Central European precipitation and temperature extremes in relation to large-scale atmospheric circulation types

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Abstract:

There is increasing concern that precipitation and temperature extremes may be changing in frequency and character as a result of changing climate, and the latter is mostly linked with particular changes in the atmospheric circulation. Therefore the question arises – a key question in the climate change prospective – as to how precipitation and temperature extremes are related to large-scale atmospheric circulation types? To study such relationships over an extended period of more than one and a half centuries, we include daily precipitation and temperature time series compiled during the EU project EMULATE (European and North Atlantic daily to multidecadal climate variability) back to 1850 as well as daily mean SLP reconstructions from the same project for the same period. The latter data set has been used for classifying daily circulation types for each season using a simulated annealing clustering technique. Comparing each of these circulation types with their percentages among extreme days and among non-extreme days (with respect to precipitation or temperature) clearly reveals that in most cases only a few of the seasonal circulation types are conducive to the occurrence of daily extremes. This is shown for heavy precipitation and positive temperature extremes (beyond the 98th percentile in each case), related to the winter (DJF) and summer (JJA) seasons for a central European region. Different circulation patterns proved to be important in this context. Thus, in contrast to positive temperature extremes during winter being linked preferably to zonal circulation patterns (positive mode of the North Atlantic Oscillation, NAO), heavy winter precipitation in central Europe is distinctly associated with less zonal patterns characterized by an eastward or southeastward shift of the subpolar centre of low pressure implying only weak correlations with the NAO. Furthermore, particular indices reveal that changing frequencies of extremes are not only due to corresponding frequency changes of these conducive circulation types, but also to changes of their association to precipitation or temperature extremes (reflected by changes in the percentage of extremes related to the overall occurrence of the corresponding circulation type). These within-type changes of circulation types often govern the low-frequency variations in the overall incidence of extremes.

German
Verbreitet wird damit gerechnet, dass Häufigkeit und Eigenschaften von Niederschlags- und Temperaturextremen sich ändern, wenn das globale Klima einem Wandel unterworfen ist. Da letzteres zumeist mit Änderungen in der atmosphärischen Zirkulation einhergeht, stellt sich die Schlüsselfrage, wie diese Extreme in Beziehung stehen zu großskaligen Zirkulationstypen. Um dies für den ausgedehnten Zeitraum seit Mitte des 19. Jahrhunderts zu untersuchen, wird auf Datenaätze aus dem EU-Projekt EMULATE zurückgegriffen (European and North Atlantic daily to multidecadal climate variability), sowohl hinsichtlich täglich aufgelöster mitteleuropäischer Niederschlags- und Temperaturzeitreihen als auch rekonstruierter täglicher Bodenluftdruckfelder für den nordatlantisch-europäischen Großraum. Auf deren Basis sind während des genannten Projekts tägliche Zirkulationstypen für jede Jahreszeit mittels einer Clustermethode bestimmt worden, die auf sog. ,simulated annealing' beruht. Vergleicht man für jeden dieser Zirkulationstypen seine Prozentanteile an den Extremtagen und an den nicht-extremen Tagen (bezüglich Niederschlag bzw. Temperatur), stellt sich klar heraus, dass in den meisten Fällen nur wenige der Zirkulationstypen begünstigend für das Auftreten von Extremen sind. Dies wird konkret für Starkniederschläge und positive Temperaturextreme (jeweils jenseits des 98 % Perzentils) im mitteleuropäischen Winter (DJF) und Sommer (JJA) gezeigt. Dabei ergeben sich folgende Differenzierungen: während positive Temperaturextreme im Winter vorwiegend mit zonalen Zirkulationsmustern verbunden sind, die der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO) entsprechen, sind winterliche Starkniederschläge in Mitteleuropa mit weniger zonalen Strömungskonfigurationen assoziiert, die durch eine ost- oder südostgerichtete Verlagerung des subpolaren Tiefdruckzentrums bei nur mehr geringen Korrelationen mit der NAO gekennzeichnet sind. Weiterhin zeigen spezifische Indizes, dass Häufigkeitsänderungen von Extremen nicht nur auf entsprechende Auftretensänderungen der begünstigenden Zirkulationstypen zurückzuführen sind, sondern auch auf typinterne Änderungen bei diesen Zirkulationstypen (erkenntlich an variablen Anteilen extremer Tage an der Gesamtzahl der Auftretenstage des betreffenden Zirkulationstyps). Diese zirkulationstypinternen Änderungen bestimmen sogar häufig die niederfrequenten Schwankungen im Gesamtauftreten von Niederschlags- bzw. Temperaturextremen.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2009/0390

Publication date: August 1, 2009

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