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Analysis of CCLM model biases in relation to intra-ensemble model variability

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Abstract:

We present an analysis of the climatologies and the interannual variations of 2 m temperature and precipitation for ensemble simulations performed with the CCLM for Europe. Special focus is put on the analysis of the intra-ensemble variabilities. CCLM predicts a pronounced cold bias in spring and summer over large parts of Europe north of approximately 40N. In contrast, the model suffers from a distinct warm bias in Northern Europe in winter. Precipitation is clearly overestimated in Europe during all seasons, with the exception of a dry summer bias extending from Italy to the Black Sea. CCLM distinctly overestimates the precipitation variations over most of Europe while temperature variations tend to be underestimated in Northern Europe and overestimated in the Mediterranean. The study shows that temperature and precipitation biases for both the mean and interannual variability are critically dependent on the ensemble member that is selected for the evaluation. It is therefore essential to use ensemble simulations for model validation in order to avoid random model biases for both the mean and interannual variability of temperature and precipitation. The results suggest that the intra-ensemble variability relative to the model bias is higher for interannual variability than for the mean. It can thus be concluded that the model's performance in predicting climate extremes cannot be properly evaluated using only one model simulation. Finally, we also compare several extreme indices (largest number of consecutive frost days, summer days, wet days, and dry days). The study shows that the cold summer bias leads to an underestimation of the largest number of consecutive summer days over major parts of the model domain. The wet model bias in Central and Northern Europe leads to a distinct underestimation of the largest number of consecutive dry days.

German
Die vorliegende Studie diskutiert mit dem CCLM simulierte Klimatologien und jährliche Schwankungen der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags über Europa. Spezielles Augenmerk wird dabei auf die Analyse der Unterschiede der Mitglieder eines Ensembles gelegt. Eine Modellvalidierung zeigt, dass im Frühjahr und Sommer die Temperaturen in Europa nördlich 40° N markant zu kühl sind, während in Nordeuropa die Wintertemperaturen klar über den Beobachtungen liegen. Das Modell erzeugt in allen Jahreszeiten deutlich zu viel Niederschlag, mit Ausnahme eines im Sommer zu trockenen Gürtels, der sich von Italien bis zum Schwarzen Meer erstreckt. Das CCLM überschätzt die jährlichen Schwankungen des Niederschlags über weiten Teilen Europas. Die modellierte Temperaturvariabilität ist in Nordeuropa eher unterschätzt, während im Mittelmeerraum zu hohe jährliche Schwankungen simuliert werden. Die Arbeit stellt klar, dass sich die simulierte Temperatur- und Niederschlagsverteilung und -variabilität der Mitglieder eines Ensembles deutlich unterscheiden können. Mit Hilfe einfacher Indizes wird gezeigt, dass die Unterschiede zwischen den Ensemble-Mitgliedern in der gleichen Grössenordnung wie der Modellbias (CCLM minus Beobachtung) liegen kann. Die Analyse der Modellrechnungen machen dabei deutlich, dass vor allem die Validierung der jährlichen Schwankung auf der Basis einer einzigen Simulation kritisch zu beurteilen ist. Am Schluss der Studie vergleichen wir beobachtete und simulierte Werte von Klimaindizes der Temperatur und des Niederschlags (längste zusammenhängende Periode von Frost- und Sommertagen sowie Regen- und Trockentagen). Der im Modell zu kühle Sommer führt zu einer Unterschätzung der längsten Periode von Sommertagen, während das zu feuchte Modellklima in weiten Teilen Mittel- und Nordeuropas zu einer ausgeprägten Unterschätzung der längsten trockenen Periode führt.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2008/0307

Publication date: August 1, 2008

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