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Towards improved climate change information for urban areas following a regional-to-local climate modeling and data analysis approach for the Berlin region

Auf dem Weg zu verbesserten Klimainformationen für Städte. Auf Basis von regionalen-zu-lokalen Klimamodellierungs-und Datenanalyseverfahren für Berlin und Umland

  • Urban areas are prone to climate change impacts. Simultaneously the world’s population increasingly resides in cities. In this light, there is a growing need to equip urban decision makers with evidence-based climate information tailored to their specific context, to adequately adapt to and prepare for future climate change. To construct climate information high-resolution regional climate models and their projections are pivotal, to provide a better understanding of the unique urban climate and its evolution under climate change. There is a need to move beyond commonly investigated variables, such as temperature and precipitation, to cover a wider breath of possible climate impacts. In this light, the research presented in this thesis is centered around enhancing the understanding about regional-to-local climate change in Berlin and its surroundings, with a focus on humidity. More specifically, following a regional climate modelling and data analysis approach, this research aims to understand the potential of regional climate models, and the possible added value of convection-permitting simulations, to support the development of high-quality climate information for urban regions, to support knowledge-based decision-making. The first part of the thesis investigates what can already be understood with available regional climate model simulations about future climate change in Berlin and its surroundings, particularly with respect to humidity and related variables. Ten EURO-CORDEX model combinations are analyzed, for the RCP8.5 emission scenario during the time period 1970 ̶ 2100, for the Berlin region. The results are the first to show an urban-rural humidity contrast under a changing climate, simulated by the EURO-CORDEX ensemble, of around 6 % relative humidity, and a robust enlarging urban drying effect, of approximately 2 ̶ 4 % relative humidity, in Berlin compared to its surroundings throughout the 21st century. The second part explores how crossing spatial scales from 12.5 km to 3 km model grid size affects unprecedented humidity extremes and related variables under future climate conditions for Berlin and its surroundings. Based on the unique HAPPI regional climate model dataset, two unprecedented humidity extremes are identified happening under 1.5 °C and 2 °C global mean warming, respectively SH>0.02 kg/kg and RH<30 %. Employing a double-nesting approach, specifically designed for this study, the two humidity extremes are downscaled to the 12.5 km grid resolution with the regional climate model REMO, and thereafter to the 3 km with the convection-permitting model version of REMO (REMO NH). The findings indicate that the convection-permitting scale mitigates the SH>0.02 kg/kg moist extreme and intensifies the RH<30 % dry extreme. The multi-variate process analysis shows that the more profound urban drying effect on the convection-permitting resolution is mainly due to better resolving the physical processes related to the land surface scheme and land-atmosphere interactions on the 3 km compared to the 12.5 km grid resolution. The results demonstrate the added value of the convection-permitting resolution to simulate future humidity extremes in the urban-rural context. The third part of the research investigates the added value of convection-permitting models to simulate humidity related meteorological conditions driving specific climate change impacts, for the Berlin region. Three novel humidity related impact cases are defined for this research: influenza spread and survival; ragweed pollen dispersion; and in-door mold growth. Simulations by the regional climate model REMO are analyzed for the near future (2041 ̶ 2050) under emission scenario RCP8.5, on the 12.5 km and 3 km grid resolution. The findings show that the change signal reverses on the convection-permitting resolution for the impact cases pollen, and mold (positive and negative). For influenza, the convection-permitting resolution intensifies the decrease of influenza days under climate change. Longer periods of consecutive influenza and mold days are projected under near-term climate change. The results show the potential of convection-permitting simulations to generate improved information about climate change impacts in urban regions to support decision makers. Generally, all results show an urban drying effect in Berlin compared to its surroundings for relative and specific humidity under climate change, respectively for the urban-rural contrast throughout the 21st century, for the downscaled future extreme conditions, and for the three humidity related impact cases. Added value for the convection-permitting resolution is found to simulate humidity extremes and the meteorological conditions driving the three impacts cases. The research makes novel contributions that advance science, through demonstrating the potential of regional climate models, and especially the added value of convection-permitting models, to understand urban rural humidity contrasts under climate change, supporting the development of knowledge-based climate information for urban regions.
  • Der Klimawandel hat starke Auswirkungen auf Städte. Gleichzeitig lebt die Weltbevölkerung zunehmend in Städten. Vor diesem Hintergrund besteht ein wachsender Bedarf, städtische Entscheidungsträger mit evidenzbasierten Klimainformationen auszustatten, die auf ihren spezifischen Kontext zugeschnitten sind, um sich an den zukünftigen Klimawandel anzupassen und sich darauf vorzubereiten. Für die Erstellung von Klimainformationen sind hochauflösende regionale Klimamodelle und ihre Projektionen von zentraler Bedeutung, um ein besseres Verständnis des einzigartigen Stadtklimas und seiner Entwicklung unter dem Einfluss des Klimawandels zu ermöglichen. Es besteht die Notwendigkeit, über die Analyse typischer Variablen wie Temperatur und Niederschlag hinauszugehen, um einen breiteren Bereich möglicher Klimaausfolgen abzudecken. Vor diesem Hintergrund konzentriert sich die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung auf die Verbesserung des Verständnisses des regionalen und lokalen Klimawandels in Berlin und seiner Umgebung, mit dem Schwerpunkt auf Luftfeuchtigkeit. Die vorliegende Doktorarbeit verwendet regionale Klimamodellierungsmethoden und spezielle Datenanalyseverfahren, um das Potenzial regionaler Klimamodelle und den möglichen Mehrwert von konvektionserlaubenden Simulationen zu erforschen und um die Entwicklung hochwertiger Klimainformationen für Städte sowie wissensbasierte Entscheidungen zu unterstützen. Im ersten Teil der Arbeit wird untersucht, was bereits mit verfügbaren regionalen Klimamodellsimulationen über den zukünftigen Klimawandel in Berlin und Umgebung ermittelt werden kann, insbesondere in Bezug auf Luftfeuchtigkeit und verwandte Variablen. Zehn EURO-CORDEX Modellkombinationen werden für das RCP8.5-Emissionsszenario im Zeitraum 1970-2100 für die Region Berlin analysiert. Die Ergebnisse des EURO-CORDEX Ensembles zeigen ein Stadt-Land-Feuchtedefizit von etwa -6 % relativer Luftfeuchte und eine robuste Zunahme des städtischen Trocknungseffekts von etwa -2 bis -4 % relativer Luftfeuchtigkeit am Ende des 21. Jahrhundert. Der zweite Teil untersucht, wie sich der Übergang von 12,5 km auf 3 km Modellgittergröße auf außergewöhnliche Feuchtigkeitsextreme und verwandte Variablen unter zukünftigen Klimabedingungen für Berlin und seine Umgebung auswirkt. Basierend auf den regionalen Klimamodellsimulationen des einzigartigen HAPPI-Datensatzes werden zwei Feuchtigkeitsextreme identifiziert, die erst bei einer mittleren Erderwärmung von 1,5 °C bzw. 2 °C auftreten können: jeweils spezifische Feuchte (SH) >0,02 kg/kg und relative Feuchte (RH) <30 %. Unter Verwendung eines speziell für diese Studie entwickelten Double-Nesting-Verfahrens werden die beiden Feuchtigkeitsextreme mit dem regionalen Klimamodell REMO auf 12,5 km Gitterauflösung regional verfeinert und danach mit der konvektionserlaubenden Modellversion von REMO (REMO-NH) auf 3 km Gitterweite lokal weiter verfeinert. Die Ergebnisse zeigen, dass in den konvektionserlaubenden Simulationen die feuchten Extreme (SH > 0,02 kg/kg) abgemildert und das trockene Extreme (RH < 30 %) verstärkt werden. Die multivariate Prozessanalyse zeigt, dass der verstärkte städtische Trocknungseffekt in den hochaufgelösten Simulationen hauptsächlich auf die verbesserte Abbildung von physikalischen Prozessen im Zusammenhang mit dem Landoberflächenmodell und den damit verbundenen Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen in den Simulationen mit 3 km Gitterweite im Vergleich zu den 12,5 km Simulationen zurückzuführen ist. Die Ergebnisse zeigen den Mehrwert der konvektionserlaubenden Auflösung für die Simulation zukünftiger Feuchtigkeitsextreme im Stadt-Land-Kontext. Im dritten Teil der Arbeit wird der Mehrwert konvektionserlaubender Modelle im Hinblick die Bestimmung von feuchtigkeitsbezogene Auswirkungen des Klimawandels in der Region Berlin untersucht. Drei neuartige feuchtigkeitsbezogene Auswirkungen werden speziell für diese Untersuchung definiert: Ausbreitung und Überleben von Influenzaviren; Ambrosia-Pollen-Freisetzung; und Schimmelbildung in Innenräumen. Simulationen des regionalen Klimamodells REMO werden für die nahe Zukunft (2041 ̶ 2050) für das Emissionsszenario RCP8.5 mit einer Rasterauflösung von 12,5 km und 3 km analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Änderungssignal für Pollen- und Schimmelausbreitung (positiv und negativ) beim Übergang von 12,5 auf 3 km Auflösung umkehrt. Bei Influenza verstärkt die konvektionserlaubende Auflösung die klimawandelbedingte Abnahme der Influenzatage. In naher Zukunft werden unter Klimawandelbedingungen längere Perioden aufeinanderfolgender Influenza- und Schimmelpilztage erwartet. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial konvektionserlaubender Simulationen zur Erstellung verbesserter Informationen über die Auswirkungen des Klimawandels in städtischen Regionen zur Unterstützung von Entscheidungsträgern. Generell zeigen alle Ergebnisse dieser Arbeit einen klimawandelbedingten städtischen Austrocknungseffekt in Berlin im Vergleich zu seinem Umland sowohl in der relativen- als auch in der spezifischen Luftfeuchte. Dieser ist sichtbar in einem verstärkten RH Stadt-Land-Kontrast am Ende des 21. Jahrhundert, in den herunterskalierten zukünftigen Extrembedingungen und in den drei untersuchten feuchtebezogenen Klimafolgen. Die konvektionserlaubende Auflösung zeigt einen Mehrwert bei der Simulation von Feuchtigkeitsextremen und den meteorologischen Bedingungen für die drei ausgewählten Klimafolgen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen das Potenzial regionaler Klimamodelle und insbesondere den Mehrwert von konvektionserlaubenden regionalen Klimamodellen für das Verständnis der Feuchtigkeitsunterschiede zwischen Stadt und Umland unter den Bedingungen des Klimawandels und für die Erstellung wissensbasierter Klimainformationen für städtische Regionen.

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Metadaten
Author:Gaby Sophie LangendijkORCiDGND
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-12694
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1269
Advisor:Brigitte Urban (Prof. Dr.)
Referee:Brigitte Urban (Prof. Dr.)GND, Daniela Jacob (Prof. Dr.)ORCiDGND, Heiko Paeth (Prof. Dr.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2022
Date of Publication (online):2022/11/01
Date of first Publication:2022/11/01
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2022/07/22
Release Date:2022/11/01
Note:
Das Rahmenpapier der kumulativen Dissertation enthält 3 Beiträge
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Ökologie (IE)
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht