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A new atmospheric dataset for High Asia
Development, validation and applications in climatology and in glaciology
Maussion, Fabien
Das Tibet-Plateau mit seinen angrenzenden Gebirgszügen (TP) ist eines der markantesten geologischen Merkmale auf der Erde. Es spielt eine wesentliche Rolle als beeinflussender Faktor der globalen atmosphärischen Zirkulation, auf ihm entspringen mehrere der größten asiatischen Flüsse und große Mengen Eis, Schnee und Permafrost sind auf ihm gespeichert. Das Klima auf dem TP unterliegt sowohl dem Einfluss der Westwinde der mittleren Breiten, als auch des asiatischen Monsuns. Allerdings ist die Interaktion dieser beiden Faktoren und ihr jeweiliger Beitrag zu regionaler Klimavariabilität und Klimawandel noch ungenügend verstanden. Der beobachtete Rückgang von Gletschern und Seespiegelschwankungen deutet auf einen möglichen Klimawandel hin, aber die starke räumliche Variabilität dieser Phänomene erschwert die Interpretation bezüglich klimatischer Antriebe.
Trotz dieser Relevanz ist das Wissen über Klima und Wasserkreislauf des Tibet-Plateaus stark begrenzt. Aus geschichtlichen und politischen Gründen sind direkte Messdaten aus der Region spärlich und für die hohen Lagen des Tibet-Plateaus kaum vorhanden. In dieser Arbeit stelle ich einen Lösungsansatz für dieses Problem vor: einen neuen hochaufgelösten atmosphärischen Datensatz, die High Asia Reanalysis (HAR). Die HAR wurde mittels dynamischem Downscaling globaler Analysedaten unter Verwendung des Weather Research and Forecasting (WRF) Modells für die Periode 2001-2011 generiert. Dieser neue Datensatz liefert bodennahe und atmosphärische Variablen in hoher räumlicher (bis zu 10 km) und zeitlicher (stündlich) Auflösung.
Um eine geeignete Modellkonfiguration zur Erstellung der HAR zu ermitteln, wurden verschiedene Konfigurationen getestet und mit Beobachtungen während eines Starkniederschlagsereignisses auf dem TP verglichen. Dies ging mit der Entwicklung neuer Evaluierungsmethoden einher, um die unbekannte Genauigkeit und die mangelhafte räumliche Repräsentation der Verhältnisse auf dem TP durch Beobachtungen zu berücksichtigen. Zusätzlich wurde eine automatische Wetterstation (AWS) auf dem Zhadang-Gletscher (südzentrales TP) in 5600 m ü.NN installiert. Diese AWS liefert einmalige Daten aus großer Höhe für diese Region.
Die Ergebnisse zeigen, dass HAR bekannte räumliche Niederschlagsmuster und deren Saisonalität reproduziert. Zudem liefert sie im Vergleich zu bereits existierenden Datensätzen auf Grund ihrer hohen Auflösung wichtige Zusatzinformationen im Bereich der Schneefalleigenschaften, Niederschlagsfrequenzen oder orographischen Niederschläge. Die Muster der Niederschlagssaisonalität auf dem TP sind komplex und durch ein Winterregime im Westen, ein Frühlingsregime im nördlichen und südlichen TP und ein Sommerregime in den übrigen Regionen bestimmt. Zusammenhänge zur Interpretation der Gletscherveränderungen werden durch eine neue Klassifikation von Gletscherakkumulationsregimen veranschaulicht. Zusätzlich treten Regionen mit höherer interannueller Variabilität und Anfälligkeit für Starkniederschlagsereignisse hervor. Ein weiteres Ziel der HAR ist die Bereitstellung von Antriebsdaten für Wirkmodelle (z.B. hydrologische und glaziologische Modelle). Daher wird das Potenzial der HAR als "Ersatz" für Beobachtungen am Beispiel der komplexen räumlichen Begebenheiten am Zhadang-Gletscher gezeigt.
Es ist von besonderem Interesse die starke räumliche Variabilität des Niederschlags und seiner Charakteristika im Hinblick auf sowohl (i) großskalige Antriebsfaktoren des Klimasystems wie die Westwinde und den Asiatischen Monsun, als auch (ii) lokale Einflüsse wie Seen und Topographie zu analysieren. In diesem Zusammenhang präsentiert die Arbeit interdisziplinäre Projekte, die neue Herangehensweisen entwickeln und die HAR mit Feldmessungen, Fernerkundungsmethoden und glaziologischer Modellierung kombinieren. Aus Satellitenbildern gewonnene Flächenänderungen zeigen, dass der Zhadang Gletscher mindestens seit 1976 zurückgeht. Eine physikalisch basierte Modellkette ermöglicht es, die Massenbilanz am Zhadang mit der Dynamik des Asiatischen Monsuns in Verbindung zu bringen. Sie zeigt, dass der Zeitpunkt des Monsunbeginns einen deutlichen Fußabdruck auf dem Gletscher durch den Albedoeffekt hinterlässt. Je später im Jahr sich die Monsunzirkulation einstellt, desto höher ist der resultierende Massenverlust auf dem Gletscher. Unter Verwendung der HAR und idealisierter Modellexperimente wurde der nahegelegene Nam Co See als ein weiterer wichtiger Faktor identifiziert, der den lokalen Niederschlag durch Abschwächung der Konvektion im Sommer und Verstärkung des Schneefalls im Herbst beeinflusst. Die meisten Seen auf dem TP frieren im Winter zu. Der Zeitpunkt des Zufrierens und weitere Eisphänologiemaße enthalten nützliche Informationen zur Klimavariabilität. In diesem Sinn bringt eine weitere Studie die HAR Temperaturdaten mit satellitengestützten Eisphänologiemaßen in Zusammenhang.
Die vorliegende Arbeit bietet ein solides wissenschaftliches Gerüst für ähnliche Projekte, die sich mit regionaler Reanalyse befassen. Der HAR Datensatz ist für die wissenschaftliche Community frei verfügbar und schafft eine neue Grundlage zum besseren Verständnis von atmosphärischen, kryosphärischen und hydrologischen Prozessen auf dem TP.
The Tibetan Plateau and adjacent mountain ranges (TP) is one of the most prominent geological features on Earth. It plays a significant role in influencing global atmospheric circulation, is the source of several major Asian rivers, and stores large amounts of ice, snow and permafrost. The climate on the TP is described as being under the influence of both the mid-latitude westerlies and the Asian Monsoon, but their contributions to regional climate variability and change, as well as their interactions, are not yet understood in detail. Observed glacier retreat and lake level fluctuations are indicators of climate change, but the strong spatial variability of these indicators make interpretations difficult in terms of climatic drivers.
Despite its crucial importance, knowledge about the TP's climate and hydrology is still limited. For historical, political and logistical reasons, in situ observations are scarce and biased towards lower elevations. To address this issue, I present a new high-resolution atmospheric dataset: the High Asia Reanalysis (HAR), generated by dynamical downscaling of global analysis data using the Weather Research and Forecasting (WRF) model for the period of 2001-2011. The new dataset provides three-dimensional meteorological variables at high spatial (up to 10 km) and temporal (hourly) resolution.
In order to find a suitable design for HAR, several model designs and configurations were tested and compared to observations during a strong precipitation event on the TP. New methods of evaluation were developed to address issues related to the unknown accuracy and the low spatial representativeness of available observations. Additionally, an automatic weather station was installed at 5600 m a.s.l. on Zhadang Glacier, south-central TP, which provides exceptional observations of a high-altitude environment.
Results show that HAR reproduces previously reported spatial patterns and seasonality of precipitation. The high resolution of HAR adds value to existing datasets regarding snowfall retrieval, precipitation frequency and orographic precipitation. Precipitation seasonality patterns on the TP are complex and characterised by a winter regime in the west, a spring regime in northern and southern TP, and a summer regime elsewhere. Implications for the interpretation of glacier changes are illustrated with a new classification of glacier accumulation regimes. Additionally, regions with higher inter-annual variability and/or that are prone to severe precipitation events are identified. Since an additional goal of HAR is to provide forcing data for impact models (e.g. hydrological or glaciological models), the potential of HAR as a "replacement" for observations is demonstrated, focusing on the Zhadang Glacier.
The strong spatial variability of precipitation features is of particular interest, in light of (i) large-scale drivers of the climate system like the westerlies and the Asian Monsoon, as well as (ii) local influences, such as lakes and topography. In this respect, multidisciplinary projects are presented, which develop new approaches combining HAR with field measurements, remote sensing techniques and glaciological modelling. Area changes acquired from satellite imagery show that the Zhadang Glacier is retreating since at least 1976. A physically based modelling chain permits the mass balance at Zhadang to be linked to Asian Monsoon dynamics, and reveals that the timing of monsoon onset leaves a clear footprint on the glacier through the albedo effect. The later the monsoon is established in a particular year, the higher the resulting mass loss on the glacier. Using HAR and idealised model experiments, the nearby Nam Co lake is identified as another important factor affecting local precipitation, by weakening convection in summer and enhancing snowfall in autumn. Most lakes on the TP freeze in winter. The timing of freezing and other ice phenology metrics hold useful information about climate variability, as shown in a further study linking HAR temperature data with ice phenology metrics obtained from satellite observations.
This thesis provides a robust scientific framework for related regional reanalysis projects at TU Berlin or elsewhere. The HAR dataset, which is freely available to the scientific community, provides a valuable basis for improving our understanding of atmospheric, cryospheric and hydrospheric processes on the TP.
