velikost textu

The application of atmospheric circulation classifications in the interpretation of climate model outputs

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
The application of atmospheric circulation classifications in the interpretation of climate model outputs
Název v češtině:
Využití klasifikací atmosférické cirkulace v interpretaci výstupů z klimatických modelů
Typ:
Disertační práce
Autor:
Mgr. Jan Stryhal
Školitel:
RNDr. Radan Huth, DrSc.
Oponenti:
doc. RNDr. Tomáš Halenka, CSc.
Mgr. Romana Beranová, Ph.D.
Id práce:
128819
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra fyzické geografie a geoekologie (31-330)
Program studia:
Fyzická geografie a geoekologie (P1306)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
29. 11. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
atmosférická cirkulace, klasifikace, reanalýzy, globální klimatické modely, validace, projekce
Klíčová slova v angličtině:
atmospheric circulation, classifications, reanalyses, global climate models, validation, projections
Abstrakt:
ABSTRAKT Využití klasifikací atmosférické cirkulace v interpretaci výstupů z klimatických modelů Mgr. Jan Stryhal Automatizované klasifikace polí atmosférické cirkulace (zkráceně cirkulační klasifikace) jsou nástrojem hojně užívaným v synoptické a dynamické klimatologii ke studiu atmosférické cirkulace a vazeb mezi atmosférickou cirkulací a nejrůznějšími atmosférickými, environmentálními a společenskými jevy. Aplikace cirkulačních klasifikací na výstupy dynamických modelů atmosféry prodělaly od prvních studií před zhruba 30 lety značný rozvoj, odrážející rychlý rozvoj statistiky, výpočetní techniky a přirozeně také klimatologického výzkumu, který se tváří v tvář paradigmatu antropogenních klimatických změn stává více a více závislým na simulacích atmosféry. Nekoordinované využívání nejrůznějších statistických přístupů v analýze výstupů globálních modelů klimatu a jejich ensemblů a nahodilý výběr cirkulačních proměnných, prostorových a časových domén a referenčních datových souborů vyústily v potřebu srovnávacích studií, které by objasnily, nakolik je srovnání klasifikací ve dvou datových souborech citlivé k subjektivním volbám. Tato práce reaguje na tuto potřebu zaměřením na roli, jakou hrají v podobných výzkumech volba klasifikační metody a v případě validace modelů volba referenční reanalýzy atmosféry. Za tímto účelem byly provedeny celkem tři studie. V první řadě byly pro oblast Evropy a severního Atlantského oceánu pomocí několika různých klasifikací posouzeny rozdíly v průměrných denních polích tlaku vzduchu přepočteného na hladinu moře mezi několika atmosférickými reanalýzami. V následujícím kroku jsou klasifikace z reanalýz využity k validaci výstupů ensemblu modelů z projektu CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5). Nakonec je analyzována cirkulace v projekcích těchto modelů pro 21. století pro reprezentativní směr vývoje koncentrací RCP8.5. Vzájemné srovnání pěti reanalýz (ERA-40, NCEP-1, JRA-55, 20CRv2, and ERA-20C) je založeno na četnosti cirkulačních typů definovaných osmi algoritmy pro osm euroatlantických oblastí pro zimy 1961–2000. Reanalýzy ERA-40, NCEP-1 a JRA-55 se vzájemně liší v klasifikaci pouze relativně malého počtu dnů (méně než 8 %). Výjimkou jsou v tomto ohledu Island a také východní Středomoří, nad kterým se reanalýzy ERA-40 a NCEP-1 neshodují v klasifikaci zhruba 22% dnů. 20CRv2, jedna z reanalýz 20. století asimilujících jen malé množství přízemních proměnných, se významně liší od ostatních reanalýz nad všemi regiony a vyznačuje se sníženou četností zonálních (západních) typů. Rozdíly mezi reanalýzami jsou značně citlivé na volbu klasifikační metody a naznačují, že každá metoda zachycuje určité specifické rozdíly a že pouze souběžná analýza více klasifikací vede k robustním a spolehlivým výsledkům. Klasifikace definované v reanalýzách jsou následně využity k validaci ensemblu 32 modelů z projektu CMIP5 pro čtyři euroatlantické oblasti. Výsledky dokládají, že pořadí modelů zcela zásadně odráží volbu klasifikační metody a že robustního pořadí je možné dosáhnout pouze souběžnou analýzou více klasifikací. Při zohlednění všech osmi klasifikací jsou tři modely (HadGEM2-CC, MIROC4h, and CNRM-CM5) stabilně mezi nejlepšími v simulaci četnosti typů nezávisle na oblasti. Volba referenční reanalýzy je otestována na příkladu východního Středomoří a ukazuje se jako významná; v extrémním případě (MRI-CGCM3) je model 5. nejlepší v porovnání s reanalýzou NCEP-1, ale až 22. nejlepší v porovnání s ERA-20C. Nejlepší model pro každou oblast má vůči mediánu reanalýz střední chybu četnosti typů zhruba 10–20 %, což zhruba odpovídá odchylce reanalýzy 20CRv2 od daného mediánu. Střední chyba nejhoršího modelu je naopak ve všech případech nad 50 %. Ensemble modelů nadhodnocuje četnost západních typů ve všech oblastech (o cca 7 % nad Britskými ostrovy, 21 % nad střední Evropou a téměř 70 % nad východním Středomořím) a také cyklonálních typů, zatímco východní a anticyklonální typy jsou typicky podhodnoceny o 30–40 %. Projekce klimatických modelů jsou analyzovány pro Britské ostrovy a střední Evropu. Modely indikují nárůst četnosti zonálního proudění, průměrná síla tohoto proudění se nicméně v projekcích nemění. Pro Britské ostrovy indikují ty modely, které lépe simulovaly zeměpisnou šířku zonálního proudění v historických bězích, mírný posun zonálního proudění směrem k rovníku. Pro střední Evropu není patrný nárůst četnosti ani perzistence anticyklonálních typů, naopak modely projektují zeslabení východního proudění, což je hypoteticky důležitým faktorem projektovaného zeslabení chladných extrémů v tomto regionu. Klíčová slova: atmosférická cirkulace, klasifikace, reanalýzy, globální klimatické modely, validace, projekce
Abstract v angličtině:
ABSTRACT The application of atmospheric circulation classifications in the interpretation of climate model outputs Mgr. Jan Stryhal Automated (computer-assisted) classifications of atmospheric circulation patterns (circulation classifications, for short) constitute a tool widely used in synoptic and dynamic climatology to study atmospheric circulation and its link to various atmospheric, environmental, and societal phenomena. The application of circulation classifications to output of dynamical models of the atmosphere has developed considerably since the pioneering studies about three decades ago, reflecting rapid development in statistics, computing technology, and—naturally—climatological research, increasingly more and more dependent on simulations of the atmosphere, facing the paradigm of anthropogenic climate change. An uncoordinated use of various statistical approaches to analyzing output of global climate models (GCM) or their various ensembles, and an arbitrary selection of circulation variables, spatial and temporal domains, and reference datasets, have contributed to a need for a comparative study, which would shed some light on the sensitivity of studies dealing with an intercomparison of circulation classifications in two datasets to subjective choices. The present thesis responds to this need by its focus on the sensitivity of such studies to the choice of a classification method and—in the case of model validation—to the choice of a reference dataset. Three separate studies were carried out. First, differences between Euro-Atlantic daily mean sea level pressure (SLP) patterns produced by several atmospheric reanalyses were assessed in multiple classifications. Second, the classifications of reanalyses were used to validate the output of an ensemble of GCMs from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5), and, last, changes in circulation projected by these models over the 21st century under the RCP8.5 representative concentration pathway were assessed. An intercomparison of five reanalyses (ERA-40, NCEP-1, JRA-55, 20CRv2, and ERA-20C) is based on the frequency of circulation types (CTs) defined by eight algorithms for eight Euro-Atlantic regions for 1961–2000 winters. In general, ERA-40, NCEP-1, and JRA-55 exhibit a fairly small portion of days (under 8%) classified to different CTs if pairs of reanalyses are compared, with the exception of Iceland and the Eastern Mediterranean; over the latter region, ERA-40 and NCEP-1 differ in classification of about 22% days. The 20CRv2, one of two 20th century reanalyses that assimilate only a few surface variables, is significantly different from other reanalyses over all regions and has a clearly suppressed frequency of zonal (westerly) CTs. The differences are considerably sensitive to the choice of a classification method and suggest that each approach reflects specific differences between datasets and only multiple classifications assessed in parallel lead to robust and reliable results. Utilizing the winter CTs defined in reanalyses, an ensemble of 32 CMIP5 GCMs was validated over four Euro- Atlantic regions. The results show that the ranking of GCMs fundamentally depends on which classification is used and, thus, only a parallel usage of multiple classifications can provide robust rankings of models. Considering all eight classifications, three models (HadGEM2-CC, MIROC4h, and CNRM-CM5) are among the best in simulating the frequency of CTs over all regions. Furthermore, using different reanalyses to validate the model output for the eastern Mediterranean has a marked effect on ranking of some models; in the extreme case, model MRI-CGCM3 ranks 5th against NCEP-1 but only 22nd against ERA-20C. The median error in CT frequency of the best model for each region, relative to the median of reanalyses, is about 10–20%, which is close to the deviation of 20CRv2 from the median. Conversely, the median error of the worst model for each region is at least 50%. The GCM ensemble overestimates the frequency of westerly circulation over all regions (by about 7% over the British Isles, 21% over Central Europe, and almost 70% over the Eastern Mediterranean) and also cyclonic CTs, while easterly and anticyclonic CTs are typically underestimated by 30–40%. The analysis of model projections is carried out for the British Isles and Central Europe. In future, models show that the zonal flow will become more frequent while the strength of the mean flow is not projected to change. Over the British Isles, the models that better simulate the latitude of zonal flow over the historical period indicate a slight equatorward shift of westerlies in future. Over Central Europe, no robust increase in persistence or frequency of anticyclonic CTs is detected; on the other hand, the easterly flow is robustly projected to become markedly weaker, which we hypothesize might be an important factor contributing to the projected decrease of cold extremes there. Key words: atmospheric circulation, classifications, reanalyses, global climate models, validation, projections
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Jan Stryhal 13.97 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Jan Stryhal 496 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Jan Stryhal 481 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Mgr. Jan Stryhal 1.72 MB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Tomáš Halenka, CSc. 83 kB
Stáhnout Posudek oponenta Mgr. Romana Beranová, Ph.D. 151 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 1.42 MB