Improved downscaling of meteorological data for hydrological modelling in the tropics under climate change

Nguyen, Tien Thanh

Zeitgleich zur Entwicklung der Computerwissenschaften verbesserten sich das Verständnis des Verhaltens des Klimasystems und die Genauigkeit und Auflösung der Klimamodelle deutlich. Deshalb ist es notwendig, eine Studie für ein kleines Einzugsgebiet wie das Thi Vai Einzugsgebiet (ca. 500 km2) im südlichen Vietnam durchzuführen, um weitergehende Informationen zu lokalen Klimaveränderungen zu liefern und deren Auswirkungen auf hydrologische Charakteristiken für heutige und zukünftige Zeiträume zu quantifizieren. In dieser Studie wird das statistische Downscaling verbessert und direkt mit dem Output eines regionalen Klimamodells gekoppelt, welches mit einem dynamischen Downscaling produziert wurde. Hier für wird das regionale dynamische Klimamodell zunächst mit 3 Nesting-Schritten angewandt, um die Information von globalen Klimamodellen in lokale Klimainformationen zu übertragen. Die Ergebnisse aus dem letzlen Nesting-Schritt, bei dem ein Gittesnetz von 10 x 10 km angesetzt wurde, werden statistisch wie folgt verbessert: Die MOS (Model Output Statistics)-Technik wurde angewendet, um die tägliche Temperatur zu korrigieren. Die tägliche Niederschlagsmenge wurde durch die TSM (Two-Step Model)-Technik korrigiert. Um die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf hydrologische Charakteristika zu quantifizieren, wird das Wasserhaushaltsmodell PANTA RGHEI mit dem Output des dynamisch-statistischen Downscaling angetrieben. Zusätzlich wird eine strategie für zukünftige Analysen der Rückkopplungseffekte eines veränderten Wasserhaushalts auf den Output von Downscaling-Modellen erarbeitet. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass: (i) das dynamische Klimamodell sowohl die Niederschlagsmenge als auch die Anzahl an Regentagen überschätzt, obwohl Niederschlag und Temperatur in der höchstmöglichen horizontalen Auflösung eines hydrostatischen Modells gut simuliert werden, (ii) die Komination von statistischem und dynamischem Downscaling ein effektiver Ansatz für die Analyse von Tagesmittelwerten für Niederschlags- und Temperaturzeitreihen ist, (iii) ein deutliches Klimawandelsignal für Niederschlag und Temperatur identifiziert wurde, (iv) die Simulationen des PANTA RHEI-Modells die Beobachtungsdaten gut widerspiegeln, obwohl PANTA RHEI zuvor nicht für Vietnam angewandt wurde, (v) die Veränderungen der meteorologischen Komponenten deutlich zu den potentiellen Veränderungen des Abflusses in Thi Vai Einzugsgebiet beitragen, auch wenn diese Veränderungen nur geringfügig sind

Parallel to the development of computing science, the understanding of the climate system behaviours and the climate model accuracy and resolution have been considerable improved. It, however, has still not been sufficient for the request of hydrologic modeling at a local scale, especially when focusing on the impacts of climate change. Therefore, it is necessary to carry out a study for a small basin like the Thi Vai basin (approximately 500 km2) in southern Vietnam to provide further information on local changes in climate and to quantify its impacts on hydrological characteristics for present and future periods. Within this study, the technology of statistical downscaling is improved and directly coupled with the outputs of a regional climate model, which contains dynamical downscaling techniques. The regional climate model is implemented with the three self-nesting steps to transfer the information of global climate models into local climate information. The techniques of Model Output Statistics and Two-Step Model are applied and developed to correct the daily temperature and precipitation at the finest resolution of 10 x 10 km, respectively. To quantify the possible impacts of climate change on hydrological characteristics, the water balance model PANTA RHEI is driven by the model output of the dynamic-statistical downscaling. A strategy for future analyses of the reverse effects of changes in the water balance on the outputs of downscaling models is also provided. The main results indicate that: (i) the dynamical climate model overestimates both total precipitation and wet day frequency, although both precipitation and temperature is simulated quite well on the highest horizontal grid resolution that can be reached using a hydrostatic climate model, (ii) the combination of statistical and dynamical downscaling is an effective approach for daily precipitation and temperature series analysis, (iii) a clear climate change signal for temperature and precipitation is found for the Thi Vai basin, (iv) the simulations of the PANTA RHEI model fit well to the observational data, although PANTA RHEI has never been applied in Vietnam before and (v) the changes in meteorological components significantly contribute to potential changes in stream flow in the Thi Vai basin, even if these changes are negligible

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Nguyen, Tien: Improved downscaling of meteorological data for hydrological modelling in the tropics under climate change. 2016.

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