Daily temperature and precipitation variability in Scandinavia in a large ensemble simulation

Abstract

According to the last assessment report from the Intergovernmental Panel on Climate Change, due to human-induced climate changes, alterations in future temperature and precipitation are expected, and we will have a higher likelihood of more extreme weather. As internal processes often dominate over global processes, the daily and seasonal weather on a local scale will not necessarily reflect the observed globally averaged changes. For example, regions in high latitudes such as the Arctic and Scandinavia are very vulnerable and experiences more rapid rises in surface air temperature due to processes such as Arctic amplification. Further, adding together anthropogenic changes with the underlying natural variability can amplify or reduce the total climatic impact. Understanding each component as well as how they influence weather and climate, is therefore of utmost importance. By utilising the CESM1 Large Ensemble (30 ensemble members) and probability density functions, this thesis has analysed the Scandinavian day-to-day variability of temperature and precipitation, how it correlates to Arctic sea ice extent and how the variability changes with increasing global temperature. The model simulations were run with historical observations and the RCP 8.5 radiative forcing scenario, which corresponds to a high greenhouse gas emission pathway, for the period 1920 to 2100. We have separated Scandinavia into three regions; North, Central and South. With increasing global warming, we found a shift towards higher and more extreme temperatures in all regions. Northern Scandinavia, in particular, is projected to experience a substantial reduction in cold extremes. We also found less future temperature variability in all regions except for southern Scandinavian summer, which is projected to have an increase. Overall, we found a net precipitation rise and an escalation in the likelihood of extreme precipitation in Scandinavia, except for southern Scandinavia during the boreal summer, which have no change in future projection. We found no particular correlation between sea ice variability in the day-to-day weather variability in Scandinavia. However, the Scandinavian winter (January, February and March) temperatures correlate with and influence the following March sea ice extent. Low temperatures give increased sea ice extent, and higher temperatures give reduced sea ice extent. Further, we validated the model result by using the ERA5 reanalysis and found an acceptable agreement for the central and southern region, but not as good for the northern region.

Ifølge den siste rapporten av IPCC, forventes det fremtidige endringer i både temperatur og nedbør på grunn av menneskeskapte, eller antropogene, klimaendringer. Det er også en høyere sannsynlighet for mer ekstremvær i form av tørke og mer intens nedbør. På grunn av mekanismer slik som Arktis amplifikasjon er regioner på høyere breddegrader, som Arktis og Skandinavia, spesielt sårbare. Her prosjekteres en økning av lufttemperaturer som er mye raskere enn resten av kloden. Hvis de antropogene endringene legges sammen med underliggende naturlig variabilitet kan sluttresultatet forsterkes eller reduseres kraftig. Forståelsen av hver enkelt komponent, hvordan de isolert påvirker vær og klima, i tillegg til den totale effekten er derfor kritisk. På grunn av individuelle interne prosesser, så vil det lokale daglige og sesongbaserte været ikke nødvendigvis gjenspeile de globale gjennomsnittlige verdiene. Disse lokale variasjonene kan dominere over store globale variasjoner og dermed skape kraftige anomalier som kan ha stor risiko. Ved å benytte CESM1 Large Ensemble (30 medlemmer) og sannsynlighetstetthetsfunksjoner har denne studien analysert skandinavisk dag-til-dag variabilitet i temperatur og nedbør, hvordan den korrelerer med arktisk havis og hvordan variasjonen endres med økende globale temperaturer. Modellen ble kjørt for scenarier med historiske observasjoner og det såkalte scenariet RCP 8.5 for perioden 1920 til 2100. Vi har delt Skandinavia inn i tre regioner; nord, sentralt og sør. Ved økende global oppvarming fant vi et skifte mot høyere og mer ekstreme temperaturer i alle regioner. Spesielt Nord-Skandinavia anslås å oppleve en stor reduksjon i de kalde ytterpunktene. Vi fant mindre fremtidig temperaturvariabilitet i alle regioner med unntak av den sørskandinaviske sommeren som anslås å øke i variabilitet. Totalt sett ser vi en netto nedbørstigning og en større sannsynlighet for ekstrem nedbør i Skandinavia. Sør-Skandinavia er det eneste unntaket, med ingen endring i fremtidig nedbør i løpet av den boreale sommeren. Vi fant ingen spesiell korrelasjon mellom variasjonen av havis på dag-til-dag variabiliteten i Skandinavia. En tydeligere korrelasjon kan ses mellom temperaturer i løpet av den skandinaviske vinteren (januar, februar og mars) og den følgende isutbredelsen i mars. Lave temperaturer gir økt havis og høyere temperaturer gir redusert havis. Videre har vi validert modellresultatet mot ERA5-reanalysen og funnet akseptabel overensstemmelse for den sentrale og sørlige regionen, men ikke like god for den nordlige regionen.