High resolution wind field modelling over complex topography : analysis and future scenarios

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung einer kombinierten dynamischen-diagnostischen downscaling Methode für bodennahen Wind (basierend auf dem dynamischen Modell MM5 und dem diagnostischen Modell CALMET), welche es ermöglicht Windklimatologien in komplexer Topographie auf der 100 m Skala zu erstellen. Ein zweites Ziel ist die Durchführung von Klimasimulationen zur Identifikation klimatologischer Prozesse, die das Langzeitverhalten von mittleren Windverhältnissen in den Europäischen Alpen und dem Wiener Becken bei steigenden Treibhausgaskonzentrationen bestimmen. Böen und Extremereignisse werden nicht betrachtet.Mehrere Varianten der Methode (angetrieben vom Re-Analysedatensatz ERA-40) wurden in den Hohen Tauern und dem Wiener Becken eingesetzt. Vergleiche zu Beobachtungsdaten zeigen, dass die Konzepte der Stationären Strömung und der Strömungsüberhöhung die dominantesten Klimamechanismen sind. Die Qualität der Windklimatologien wird hauptsächlich von der Fähigkeit, synoptische und regionale Prozesse abzubilden, beeinflusst. Im Wiener Becken hat die Stationäre Strömung mehr Validität und führt zu einer verstärkten systematischen Überschätzung der Windgeschwindigkeiten (Bias zw. 0,9 m/s und 2,1 m/s).Die Methode wurde erfolgreich auf eine Klimasimulation des Modells ECHAM5 (Perioden 1981 bis 1990 und 2041 bis 2050, IPCC Szenario IS92a) angewandt. Die Klimaänderungssignale zeigen rückläufige Jahreswindgeschwindigkeiten (bis zu -20,8 %, das sind -1,2 m/s, in den Alpen) und es kann gefolgert werden, dass a) Änderungen der synoptischen und regionalen Prozesse gradientenbedingte Strömungen beeinflussen, insbesondere im Winter, b) die Strömungsüberhöhung Änderungen der Geschwindigkeiten im Gebirge verstärkt und c) Wechselwirkungen zw. Atmosphäre und Erdoberfläche zu regional unterschiedlichen Effekten führen. Unabhängig von der Wahl der Modelle werden saisonale Windgeschwindigkeiten im Frühling und Sommer in den Alpen zurückgehen.The present thesis focuses on investigating and improving a hybrid dynamic-diagnostic downscaling method for near surface wind (based on the dynamic PSU/NCAR model MM5 and the diagnostic California Meteorological model CALMET), which enables to provide wind climatologies over complex topography on the 100 m scale. A second objective is to conduct climate simulations and to identify climatological main processes affecting the long-term behaviour of averaged near surface wind conditions in the European Alpine region and the Vienna Basin under increasing greenhouse-gas concentrations. Questions of wind gusts and extremes are not considered.Several variants of the method were applied (driven by the reanalysis dataset ERA-40) in two study regions, the Hohe Tauern region and the Vienna Basin. Comparisons to observations show that the steady-state flow concept and the orographic speed-up effect are the most dominant climatological mechanisms. The quality of the modelled climatologies is mostly affected by the ability to capture synoptic- and regional-scale processes. In the Vienna Basin the steady-state flow concept is more valid and leads to an enhanced systematic overestimation of wind speed (biases from 0.9 m/s to 2.1 m/s).The method has been successfully applied to the output of the climate model ECHAM5 (periods 1981 to 1990 and 2041 to 2050, IPCC scenario IS92a). The climate change signals show decreasing annual wind speeds (up to -20.8 %, i.e., -1.2 m/s, in the inner Alps) and it can be concluded that a) changes of synoptic- and large-scale processes are affecting gradient-forced synoptic- and regional-scale air flows, particularly during DJF, b) the speed-up effect amplifies changes of wind speeds in mountainous areas, and c) interactions between the atmosphere and the earth's surface lead to regionally varying climate change effects. There exists strong evidence for a robust model-independent reduction of wind speed during MAM and JJA in the inner Alps.vorgelegt von Heimo TruhetzZsfassung in dt. SpracheGraz, Univ., Diss., 2010OeBB(VLID)21174