Rainfall Variability and Trends over the Greater Horn of Africa
Creators: name: Seregina, Larisa
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: rainfall variability
tropical rainfall
Greater Horn of Africa
rainy seasons
Walker Circulation

description: Am erweiterten Horn von Afrika (engl. “Greater Horn of Africa”, GHA) gibt es eine hohe Jahr-zu-Jahr Variabilität der saisonalen Niederschläge, die sich häufig in Dürre- und Überschwemmungsereignissen äußert. Darüber hinaus können zukünftige Veränderungen der Niederschläge über dem GHA das Potenzial haben, negative sozioökonomische Entwicklungen zu begünstigen. Daher ist ein Verständnis der atmosphärischen und ozeanischen Wechselwirkungen, wie z.B. der gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modi im Indischen und Pazifischen Ozean, und ihres Einflußes auf die Muster der saisonalen Niederschlagsvariabilität wesentlich für die Abschätzung zukünftiger Veränderungen und die Festlegung geeigneter Anpassungsstrategien. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Beschreibung und zum Verständnis der saisonalen und interannuellen Variabilität des Niederschlags über dem GHA zu leisten. Das GHA befindet sich in den äquatorialen Breitengraden, ist jedoch vom Rest des afrikanischen Kontinents durch zwei Bergmassive abgetrennt, welche das Wetter und Klima der Region erheblich beeinflussen. Die komplexe Topographie und einige der größten Seen der Welt tragen zu einer Vielzahl von lokalen Niederschlagsklimaten bei. Da die Berge den Einfluss westlicher Winde aus dem feuchten Kongobecken reduzieren, sind vor allem die östlichen Tiefländer meist trocken mit zwei unterschiedlichen Regenzeiten im borealen Frühjahr und Herbst. Im Nordwesten und Süden des GHA verschmelzen die beiden Regenzeiten zu einer, die ungefähr von Juni bis September bzw. Oktober bis April dauert. In den letzten Jahrzehnten wiesen die verschiedenen Regenzeiten unterschiedliche Trends auf. Vor allem die Niederschläge in der borealen Frühjahrssaison, die historisch gesehen die wichtigste landwirtschaftliche Saison ist, sind seit Ende der 1990er Jahre abrupt zurückgegangen. Theorien, die versuchen, diesen Rückgang zu erklären, reichen von Wechselwirkungen mit regionalen Zirkulationsmustern, wie der verstärkten Erwärmung des nahe gelegenen Indischen Ozeans und der Wüsten, bis hin zu globalen Verschiebungen der tropischen Zirkulation, die in der dekadischen Variabilität des Pazifischen Ozeans eingebettet sind. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, die verschiedenen Faktoren der Klimavariabilität des Niederschlags in den verschiedenen Regenzeiten zu entwirren und herauszufinden, wie sie die Wanderung des tropischen Regenbands (engl. “Tropical Rain Band”, TRB) verändern. Der Ansatz konzentriert sich auf die Frage, ob die beobachteten negativen Niederschlagstrends durch eine allgemeine Verringerung der Feuchtigkeit oder durch Veränderungen in der Wanderung des TRB verursacht wurden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine neuartige und flexible Definition der Regenzeiten vorgestellt, um die Niederschlagssaisonalität, den Beginn, das Ende und die Dauer der Regenzeiten, sowie die dazugehörigen Unsicherheiten aus den Niederschlagszeitreihen zu ermitteln. Dieser Ansatz ermöglicht es, zusammenhängende Teile der Region mit einer vergleichbaren Saisonalität abzugrenzen und Trends der jeweiligen Regenzeiten zu quantifizieren. Die Definition wird auf das satellitengestützte Produkt “Climate Hazards InfraRed Precipitation with Stations” (CHIRPS) und auf einen umfangreichen Satz bodengestützter Messungen aus der “Karlsruhe African Surface Station Database” (KASS-D) angewandt. Die Ergebnisse zeigen eine starke Übereinstimmung mit der bekannten saisonalen Dynamik in der Region und den üblicherweise verwendeten kalendarischen Dreimonatsperioden. Im Vergleich zu den letztgenannten Einteilungen ergibt sich ein Mehrwert durch den neuartigen Ansatz, da er auch lokale Niederschlagsmerkmale erfasst und Auswertungen über die Grenzen der Niederschlagssaisonalität hinweg erleichtert. Die Trendanalyse zeigt einen Feuchtetrend im Zentralsudan und in West- und Nordost-Äthiopien für die boreale Sommersaison sowie in Ost- und Südost-Äthiopien, Somalia und Nordkenia für die boreale Herbstsaison. Ein Trocken- trend ist in Tansania und der Demokratischen Republik Kongo festzustellen. Beide Arten von Trends sind regional mit Veränderungen der Endzeitpunkte der Regenzeit verbunden. CHIRPS- und Stationstrends stimmen in den meisten Fällen innerhalb des GHA überein, unterscheiden sich jedoch in Küsten- und topographisch komplexen Regionen, sowie Regionen mit einer instabilen Niederschlagssaisonalität. Im zweiten Teil werden die interannuellen Variationen des saisonalen Zyklus des TRB unter Verwendung zweier statistischer Indizes analysiert. Der “Seasonal Location Index” (SLI) ist ein kontinuierlicher Index, der mit Hilfe einer Hauptkomponentenanalyse die saisonale Wanderung des TRB in Verbindung mit täglichen Niederschlagsmustern darstellt. Der “Rainfall Cluster Index” (RCI) ist ein diskreter Index, der den saisonalen Zyklus als eine Abfolge von sechs charakteristischen Niederschlagsmustern beschreibt, die durch eine Clusteranalyse definiert werden. In Kombination erfassen beide Indizes den vollständigen saisonalen Zyklus des TRB, was die Interpretation der zwischenjährlichen Schwankungen und Trends unterstützt. Zwei Regenzeiten, die “Msimu”-Regenzeit im Dezember–März und die “Long Rains” im März–Mai, werden im Detail analysiert, um charakteristische Zirkulationsmuster und potenzielle Korrelationen zu großräumigen Antriebsmechanismen zu identifizieren. Die Msimu-Regenzeit wird von zwei Mustern mit entgegengesetzten Niederschlagscharakteristiken zwischen dem Kongobecken und Tansania dominiert. Die damit verbundenen Zirkulationsanomalien im Feuchtefluss und in der Divergenz deuten auf Variationen in der Lage des TRB hin, die aus einem Wechselspiel zwischen unteren Luftströmungen aus dem Atlantischen und Indischen Ozean sowie tropischen und subtropischen Wechselwirkungen entstehen. Die Analyse für den April, dem Monat mit den stärksten Niederschlägen der Long Rains, zeigt eine komplexe Zusammensetzung von fünf Niederschlagsmustern, die eng mit der intraseasonalen und interannuellen Variabilität der Positionen des TRB, insbesondere entlang der Breitengrade, verbunden ist. Eine dauerhafte Lage des TRB in Äquatornähe, die sich in einer hohen Anzahl von Tagen in der Nähe des mehrjährigen mittleren SLI-Wertes äußert, ist mit feuchten Bedingungen über dem äquatorialen Ostafrika verbunden. Diese Bedingungen gehen mit dem häufigen Auftreten eines bestimmten Musters einher, welches mit einer erhöhten Meeresoberflächentemperatur in der Arabischen See und einer verminderten Walker-Zirkulation zusammenhängt. Trockene Long Rains sind mit starken und häufigen Schwankungen der TRB-Position entlang der Breitengrade assoziiert, die teilweise auf tropisch-extratropische Wechselwirkungen in beiden Hemisphären zurückzuführen sind. Die relativen Verhältnisse der vorkommenden Muster deuten auf ein spätes Einsetzen und unterbrochene Regenperioden hin. Die Ergebnisse und Verbindungen zu den verschiedenen Antriebsmechanismen bieten neue Möglichkeiten, die Variabilität und Trends der letzten Dekaden in der GHA-Region zu verstehen.