Rainfall types over southern West Africa: diagnosis, synoptic environments and representation in satellite retrievals
Creators: name: Maranan, Marlon
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: West African monsoon
tropical rainfall
mesoscale convective systems
satellite observation

description: Der südliche Teil Westafrikas (SWA) ist einer der am dichtesten besiedelten Regionen der Erde und hängt stark vom Niederschlag ab, der vom westafrikanischen Monsun (WAM) kontrolliert wird. Eine Reihe von groß angelegten Feldkampagnen, unter anderem begründet durch die große Dürre in der Sahelregion in den 70er und 80er Jahren, führte zu einer beträchtlichen Verbesserung im Verständnis des WAMs und seine Bedeutung für den Niederschlag im Sahel, während SWA weitestgehend vernachlässigt wurde. Die kürzlich in SWA durchgeführte DACCIWA-Kampagne (Dynamics-Aerosol-Chemistry-Cloud-Interactions in West Africa) im Jahr 2016 gab jedoch das Ziel aus, über die Untersuchung der Prozesskette beginnend bei bodennahen Emissionen und Aerosolen hin zu ihrem Einfluss auf Wolken, Niederschlag und der WAM-Dynamik die Kenntnis über den WAM zu erweitern. Die vorliegende Arbeit, die innerhalb des DACCIWA-Projektes im Subprojekt "Niederschlagsprozesse" eingebettet ist, behandelt hierbei die Identifikation von Niederschlagssystemen und die Untersuchung ihrer Bedeutung für den Gesamtniederschlag, der typischen Umgebungsbedingungen und ihrer Abbildung in moderner satellitengestützter Niederschlagsmessung über dem SWA. Die Untersuchung letzterer ist motiviert durch die Tatsache, dass Niederschlagsfernerkundung aufgrund des allmählichen Rückgangs von bodengestützten Messungen, u.a. durch Regensammler, immer mehr an Bedeutung gewinnt. Aus klimatologischer Sicht wird der Gesamtniederschlag über dem SWA größtenteils von intensiven und langlebigen, aber auch relativ selten vorkommender organisierter Konvektion beherrscht, auch mesoskalige konvektive Systeme (MCSs) genannt. Jedoch nimmt ihre Bedeutung in Richtung der unmittelbaren Küstenregion ab, in der schwächere und kurzlebigere Konvektion in ihrer Anzahl ansteigen. Alle Typen an Niederschlagssystemen treten typischerweise in Verbindung mit Störungen im Vorticity-Feld in der mittleren Troposphäre auf, von denen manche Wellenstrukturen ähnlich der von sogenannten African easterly waves (AEWs) aufweisen. Die Auswirkung dieser Störungen manifestiert sich insbesondere in der Modifikation der vertikalen Windscherung. Hierbei sind organisierte konvektive Systeme im Bereich einer vorauslaufenden antizyklonalen und einer nachfolgenden zyklonalen Anomalie vorzufinden, also in einer Region, in der die Windscherung durch eine stärkere Nordostströmung in der mittleren Troposphäre und der darunterliegenden südwestlichen Monsunströmung erhöht wird. Im Gegensatz dazu wird konvektive Organisation im Bereich schwächerer Windscherung zwischen einer vorauslaufenden zyklonalen und einer nachfolgenden antizyklonalen Anomalie unterdrückt. In einem weiteren Aspekt gehen allen Niederschlagstypen niedertroposphärische Feuchtekonvergenz voraus, weshalb diese Größe allgemein als Vorhersagegröße für Niederschlag verwendet werden kann. In einer tiefergehenden Untersuchung werden in dieser Arbeit die Umgebungsbedingungen evaluiert, die zu der Entstehung und der Erhaltung eines langlebigen MCSs führt. Dieses war im SWA vom 10. bis 13. Juni 2016 aktiv. Infolge von tageszeitlicher Aufheizung des Bodens bildete sich das MCS in der semi-ariden Savannenregion im Sudan und entwickelte sich im Verlauf in eine klassische, westafrikanische "Squall line" , während sie südwestlich Richtung Nigeria zog. Die Squall line intensivierte und verlangsamte sich nach Ankunft im feuchteren Regime SWAs und initiierte die Entwicklung eines mittel- bis niedertroposphärischen Vortex. All diese Faktoren führten zu einem der höchsten jemals gemessenen 24-stündigen Niederschlag im SWA mit 223.5 mm. Diesem Ereignis ging eine, durch ein lokales und kurzlebiges Hitzetief gesteuerte, starke niedertroposphärische Feuchtekonvergenz voraus, die eine mit extrem viel Feuchte angereicherte Umgebung verursachte und dadurch die Intensivierung des MCSs und die Formierung des Vortex begünstigte. Im Gegensatz zu der trockeneren Savannenzone, wo sich das MCS sehr wahrscheinlich über die selbst erzeugte bodennahe Dichteströmung aufrechterhielt, ist im SWA anzunehmen, dass der Vortex das MCS durch Feuchtekonvergenz und Hebung instabiler Luftmassen stützte. Die Vermutung liegt daher nahe, dass solche mesoskaligen Wirbel im Strömungsfeld generell eine wichtige Rolle für die MCS-Dynamik im SWA spielen können. Abschließend wird die Leistungsfähigkeit des häufig verwendeten, satellitengestützten Niederschlagsproduktes IMERG (Integrated Multi-Satellite Retrievals for Global Precipitation Measurement) hinsichtlich von Niederschlagstypen evaluiert und mit einer Zusammenstellung von DACCIWA-Regensammlern mit hoher zeitlicher Auflösung verglichen. Auf einer monatlichen Skala werden Niederschlagssummen von IMERG sehr gut wiedergegeben, jedoch nimmt die Güte hin zu kleineren Zeitskalen ab. Während die Mehrheit der Niederschlagsereignisse von IMERG erfasst wird, besteht Niederschlag in IMERG zum Teil aus Fehlerkompensationen zwischen unterschiedlichen Niederschlagstypen. Konkret werden schwache und kurzlebige Niederschlagsereignisse hauptsächlich überschätzt, wohingegen die Intensität starker Ereignisse wie der von MCSs größtenteils unterschätzt wird. Weiterhin wird eine relativ hohe Anzahl an "false alarms" festgestellt, die etwa ein Viertel des gesamten Niederschlags in IMERG ausmacht. Eine ergänzende Untersuchung satellitengestützter Daten von Charakteristika an der Wolkenoberkante offenbart ein hohe Anfälligkeit für false alarms in Anwesenheit von dünnen Eiswolken, während Niederschlag aus reinen Flüssigwolken, d.h. warmer Regen, häufig nicht erfasst wird. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu einem besseren Verständnis von Niederschlagstypen diverser Natur über dem SWA und von Umgebungsbedingungen, die zu ihrer Entwicklung führen. Dies wurde für SWA auf einer regionalen Skala bisher noch nicht durchgeführt und kann für die regionale Wettervorhersage im SWA auf synoptischen Zeitskalen von großer Bedeutung sein. Insbesondere hebt diese Arbeit die Bedeutung von niedertroposphärischen Wirbeln für die Entwicklung von Starkniederschlagsereignissen hervor, die in dieser Region weder dokumentiert, noch untersucht wurde. Des Weiteren wurden die womöglich regionenspezifischen Stärken und Schwächen eines modernen, satellitengestützten Niederschlagsproduktes beleuchtet, das für zukünftige Niederschlagsstudien mit diesem Produkt im SWA als Referenz dienen kann.