Zirkulationsdynamische Telekonnektivität des Sommerniederschlags im südhemisphärischen Afrika

• Main Author: Philipp, Andreas
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2003
• Subjects: Südafrika; Niederschlag; Telekonnektion; Allgemeine atmosphärische Zirkulation; ddc:550
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/686; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8106; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8106; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/686/Philipp_A._-_Dissertation.pdf

Die Arbeit befasst sich mit den durch Telekonnektionen etablierten Zusammenhängen zwischen der globalen troposphärischen Zirkulation der Atmosphäre und der sommerlichen Niederschlagsvariabilität im südhemisphärischen Afrika auf interannueller Zeitskala. Ziel der Arbeit ist die Erfassung maßgeblicher Telekonnektionen sowie deren Überprüfung hinsichtlich kausal nachvollziehbarer zirkulationsdynamischer Erklärungsmodelle, die - über formalstatistische Signifikanzkriterien hinausgehend - eine Beurteilung der Fernkopplungen in Hinblick auf ihre Bedeutung für den Niederschlag im südhemisphärischen Afrika gestattet. Die hierzu durchgeführten Arbeitsschritte umfassen im Wesentlichen: i.) hauptkomponentenbasierte Regionalisierung des Niederschlags im südhemisphärischen Afrika, ii.) Entwurf einer sog. multisaisonalen Analysemethode zur Ermittlung der intrasaisonalen Persistenz der Kopplungen, iii.) intensive Nutzung und Weiterentwicklung bivariater Techniken der Telekonnektionsanalyse, iv.) Anwendung und Ergebnisvergleich verschiedener multivariater Methoden (SFPCA, CCA, SVD), v.) Neuentwicklung einer dreistufigen Methodenkombination zur Extraktion sog. Hauptkopplungsmodi, vi.) zirkulationsdynamische Analyse der Hauptkopplungsmodi hinsichtlich plausibler Kopplungsmechanismen. Für acht Hauptkopplungsmodi konnten Erklärungsmodelle für den Transport von Anomaliesignalen zwischen den jeweils involvierten Telekonnektionszentren des globalen Druckfeldes und den korrelierten Niederschlagsschwankungen in den Regionen des südlichen Afrikas aufgezeigt werden, die sich sowohl hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Zentren als auch prozessual in vier Hauptgruppen zusammenfassen lassen: 1.) ENSO-Telekonnektionen: Das pazifische ENSO-System stellt sich als dominierender Modus hinsichtlich der Telekonnektionen des südhemisphärischen Niederschlags in Afrika dar. Während eine positive Abhängigkeit des frühsommerlichen Niederschlags in Ostafrika durch Variationen der tropischen Walkerzirkulation des Indischen Ozeans etabliert wird, werden die insgesamt stärksten Kopplungen im südwestlichen Kontinetalbereich im Spätsommer festgestellt. Als Kopplungsmechanismus wird hier eine höhenkonvergente Strömungskonfiguration über dem Südostatlantik und Südafrika erkannt, die über Anomalieimpulse der Walkerzirkulation des Atlantiks mit den pazifischen ENSO-Anomalien verknüpft ist. 2.) Wellendynamik der südhemisphärischen Westwinddrift: Zwei Hauptkopplungsmodi beschreiben die Einbindung der Höhentrogaktivität über dem südlichen Afrika in Telekonnektionsmuster der Südhemisphäre. Beide beeinflussen die Niederschlagsvariabilität im Süden Afrikas durch die Modifikation von Höhentroglagen über der Südostküste Südafrikas, die in ihrem westlichen Rückseitenbereich konvektionshemmend wirken und einen Impuls zu anomal trockenen Verhältnissen in den betroffenen Niederschlagsregionen ausüben. 3.) Auftrittshäufigkeit und Intensität tropischer Zyklonen im südwestlichen Indischen Ozean: Die auf saisonaler Zeitskala mit tropischen Zyklonen assoziierten großskaligen Zirkulationsanomalien überwiegen bzw. kompensieren Effekte der Niederschlagserhöhung durch Starkregenereignisse im südöstlichen Afrika. Sowohl eine Verlagerung des Hauptkonvektionsgebietes als auch die Auswirkungen auf die Luftmassenadvektion über dem Subkontinent verursachen tendenziell trockenere Verhältnisse in Regionen des südöstlichen und zentralen südhemisphärischen Afrikas bei verstärkter Zyklonalaktivität im Spätsommer. 4.) Telekonnektionen mit der Zirkulation der subtropischen und mittleren Breiten der Nordhemisphäre: Vier Hauptkopplungsmodi repräsentieren Zusammenhänge v.a. der frühsommerlichen Niederschlagsvariabilität in Ostafrika. Die Schlüsselrolle bei der prozessualen Verzahnung der außertropischen Zirkulation mit innertropischen Konvektionsanomalien nimmt die Höhenströmung im Bereich des Subtropenjetstreams über Südwestasien ein, welche mit der Variabilität der Meridionalströmung im hochtroposphärischen Strömungsast der Hadleyzelle über Nordostafrika verknüft ist. Diese wiederum ist mittels Horizontaldivergenzanomalien an die Konvektionstätigkeit über dem äquatornahen Ostafrika gekoppelt. ; Neben Telekonnektionen des südafrikanischen Niederschlags bezüglich der atmosphärischen Zirkulation wurden Zusammenhänge mit der Variabilität der Meeresoberflächentemperaturen untersucht. Bis auf das ENSO-System und den sog. Dipolmodus im Indischen Ozean, konnten keine weiteren bedeutenden, auf der interannuellen Zeitskala wirksamen ozeanischen Einflüsse auf die Atmosphäre festgestellt werden, die zur weiteren Erklärung von Niederschlagstelekonnektionen beitragen. Die Ergebnisse der Arbeit lassen den Einsatz der Methoden bei der Analyse zeitversetzter Telekonnektionen im Rahmen prognostischer Modellierung der telekonnektiv beeinflussten Niederschlagsvariabilität im südhemisphärischen Afrika als aussichtsreich erscheinen. === The study deals with relationships between the global tropospheric circulation and the summer rainfall in southern hemispheric Africa caused by teleconnections on interannual timescales. Objectives are the identification of important teleconnections as well as their examination concerning physically plausible explanations in order to confirm their relevance for rainfall variability in southern hemispheric Africa beyond pure formal statistics. The implemented procedures include essentially: i.) regionalisation of southern African rainfall based on principal component analysis, ii.) design of a so-called multi-seasonal analysis scheme in order to examine the intraseasonal persistence of teleconnections, iii.) extensive use and further development of bivariate methods for teleconnection analysis, iv.) application and comparison of various multivariate methods (SFPCA, CCA, SVD), v.) development of a novel three-stage combination of methods for extracting so-called comprehensive teleconnection modes, vi.) analysis of circulation dynamics of these modes in order to reveal decisive mechanisms responsible for these teleconnections. Eight comprehensive teleconnection modes allow to explain the transport of anomaly signals between remote teleconnection centers in the global pressure field and the related rainfall time series in southern Africa. Concerning dynamic processes as well as geographical locations of the involved remote centers they may be condensed to four principal types: 1.) ENSO teleconnections: the Pacific ENSO system is the leading mode of southern African rainfall teleconnections. While there is a positive correlation of early summer rainfall in eastern Africa caused by variations of the tropical Walker circulation over the Indian Ocean, the overall strongest (negative) linkage is found in the southeast of the subcontinent during the late summer season. The mechanism for this teleconnection is made up by high level convergence above the southeast Atlantic and South Africa being linked to the Pacific ENSO system by anomaly signals in the Atlantic Walker circulation cell. 2.) Wave dynamics of the southern hemisphere westerlies: two modes describe the integration of upper trough activity over southern Africa into teleconnection patterns of the southern hemisphere. Both of them show impacts on rainfall variability by means of modifications in the upper trough configuration, supressing convection on the western rear. 3.) Frequency and intensity of tropical cyclones and depressions in the southwestern Indian Ocean: the large-scale circulation anomalies associated with tropical cyclones on the seasonal time scale outbalance the short-term effects of intense rainfall in southeastern Africa. The dislocation of major convection centers, but also modified air mass advection due to enhanced cyclone activity induce tendentiously drier conditions in southeastern and central parts of southern hemispheric Africa. 4.) Teleconnections to the circulation of northern hemispheric mid- and high latitudes: four modes represent teleconnections of early summer rainfall variability in eastern Africa. The key role of the dynamic interlocking between extratropical circulation and tropical convection anomalies consists in high tropospheric flow anomalies in the vicinity of the subtropical jetstream above southwest Asia which is connected to the upper level branch of the Hadley cell in northeast Africa. This cell in turn is linked to convective activity over eastern Africa by upper level divergence anomalies. ; Furthermore, relations of southern African rainfall to the variability of sea surface temperatures have been examined. Apart from the dominant ENSO system and the so-called Indian Ocean Dipole mode, no further oceanic influences onto the atmosphere could be identified that contribute to the understanding of rainfall teleconnections on the interannual time scale. The results of this study are promising concerning applications of the methods with respect to time-lag teleconnections within the scope of seasonal forecast modelling of rainfall variability in southern hemispheric Africa.