frequency of warm nights and the decrease of cold nights observed all over the South American continent was correctly simulated by the RegCM3(s2). Although the observed maximum temperature extremes did not show any special feature, the simulations with Grell scheme were able to represent the spatial patterns of the warm and cold days indices trend similar to the NCEP/NCAR reanalysis. The spatial distributions of the annual indices of temperature and precipitation trend obtained from the RegCM3(s2 and s1, respectively) and HadAM3 simulations over South America during the period 1961-1990 are very similar, though the HadAM3 shows a trend less intense. For the annual and seasonal indices of temperature, the HadAM3 simulation is slightly better than the RegCM3 running, while the opposite is found to the annual and seasonal indices of precipitation.

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. Résumé en français: Le modèle climatique régional RegCM3 est utilisépour examiner les effets direct et semi-direct des aérosols sur le climat du sud de l'Afrique pendant l'hiver austral (juin-septembre). La sensibilité des effets simulés aux différents inventaires d'émissions de combustion de biomasse et aux différentes conditions aux limites est evaluer, afin d'estimer l'incertitude associée à ces paramètres. La sensibilité aux conditions aux limites derivées de réanalyses est modeste, mais le forçage radiatif des aérosols varie linéairement en réponse au différents inventaires testées jusqu'à un facteur deux. Le forçage radiatif est toujours négatif, alors que le forçage radiatif au sommet de l'atmosphère est negatif sur la plupart du domaine sauf au-dessus les régions de savane ou le contenu atmosphérique d'aérosols est élevée. Même si la magnitude du forçage radiatif varie, les simulations pour la période présente montrent des impacts climatiques comparables. La température de surface diminue sur la plupart de la région, ce signale qui réduit le biais du modèle sur l'ouest du sous-continent. L'échauffement en altitude est lié à la charge d'aérosols absorbants et cela, en combinaison avec la réduction de température en surface, mène à la stabilisation de la basse atmosphère. Toutefois, dans la moyenne troposphère de la zone équatoriale (entre 8°N et 5°S) cet échauffement à pour résultat un effet de 'pompe à chaleur en altitude'. Cet effet augmente la convection, les précipitations et l'humidité du sol, en accélérant le cycle hydrologique dans cette région. Une étude de la variabilité interannuelle des effets climatiques des aérosols montre que les changements des précipitations en moyenne saisonnière sont plus variables d'un an à l'autre que les changements de température de surface. Par contre, malgré des différences significatives entre les conditions synoptiques, la variabilité synoptique des impacts climatiques des aérosols est faible.

Title: Coupling atmospheric chemistry/aerosols to regional climate models Author: Peter Huszár Department: Department of Meteorology and Environment Protection Supervisor: doc. RNDr. Tomáš Halenka, CSc. Supervisor's e-mail address: tomas.halenka@mff.cuni.cz Abstract: In this thesis, the connections between air quality and climate are studied. For this purpose, regional climate model RegCM3 and chemistry transport model CAMx has been coupled offline with one- and two-way interaction. Our work represents a first attempt to connect RegCM3 not only with CAMx, but with any other chemistry transport model. As a first step, an offline one way couple of RegCM3 and CAMx has been developed, meaning that the climate model drives the transport, emission, chemical transformation and deposition of species while the radiative feedbacks of gases and aerosols are not considered. A meteorological interface has been developed at our department in order to convert the meteorological data generated by RegCM3 to fields required by CAMx. For those parameters that are essential for CAMx but the regional climate model does not supply them, diagnostic methods were implemented into this interface. Further, it is used to calculate biogenic emissions. Regarding anthropogenic emissions, a simple utility has been developed to...