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Thesis

Internal variability in summertime heat extremes under global warming

MPS-Authors
/persons/resource/persons213040

Suarez-Gutierrez,  Laura
IMPRS on Earth System Modelling, MPI for Meteorology, Max Planck Society;
Director’s Research Group OES, The Ocean in the Earth System, MPI for Meteorology, Max Planck Society;

External Ressource
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Fulltext (public)

WEB_BzE_221_Suárez_Gutiérrez.pdf
(Publisher version), 46MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Suarez-Gutierrez, L. (2019). Internal variability in summertime heat extremes under global warming. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg. doi:10.17617/2.3167683.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0004-C989-F
Abstract
In this dissertation, I study how internal climate variability shapes the changing characteristics of summertime heat extremes both in Europe and globally as the world warms. A substantial sampling of internal variability is crucial to capture the most ex- treme events and determine how their magnitude and frequency change in a warming world, and is hence a vital requirement for this evaluation. To achieve this, I use the largest existing ensemble of a comprehensive climate model: The Max Planck Institute Grand Ensemble (MPI-GE). Due to the large ensemble size, MPI-GE is the best tool available to precisely sample the simulated internal variability in a changing climate. First, I quantify the contribution of different driving mechanisms to extreme sum- mertime heat over Europe, and how changes in these contributions cause an increase of variability of summertime heat in a warmer world. With a multiple regression approach, that simultaneously considers all relevant sources of variability, I identify the large-scale atmospheric dynamics as the main driver of heat extremes over Europe; while the local thermodynamic effect of soil moisture limitation plays a secondary role. Most heat extremes occur under extreme atmospheric conditions, both in current and future climates. However, in the regions where variability increases, heat extremes occur 10-40% less frequently under extreme atmospheric conditions in 21st century, and 40% more frequently under extreme moisture limitation. An increasing number of extremes are driven by moisture limitation under warming, and occur even under a neutral or unfavorable atmospheric state, confirming that the increase in European heat extremes and associated variability increase are dominated by the the thermody- namic effect of moisture limitation. Second, I evaluate to what extent the increase in extreme European summer heat can be controlled by maintaining global warming below the limits in the UNFCCC Paris Agreement. Due to internal climate variability, only 40% of the summer months over Europe in a 2◦C warmer world would exhibit mean temperatures distinguish- able from those in a 1.5◦C world. This distinguishability is largest over Southern Europe, and decreases to around 10% of the summer months over Eastern Europe. Furthermore, the irreducible uncertainty arising from internal variability narrows the controllability of extreme maximum temperatures to the point that, by limiting global warming to 1.5◦C, only the 10% most extreme summer maximum temperatures in a 2◦C world could be averted. Lastly, I investigate where the major risk hotspots emerge under global warming for the main factors defining our vulnerability to extreme heat: maximum temper- atures, return periods of extreme temperatures, maximum temperature variability, sustained tropical night temperatures, and extreme wet bulb temperatures. My find- ings indicate that maintaining global warming below 2◦C is vital to minimize the risk of extreme heat and limit the exposure of non-adapted regions to harmful heat levels. However, each metric produces different major risk hotspots — from the highest maximum temperatures over the Arabic Peninsula, to the largest variability increase over India or Central Europe — highlighting the different potential risks and related adaptation measures that need to be considered over different regions. I
In dieser Dissertation untersuche ich, wie die interne Klimavariabilität Einfluss auf die sich ändernden Merkmale extremer Hitzeereignisse in Europa und global bei steigenden Treibhausgaskonzentrationen nimmt. Eine umfangreiche Stichprobe der internen Klimavariabilität ist eine unerlässliche Bedingung für die Beschreibung der Extremereignisse und deren sich veränderter Frequenz und Intensität in einer erwär- menden Welt. Um dies zu erreichen, verwende ich das größte existierende Ensemble eines globalen Klimamodells: Das Max-Planck-Institut Grand Ensemble (MPI-GE). Hinsichtlich der Ensemblegröße ist das MPI-GE derzeit das am besten geeignete Werk- zeug, um eine repräsentative Stichprobe der simulierten internen Klimavariabilität zu erhalten. Zuerst quantifiziere ich die Beiträge unterschiedlicher Antriebsmechanismen für extreme Hitzeereignisse über Europa und untersuche wie Änderungen der jewei- ligen Beiträge, bedingt durch eine Klimaerwärmung, sich auf die Variabilität der Hitzeereignisse auswirken. Mittels einer multiplen Regression, die gleichzeitig alle relevanten Quellen der Variabilität der Hitzeereignisse berücksichtigt, identifiziere ich die großskalige, atmosphärische Dynamik als den Hauptantrieb für Hitzeereignisse über Europa, während die lokalen thermodynamischen Effekte der Bodenfeuchte von zweiter Ordnung sind. Die meisten Hitzeereignisse werden begünstigt durch extreme atmosphärische Grundzustände, im gegenwärtigen wie auch im zukünftigen Klima. In Regionen, in denen die Variabilität von Hitzeereignissen bedingt durch die Klimaerwärmung ansteigt, reduziert sich allerdings der Beitrag des atmosphärischen Grundzustandes auf extreme Hitzeereignisse um 10-40%, während der Beitrag des lokalen thermodynamischen Effektes durch extreme Bodenfeuchte um 40% ansteigt. Diese, durch Bodenfeuchte verursachten Hitzeereignisse, entstehen sogar dann, wenn die atmosphärischen Grundzustände neutral oder ungeeignet für Extremereignisse sind. Dadurch wird deutlich, dass der Anstieg der extremen Hitzeereignisse über Eu- ropa im zukünftigen Klima durch lokale thermodynamische Effekte der Bodenfeuchte dominiert wird. In einem zweiten Schritt untersuche ich, inwieweit der Anstieg extremer Hit- zeereignisse über Europa durch die Einhaltung der Klimaziele des UNFCCC Paris Abkommens kontrollierbar ist. Die interne Klimavariabilität führt dazu, dass sich nur für 40% der Sommermonate über Europa die mittleren Temperaturen bei einer 2◦C globalen Erwärmung von jenen einer 1.5◦C globalen Erwärmung unterscheiden. Diese Unterscheidbarkeit ist am größten über Südeuropa und reduziert sich auf 10% der Sommermonate für Osteuropa. Zudem beschränkt die nichtreduzierbare Unsicherheit, die durch interne Klimavariabilität entsteht, die Kontrollierbarkeit von Temperatur- extremen nur soweit, dass die Reduktion der globalen Klimaerwärmung auf 1.5◦C lediglich 10% der extremen Sommermaximaltemperaturen einer 2◦C Erwärmung ver- hindern würde. In einem letzten Schritt analysiere ich, wo die größten Hotspots bezogen auf die globale Erwärmung und den Hauptfaktoren unserer Anfälligkeit gegenüber extremen Hitzeereignissen zu finden sind. Hierfür untersuche ich folgende Faktoren: Maximaltemperaturen, Wiederkehrperioden extremer Temperaturen, maximale Tem- peraturvariabilität, tropische Nachttemperaturen und extreme Feuchtlufttemperaturen. Meine Resultate zeigen, dass die Begrenzung der globalen Erwärmung auf unter 2◦C entscheidend für eine Minimierung der Risiken durch extreme Hitzeereignisse ist und die Gefahr von schädlichen Hitzeereignissen in nicht-angepassten Regionen ein- schränkt. Allerdings produziert jeder Faktor unterschiedliche regionale Hotspots — zum Beispiel die höchste Maximaltemperatur über der arabischen Halbinsel oder die größte Temperaturvariabilität über Indien und Zentraleuropa. Dies unterstreicht die unterschiedlichen potentiellen Risiken und Anpassungsstrategien, die für verschiede- ne Regionen berücksichtigt werden müssen.