Causes and possible solutions for reducing systematic error caused by land-atmosphere interaction in multi-year integrations of a regional climate model in Central Europe

[И. Лазић]

122 стр.

Метеорологија - Климатологија и примењена метеорологија / Meteorology - Climatology and Applied Meteorology

Ова дисертација се бави анализом узрока и могућих решења за смањење систематске грешке која настаје услед интеракција између атмосфере и тла у вишегодишњим симулацијама регионалног климатског модела. Проблем систематске грешке у климатским пројекцијама повезан је са несавршеном репрезентацијом процеса размене влаге, топлоте и енергије између ових двеју компоненти климатског система. Посебан значај овог истраживања огледа се у контексту климатских промена, с обзиром на очекивани пораст учесталости екстремних климатских догађаја, попут топлотних таласа и суша, који ће бити појачани повратним спрегама између тла и атмосфере. Боље разумевање ових интеракција може допринети унапређењу климатских пројекција и предвиђању климатских екстрема. Истраживање је изведено коришћењем повезаног регионалног климатског модела EBU-POM, који комбинује атмосферску и океанску компоненту, са Noah моделом тла. Анализирани су различити параметри тла, који описују хидрофизичке особине тла базиране на текстури тла, као и њихов утицај на кључне климатске променљиве, тј. температуру ваздуха, падавине, влажност тла и евапотранспирацију. Кроз два симулациона експеримената и коришћење различитих мапа текстуре тла, испитивана је осетљивост модела на промену параметара тла, као и њихов утицај на повратне спреге између тла и атмосфере. Посебан део истраживања усмерен је на верификацију EURO-CORDEX мулти- моделског ансамбла током летњег периода у Панонској низији, јер се ова област издваја по прецењивању температуре ваздуха и потцењивању падавина у том периоду. Ова анализа је спроведена како би се идентификовале предности и ограничења различитих регионалних климатских модела у симулацији летње климе, с обзиром на то да се EURO-CORDEX мулти- моделски ансамбл високог просторног разлагања користи за студије утицаја промене климе на социо-економске секторе друштва и околину. Коришћене су статистичке метрике за верификације модела, укључујући Тејлорове дијаграме, који су показали одређена одступања у симулираним вредностима температуре ваздуха и падавина у односу на осмотрени сет података. Поред тога, с обзиром на уочене проблеме у симулацији летње климе у овом региону, испитана је и осетљивост параметара тла у климатском моделу. Такође, резултати указују да параметри тла, коришћени за описивање интеракција између атмосфере и тла, могу значајно утицати на грешке у симулацијама влажности тла која путем механизма повратних спрега утиче пре свега на температуру ваздуха, нарочито током летњег периода. Нетачности у моделирању ових интеракција могу довести до потцењивања или прецењивања екстремних климатских догађаја, попут интензитета топлотних таласа. Идентификовани су најзначајнији параметри тла који утичу на грешке у приземним флуксевима латентне и осетне топлоте и физичким величинама које описују атмосферу и тло, при чему је утврђена њихова снажна зависност од величине честица тла. Ови резултати указују на потребу за унапређењем података о текстури тла како би се смањила неизвесност климатских пројекција и побољшала прогнозљивост екстремних климатских догађаја.

This dissertation analyzes the causes and potential solutions for reducing systematic errors arising from land-atmosphere interactions in multi-year simulations of a regional climate model. The issue of systematic errors in climate projections is associated with the imperfect representation of moisture, heat, and energy exchange processes between these two components of the climate system. The significance of this research is particularly evident in the context of climate change, given the expected increase in the frequency of extreme climate events, such as heatwaves and droughts, which will be amplified by land-atmosphere feedback mechanisms. A better understanding of these interactions can contribute to improving climate projections and the prediction of climate extremes. The study was conducted using the coupled regional climate model EBU-POM, which integrates the atmospheric and oceanic components with the Noah land surface model. Various soil parameters were analyzed, describing the soil hydro-physical properties based on soil texture, as well as their impact on key climate variables, including air temperature, precipitation, soil moisture, and evapotranspiration. Through two simulation experiments and the use of different soil texture maps, the model's sensitivity to changes in soil parameters was examined, along with their influence on land-atmosphere feedbacks. A dedicated part of the research focuses on the verification of the EURO-CORDEX multimodel ensemble during the summer period in the Pannonian Basin, as this region stands out due to overestimation of air temperature and underestimation of precipitation during this period. This analysis was conducted to identify the advantages and limitations of different regional climate models in simulating summer climate, considering that the high-resolution EURO-CORDEX multi-model ensemble is widely used in studies on the impact of climate change on socio-economic sectors and the environment. Statistical metrics were used for model verification, including Taylor diagrams, which revealed certain discrepancies in the simulated air temperature and precipitation compared to the observed dataset. Furthermore, given the identified issues in simulating summer climate in this region, the sensitivity of soil parameters in the climate model was also examined. The results also indicate that soil parameters used to describe land-atmosphere interactions can significantly influence errors in soil moisture simulations, which, through feedback mechanisms, primarily affect air temperature, especially during the summer period. Inaccuracies in modeling these interactions can lead to underestimation or overestimation of extreme climate events, such as the intensity of heat waves. The most influential soil parameters affecting errors in surface latent and sensible heat fluxes, as well as physical variables describing the state of atmosphere and soil, have been identified, showing a strong dependence on soil grain size. These findings highlight the need to improve soil texture data to reduce uncertainties in climate projections and enhance the predictability of extreme climate events.

атмосфера-тло интеракције, повезани регионални климатски модел, текстура тла, параметри тла, EBU-POM, температура, падавине, влажност тла, евапотранспирација

land-atmosphere interactions, coupled regional climate model, soil texture, soil parameters, EBU-POM, temperature, precipitation, soil moisture, evapotranspiration

551.581/.582(043.3)

Tekst