Regional climate over Northern Europe: from observations to high-resolution modeling

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-159-1
Title: Regional climate over Northern Europe: from observations to high-resolution modeling
Alternative title: Alueellinen ilmasto Pohjois-Euroopassa: havainnoista korkean erotuskyvyn ilmastomallinnukseen
Author: Médus, Erika
Other contributor: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Science
Ilmakehätieteiden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i atmosfärvetenskap
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Finnish Meteorological Institute
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-08-19
Language: en
Belongs to series: URN:ISSN:2814-5658
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-159-1
http://hdl.handle.net/10138/346386
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Regional and global climate models are important tools to study the past climate and estimate the impacts of future climate change. Climate models can also provide input for other models that simulate, for instance, hydrological cycle or road weather. Recently, running climate models with fine grid spacings (< 4 km) has become affordable at climatic scales (10 years or more) due to increased computational resources. With such grid resolutions, deep convection can be resolved explicitly leading to an improved representation of heavy precipitation. Heavy precipitation events can cause major environmental and socioeconomic hazards due to flooding, landslides, and erosion, and therefore, their accurate representation in climate models is crucial. It has been shown that extreme precipitation events have become globally more frequent over recent decades as a result of global warming, and they are expected to intensify further in the future due to climate change. Motivated by the expected better representation of heavy precipitation compared to previous methods, high-resolution regional climate model simulations covering 1998–2018 were performed for the first time over the Nordic region with a regional climate model, HARMONIE-Climate (HCLIM). In this thesis, the skill of HCLIM in representing the features of the present-day climate was evaluated by comparing the model simulations to several observations. Moreover, the applicability of the HCLIM data to drive a road weather model, RoadSurf, was investigated. Because running high-resolution climate models is computationally expensive, the added value provided by such models needs to be quantified. Therefore, this thesis assessed the benefits of a high-resolution HCLIM setup with explicitly resolved deep convection at 3 km grid spacing over a setup with 12 km grid spacing and deep convection parameterization. In addition, past trends in observed extreme precipitation between 1901 and 2020 were investigated in order to put the future trends in context. The results of this thesis indicate that precipitation extremes have intensified in the Nordic-Baltic region. Extreme events also occur later in the year compared to the beginning of the last century. Precipitation extremes and other present-day climate characteristics over the Nordic region were well captured by HCLIM. In addition, the HCLIM-driven RoadSurf model demonstrated a good skill in representing road weather in the region. The high-resolution HCLIM setup was shown to improve especially high-intensity sub-daily precipitation events in line with studies conducted over other regions. The results support the use of HCLIM and RoadSurf models to produce climate change impact projections for the Nordic region. Furthermore, the results of this thesis emphasize the need for high-resolution convection-permitting regional climate models to reliably simulate high-intensity precipitation events.Alueelliset ja globaalit ilmastomallit ovat tärkeitä työkaluja sekä menneen ilmaston tutkimiseen että tulevaisuuden ilmastonmuutoksen vaikutusten arvioimiseen. Ilmastomalleilla tuotettua dataa voidaan myös käyttää lähtötietoina muissa malleissa, jotka simuloivat esimerkiksi hydrologista kiertoa tai tiesäätä. Viime vuosina kasvaneet laskentaresurssit ovat mahdollistaneet suhteellisen pitkien ilmastoajojen (yli 10 vuotta) simuloimisen korkean erotuskyvyn ilmastomalleilla (laskentahila alle 4 km). Tarkan erotuskyvyn ansiosta syvä konvektio voidaan simuloida ilman parametrisointia eli konvektion esittämistä yksinkertaistetusti, mikä parantaa erityisesti rankkasateiden kuvausta mallissa. Rankkasateet voivat johtaa suuriin ympäristö- ja sosio-ekonomisiin haittoihin, kuten tulviin, maanvyörymiin sekä eroosiotapahtumiin. Tämän vuoksi on tärkeää, että rankkasateet kuvataan ilmastomalleissa mahdollisimman tarkasti. Rankkasateiden on arvioitu yleistyneen maailmanlaajuisesti viime vuosikymmeninä ilmaston lämpenemisestä johtuen, ja niiden odotetaan voimistuvan edelleen ilmastonmuutoksen vaikutuksesta. Motivoituneena hienohilaisten mallien kyvystä simuloida rankkasadetapahtumia aikaisempia menetelmiä luotettavammin, tässä työssä tuotettiin ensimmäistä kertaa korkean erotuskyvyn ilmastomallisimulaatioita Pohjoismaiden ylle vuosille 1998–2018 alueellisella ilmastomallilla, HARMONIE-Climate:lla (HCLIM). Tässä työssä arvioitiin sitä, kuinka hyvin HCLIM simuloi nykyisen ilmaston piirteet vertaamalla mallisimulaatioita useisiin havaintoaineistoihin. Lisäksi tutkittiin, onko HCLIM-mallin tuottamaa dataa mahdollista hyödyntää RoadSurf-tiesäämallin lähtötietona. Koska tarkan resoluution käyttäminen ilmastomalleissa vaatii huomattavia laskentaresursseja, hienohilaisten mallien tarjoamasta lisäarvosta tarvitaan tietoa. Tässä työssä arvioitiin, millaisia hyötyjä saadaan simuloimalla syvä konvektio eksplisiittisesti 3 km laskentahilalla verrattuna 12 kilometrin laskentahilaan, jossa syvä konvektio on parametrisoitu. Lisäksi selvitettiin, kuinka rankkasateet ovat muuttuneet vuosina 1901–2020, jotta tulevaisuuden muutokset voidaan laittaa kontekstiin. Tämän työn tulokset osoittavat, että rankkasateet ovat voimistuneet Pohjoismaiden ja Baltian alueella. Rankkasadetapahtumia myös esiintyy myöhemmin vuodesta viime vuosisadan alkuun verrattuna. Tulosten perusteella HCLIM kykenee simuloimaan rankkasateet sekä muut nykypäivän ilmastolliset piirteet luotettavasti. Lisäksi HCLIM-dataa hyödyntävän RoadSurf-mallin osoitettiin olevan kyvykäs arvioimaan tiesääolosuhteita. Tarkan laskentahilan käyttäminen HCLIM-mallissa paransi etenkin lyhytkestoisten rankkasateiden kuvausta, mikä on linjassa muille alueille tuotettujen tutkimusten kanssa. Tulosten perusteella HCLIM- ja RoadSurf-malleja voidaan käyttää ilmastonmuutosennusteiden laatimiseen sekä ilmastonmuutoksen vaikutusten arvioimiseen Pohjoismaissa. Tämän työn tulokset korostavat myös sitä, että korkeaa erotuskykyä tarvitaan alueellisissa ilmastomalleissa, jotta rankkasateet voidaan simuloida luotettavasti.
Subject: ilmakehätieteet
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Medus_Erika_dissertation_2022.pdf 5.327Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record