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Indices of oscillatory behavior are conveniently obtained by projecting the fields in question into a phase space of a few (mostly just two) dimensions; empirical orthogonal functions (EOFs) or other, more dynamical, modes are typically used for the projection. If sufficiently coherent and in quadrature, the projected variables simply describe a rotating vector in the phase space, which then serves as the basis for predictions. Using the boreal summer intraseasonal oscillation (BSISO) as a test case, an alternative procedure is introduced: it augments the original fields with their Hilbert transform (HT) to form a complex series and projects it onto its (single) dominant EOF. The real and imaginary parts of the corresponding complex pattern and index are compared with those of the original (real) EOF. The new index explains slightly less variance of the physical fields than the original, but it is much more coherent, partly from its use of future information by the HT. Because the latter is in the way of real-time monitoring, the index can only be used in cases with predicted physical fields, for which it promises to be superior. By developing a causal approximation of the HT, a real-time variant of the index is obtained whose coherency is comparable to the noncausal version, but with smaller explained variance of the physical fields. In test cases the new index compares well to other indices of BSISO. The potential for using both indices as an alternative is discussed.
Climatic change alters the frequency and intensity of natural hazards. In order to assess potential future changes in flood seasonality in the Rhine River Basin, we analyse changes in streamflow, snowmelt, precipitation, and evapotranspiration at 1.5, 2.0 and 3.0 ◦C global warming levels. The mesoscale Hydrological Model (mHM) forced with an ensemble of climate projection scenarios (five general circulation models under three representative concentration pathways) is used to simulate the present and future climate conditions of both, pluvial and nival hydrological regimes. Our results indicate that the interplay between changes in snowmelt- and rainfall-driven runoff is crucial to understand changes in streamflow maxima in the Rhine River. Climate projections suggest that future changes in flood characteristics in the entire Rhine River are controlled by both, more intense precipitation events and diminishing snow packs. The nature of this interplay defines the type of change in runoff peaks. On the sub-basin level (the Moselle River), more intense rainfall during winter is mostly counterbalanced by reduced snowmelt contribution to the streamflow. In the High Rhine (gauge at Basel), the strongest increases in streamflow maxima show up during winter, when strong increases in liquid precipitation intensity encounter almost unchanged snowmelt-driven runoff. The analysis of snowmelt events suggests that at no point in time during the snowmelt season, a warming climate results in an increase in the risk of snowmelt-driven flooding. We do not find indications of a transient merging of pluvial and nival floods due to climate warming.
Extreme Regenereignisse von kurzer Dauer im Bereich von Stunden und darunter rücken aufgrund der dadurch bedingten Schäden durch Sturzfluten und auch wegen ihrer möglichen Intensivierungen durch den anthropogenen Klimawandel immer stärker in den Fokus. Die vorliegende Studie untersucht auf Basis von teilweise sehr langen (> 50 Jahre) und zeitlich hochaufgelösten Zeitreihen (≤ 15 Minuten) mögliche Trends in Starkregenintensitäten für Stationen aus schweizerischen und österreichischen Alpenregionen sowie für das Emscher-Lippe-Gebiet in Nordrhein-Westfalen. Es wird deutlich, dass es eine Zunahme der extremen Niederschlagsintensitäten gibt, welche gut durch die Erwärmung des regionalen Klimas erklärt werden kann: Die Analysen langfristiger Trends der Überschreitungssummen und Wiederkehrniveaus zeigen zwar erhebliche Unsicherheiten, lassen jedoch eine Zunahme in einer Größenordnung von 30 % pro Jahrhundert erkennen. Zudem wird in diesem Beitrag, basierend auf einer "mittleren" Klimasimulation für das 21. Jahrhundert, für ausgewählte Stationen der Emscher-Lippe-Region eine Projektion für extreme Niederschlagsintensitäten in sehr hoher zeitlicher Auflösung beschrieben. Dabei wird ein gekoppeltes räumliches und zeitliches "Downscaling" angewendet, dessen entscheidende Neuerung die Berücksichtigung der Abhängigkeit der lokalen Regenintensität von der Lufttemperatur ist. Dieses Verfahren beinhaltet zwei Schritte: Zuerst werden großräumige Klimafelder in täglicher Auflösung durch Regression mit den Temperatur- und Niederschlagswerten der Stationen statistisch verbunden (räumliches Downscaling). Im zweiten Schritt werden dann diese Stationswerte mithilfe eines sogenannten multiplikativen stochastischen Kaskadenmodells (MC) auf eine zeitliche Auflösung von 10 Minuten disaggregiert (zeitliches Downscaling). Die neuartige, temperatursensitive Variante berücksichtigt zusätzlich die Lufttemperatur als erklärende Variable für die Niederschlagsintensitäten. Dadurch wird der mit einer Erwärmung zu erwartende höhere atmosphärische Feuchtegehalt, welcher sich aus der Clausius-Clapeyron-Beziehung (CC) ergibt, mit in das zeitliche Downscaling einbezogen.
Für die statistische Auswertung der extremen kurzfristigen Niederschläge wurden die oberen Quantile (99,9 %), Überschreitungssummen (ÜS, P > 5 mm) und 3-jährliche Wiederkehrniveaus (WN) einer Dauerstufe von ≤ 15-Minuten betrachtet. Diese Auswahl erlaubt die gleichzeitige Analyse sowohl von Extremwertstatistiken als auch von deren langfristigen Trends; leichte Abweichungen von dieser Wahl beeinflussen die Hauptergebnisse nur unwesentlich. Nur durch die Hinzunahme der Temperatur wird die beobachtete Temperaturabhängigkeit der extremen Quantile (CC-Scaling) gut wiedergegeben. Bei Vergleich von Beobachtungsdaten und Gegenwartssimulationen der Modellkaskade zeigt das temperatursensitive Verfahren konsistente Ergebnisse. Im Vergleich zu den Entwicklungen der letzten Jahrzehnte werden für die Zukunft ähnliche oder sogar noch stärkere Anstiege der extremen Niederschlagsintensitäten projiziert. Dies ist insofern bemerkenswert, als diese anscheinend hauptsächlich durch die örtliche Temperatur bestimmt werden, denn die projizierten Trends der Niederschlags-Tageswerte sind für diese Region vernachlässigbar.