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Understanding and quantifying the occurrence of very rare climate extremes in a changing climate

Applicant Fischer Erich
Number 178778
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.12.2018 - 30.11.2022
Approved amount 548'928.00
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Keywords (5)

climate change; heatwaves; climate extremes; heavy precipitation; internal variaibility

Lay Summary (German)

Lead
Wissenschaftliche Evidenz basierend auf Beobachtungen, Klimamodellen und physikalischem Prozessverständnis deutet immer klarer auf eine Zunahme von Hitzewellen und Starkniederschlägen im Laufe des Klimawandels hin. Das heutige wissenschaftliche Verständnis solcher Wetter- und Klimaextreme basiert aber nahezu ausschliesslich auf Betrachtungen von Ereignissen wie sie alle paar Jahre auftreten. Viel weniger bekannt ist hingegen, wie sich sehr seltene Klimaextreme verhalten, welche typischerweise vorherige Rekorde deutlich übertreffen und potentiell katastrophale Auswirkungen haben. Die Planung kritischer Infrastruktur wie Kernkraftwerke oder die Ausarbeitung eines Gesundheitssystems muss die Risiken solcher Ereignisse berücksichtigen, obwohl das wissenschaftliche Verständnis deren Auftretenswahrscheinlichkeit und Änderung im Laufe des Klimawandels gering ist.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist es das Auftreten von sehr seltenen, aber potentiell katastrophalen Klimaextremen, am Beispiel von grossflächigen Niederschlags- und Temperaturextremen, besser zu verstehen und zu quantifizieren. Solche Klimaextreme können entweder als einzelne Ausreisser, als zeitlich aufeinanderfolgende Ereigniscluster oder auch als Zusammentreffen verschiedener Einzelereignisse (compound events) auftreten. Neuartige Experimente mit numerischen Klimamodellen liefern tiefere Einblicke in das Verhalten solcher seltenen Klimaextreme und erlauben erstmals den Einfluss von Klimavariabilität und Klimawandel auf deren Auftretenswahrscheinlichkeit umfassend abzuschätzen und. Dieses Projekt hat zum Ziel einerseits das Prozessverständnis solcher Ereignisse zu verbessern und somit die extremsten plausiblen Ereignisse abzuschätzen, und andererseits mit statistischen Methoden der Extremwertanalyse deren Auftretenswahrscheinlichkeit zuverlässiger zu quantifizieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die Erkenntnisse dieses Forschungsprojektes stellen einen wichtigen ersten Schritt hin zu einer zuverlässigeren Risikoabschätzung solcher sehr seltenen und potentiell katastrophalen Klimaextreme dar. Unter Einbezug der Verwundbarkeit und Exposition ermöglichen die Erkenntnisse eine umfassendere Risikoabschätzung solcher seltenen Ereignisse, die aufgrund ihrer Komplexität und fehlender Datenverfügbarkeit bisher kaum untersucht wurden.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.11.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
144332 Towards impact-relevant climate projections based on the new CMIP5 global climate model simulations 01.03.2013 Project funding (Div. I-III)

Abstract

There is increasing evidence from observations, numerical climate models and theoretical understanding that characteristics of temperature and precipitation extremes are changing as a result of large scale anthropogenic warming. Most of the evidence presented in the recent literature and assessed in IPCC reports is based on definitions of moderate extremes occurring a few times a year or every few years. Historical evidence however suggests that the most catastrophic impacts are related to very rare climate extremes that broke local records by large margins and are sometimes referred to as “low-probability-high-impact” or “grey swan” events. The design of critical infrastructure such as nuclear power plants or nuclear waste repositories already requires taking into account such very rare climate extremes, but there is a serious lack of understanding of their occurrence, let alone their change in a warming climate. Here we propose to exploit the novel opportunities of very long climate model simulations and large initial condition ensembles to improve our understanding of the occurrence of very rare multi-day temperature and large-scale precipitation extremes in a warming climate. The overall objective of the proposed project is to combine numerical models with advanced statistical methods of extreme value statistics, theoretical understanding and observations in an integrated approach. The aim of the first subproject is to advance our understanding of the physical mechanisms driving very rare extremes and how they are affected by climate change. A novel approach is introduced and tested in order to efficiently generate very rare extremes in climate models and to identify potential physical constraints leading to upper bounds in extremes. Such limits, which have recently been suggested for tropical cyclones, may also exist for hot extremes. Very long climate model simulations with pre-industrial and 4xCO2 forcing and large ensembles will be used as a testbed for these questions but interpreted with caution taking into account well-known model deficiencies, e.g., in the representation of land surface feedbacks or atmospheric blocking. Findings are put into context with evidence from spatial modelling and pooling of extremes in observational series and from paleo records where applicable.In a second subproject, long climate model simulations will be used as a testbed to identify strengths and limitations of extreme value statistics in estimating return levels of very rare events based on short subperiods. Limitations of stationarity and added value of non-stationary extreme value statistics using process-based covariates will be analysed. Finally we will explore characteristics of temporal clustering and “disaster gaps”.Ultimately, the project represents a first step towards an integrated risk framework for addressing very rare extremes. Such an integrated framework needs to combine knowledge on vulnerability and exposure with different lines of evidence on the probability of very rare events, a topic that has received very little attention due to the lack of observations and model simulations covering millennia.
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