Project

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Daily Weather Reconstructions to Study Decadal Climate Swings

English title Daily Weather Reconstructions to Study Decadal Climate Swings
Applicant Brönnimann Stefan
Number 188701
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Geographisches Institut Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.04.2020 - 31.03.2024
Approved amount 789'289.00
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All Disciplines (5)

Discipline
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Archaeology
General history (without pre-and early history)
Visual arts and Art history
Economics

Keywords (1)

Historical data, meteorological measurements

Lay Summary (German)

Lead
Klimarekonstruktionen sind seit Jahrzehnten ein wichtiger Pfeiler der Klimaforschung Zum Verständnis der Prozesse braucht es aber eine höhere Zeitauflösung. Ziel des Projekts sind tägliche Wetterrekonstruktionen für Europa für die letzten 330 Jahre. Sie erlauben, das vergangene Klima dynamisch zu analysieren.
Lay summary

Neben menschgemachten Veränderungen schwankt das Klima auch auf Skalen von Jahren bis Jahrzehnten. Diese Schwankungen sind für die Gesellschaft relevant. Trockene Sommer oder kalte Winter können gehäuft auftreten. Es gibt aus der Vergangenheit Beispiele für besonders stürmische oder überschwemmungsreiche Perioden; solche wird es auch in Zukunft geben. Zur Untersuchung dieser Variabilität sind lange Reihen erforderlich. Um die atmosphärischen Vorgänge zu analysieren, die sich meist schnell abspielen, wären aber tägliche Wetterrekonstruktionen wünschenswert. Diese wären auch näher an den Auswirkungen.

In diesem Projekt werden wir zusätzliche tägliche Wetterdaten für Mitteleuropa digitalisieren und aufbereiten. Zusammen mit bereits existierenden Daten werden wir für die Zeit ab ca. 1683 tägliche Rekonstruktionen durchführen. Zunächst werden Wetterlagen klassifiziert, so das jeder Tag einer Wetterlage zugeordnet werden kann. Danach werden tägliche Felder der Temperatur, des Niederschlags und des Luftdrucks für Mittel- und Westeuropa zurück bis ins 18. oder 17. Jahrhundert mit Hilfe eines Analog-Ansatzes rekonstruiert. Daraus lassen sich relevante Indizes wie Wachstumsgradtage, Frosttage und Trockenperioden ableiten. Schliesslich wird auch ein regionales Modell eingesetzt, mit welchem zurück bis 1804 einzelne Wetterereignisse detailliert nachsimuliert werden können. Insbesondere soll das "Jahr ohne Sommer" von 1816 simuliert und dabei zusätzliche Beobachtungen in die Simulation assimiliert werden.

Anhand dieser Daten werden Perioden warmer und trockener Sommer wie in den 1730er Jahren, um 1800 oder in den 1940er Jahren und deren mögliche Verbindung zur (sub-)tropischen Zirkulation (Monsun, Tropengürtel) analysiert. Ein zweiter Schwerpunkt sind kalte Winter wie 1683/4, 1708/9 oder 1829/30, die im Hinblick auf eine Meridionalisierung der atmosphärischen Zirkulation untersucht werden. Weiter werden die Auswirkungen der Vulkanausbrüche von Serua (1693), Laki (1783/4) und Tambora (1815) analysiert. Mit diesem Projekt soll die Kluft zwischen Wetter und Klima auch für die Paläoklimatologie überbrückt werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 22.01.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162668 Reconstructing Climate Using Ensemble Kalman Fitting (REUSE) 01.06.2016 Project funding (Div. I-III)
169676 Swiss Early Instrumental Measurements for Studying Decadal Climate Variability (CHIMES) 01.11.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

On top of anthropogenic changes, the climate system exhibits mulitannual-to-multidecadal variability that is relevant for society, but not well understood. Decades of warm, dry European summers, cold winters or storm or flood rich periods have been observed in the past and will recur in the future. Long records are required to study this variability. To better understand the underlying processes, we will analyse such periods on a daily time scale by generating daily weather reconstructions and ana-lysing them together with monthly reconstructions and model simulations. Atmospheric processes operate on short time scales and it is often weather rather than climate that matters for society. Recon-structing weather rather than climate is thus closer to the mechanisms and closer to impacts. Several long European measurement series are available, but more information is required for daily weather reconstruction. The first part of the project will provide additional daily measurement series as well as weather diaries for central Europe. Our work will focus on the period 1683-1737; we will rely on available sources for later periods. The second part of the project will provide daily weather reconstructions back to 1683 in two ways. (1) We will provide daily weather types for Central Europe back to the 17th century based on measurements and observations from weather diaries using a machine-learning classification algorithm. (2) We will provide daily fields of temperature, precipi-tation, and sea-level pressure for central-western Europe back to the 18th or 17th century using an analog approach. Analogs will be sampled from daily 0.1° resolved fields (E-Obs) and augmented using a data assimilation (Ensemble Kalman Filter) algorithm. The fields will be used for the analyses. We will also generate impact-relevant indices such as growing degree days, frost days, and dry spells.The third part of the project provides subdaily high-resolution fields using data assimilation and dy-namical donwscaling. We will use Version 3 of the „Twentieth Century Reanalysis“ (20CR), which provides global weather data back to 1804. We will dynamically downscale 20CRv3 for periods in the early 19th century (including the warm summers of the 1800s and the “Year Without a Summer” of 1816) and will test 4D-Var assimilation within WRF to assimilate additional observations. The daily data from the three project parts, combined with monthly reconstructions and climate model simulations, will be used to study European climate variability of the past 400 years. We will focus on decadal periods of warm and dry summers, which will be analysed with respect to links to the (sub-)tropical circulation (monsoons, tropical belt) using other reconstructions and models. We will focus on the sequence of warm summers around 1730, 1780, and 1800 and will compare them with the 1940s summers. A second focus are cold winters, such as 1683/4, 1708/9 and 1829/30, which will be analysed with respect to a meridionalisation of atmospheric circulation and relations to sea-surface temperatures or snow cover in Eurasia. Detailed studies will also be performed on the impcats of the volcanic eruptions of Serua (1693), Laki (1783/4), Tambora (1815) and others. Our data will yield new insights into the workings of the climate systems and bridge the gap from weather to climate.
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