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Abstract:
Der obertroposphärische tropische Oststrahlstrom über Westafrika (Tropical Easterly Jet über West Africa, WA-TEJ), ein integraler Bestandteil der westafrikanischen Monsunzirkulation (WAM), ist stark mit Schwankungen des Sahelniederschlags auf interannuallen bis multidekadischen Zeitskalen korreliert. Diese Arbeit ergründet die ursächlichen Mechanismen sowie die Implikationen dieses statistischen Zusammenhangs und untersucht zudem, ob der WA-TEJ eine aktive Rolle für die Niederschlagsentwicklung in der Sahelzone spielt, wie in früheren Studien vorgeschlagen.
In dem ersten wissenschaftlichen Kapitel dieser Arbeit werden zeitlich hochauf-
gelöste Beobachtungen und Reanalysen analysiert, um zu klären, ob der WA-TEJ die
Konvektion über der Sahelzone durch seine Auswirkungen auf die obertroposphäri-
sche Divergenz unterstützt, wie in früheren Studien vorgeschlagen. Eine Analyse von
300 mesoskaligen konvektiven Systemen in der Sahel-Region zeigt, dass weder ihre
Auslösung noch ihr Organisationsgrad mit signifikanten WA-TEJ-Anomalien oder TEJ-
induzierten Divergenzen in der oberen Troposphäre verbunden sind. Auf der synop-
tischen Zeitskala hinken WA-TEJ-Anomalien signifikant Anomalien der konvektiven
Aktivität um ein bis zwei Tage hinterher, was darauf hindeutet, dass Konvektionsan-
omalien eher Veränderungen im WA-TEJ bewirken als umgekehrt. Die Ergebnisse des
ersten Kapitels deuten somit darauf hin, dass der WA-TEJ keine aktive Rolle für die
Sahelniederschläge spielt, zumindest nicht über seine Auswirkungen auf die obertro-
posphärische Divergenz.
WAM-Niederschlagsanomalien können die Intensität des WA-TEJ signifikant beein-
flussen, aber erklärt der lokale Antrieb des WA-TEJ durch die mit dem WAM-Nieder-
schlag verbundene latente Erwärmung wirklich die beobachtete Kovariabilität zwi-
schen WA-TEJ-Intensität und Sahelniederschlag auf interannualen bis dekadischen
Zeitskalen? Mein zweites wissenschaftliches Kapitel befasst sich mit dieser Frage, in-
dem es die wichtigsten tropischen Treiber der WA-TEJ-Variabilität untersucht. Dazu
wird PUMA, ein atmosphärisches Zirkulationsmodell basierend auf trockener Dyna-
mik, durch über die jeweilige Sommersaison gemittelte, dreidimensionalen Felder der
diabatischen Heizung angetrieben über den Zeitraum 1979-2017. Die Felder des diaba-
tischen Antriebs werden in einen lokalen afrikanischen und einen entfernten „Rest der
Welt“-Teil aufgeteilt. Es werden Simulationen durchgeführt, bei denen sich die Jahr-
zu-Jahr-Variabilität der diabatische Heizung entweder auf die lokale oder abgelegene
Regionen beschränkt. Ich zeige, dass die interannuelle bis dekadische Variabilität der
WA-TEJ-Intensität durch den Einfluss des entfernten diabatischen Antriebs dominiert
wird, insbesondere durch die Wirkung von ENSO. Die WA-TEJ-Variabilität, die aus-
chließlich auf die lokale diabatische Heizung zurückzuführen ist, ist zwar stark mit
dem Sahelniederschlag korreliert aber schwach im Vergleich zur Wirkung der Fernein-
flüsse. Letztendlich kann der entfernte diabatische Antrieb als ein wichtiger Treiber für
die beobachtete Sahelniederschlag–WA-TEJ-Beziehung angesehen werden, da er nicht
nur die WA-TEJ-Variabilität dominiert, sondern auch oft Sahelniederschlagsanomalien
mit gleichem Vorzeichen induziert.
Ziel des dritten wissenschaftlichen Kapitels ist es, herauzufinden, ob sich die Kova-
riabilität zwischen TEJ und Sahelniederschlag in einem anderen Klima grundlegend
ändert. Als Fallstudie wähle ich das mittlere Holozän, eine Epoche, in der der WAM-
Niederschlag viel intensiver war und seine Variabilität weniger durch Telekonnektio-
nen beeinflusst wurde. Im Vergleich zu einem vorindustriellen Kontrollklima simuliert
das komplexe Erdsystemmodell MPI-ESM für das mittlere Holozän eine schwächere
Kovariabilität zwischen WAM-Niederschlag und WA-TEJ-Intensität auf interannuellen
bis dekadischen Zeitskalen. Um dies besser zu verstehen, werden die tropischen Trei-
ber der WA-TEJ-Variabilität im mittleren Holozän mittels PUMA-Experimenten mit der
selben Methodik wie im zweiten Kapitel untersucht. Im Gegensatz zum heutigen Kli-
ma bestimmen nun der lokale und der entfernte diabatische Antrieb gleichermaßen
die WA-TEJ-Variabilität. Dieses unterschiedliche Verhalten im Vergleich zum gegen-
wärtigen Klima scheint in erster Linie auf die abnehmende Bedeutung des entfernten
diabatischen Antriebs zurückzuführen zu sein, dessen Amplitude vor allem durch die
geringere interannuelle Variabilität der Meeresberflächentemperaturen im tropischen
Pazifik abgeschwächt wird. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die verminderte Be-
deutung des entfernten diabatischen Antriebs auch die verringerte Kovariabilität zwischen WA-TEJ und Sahelniederschlag während des mittleren Holozäns erklärt.
Abstract:
The upper-tropospheric Tropical Easterly Jet over West Africa (WA-TEJ) is an integral
part of the West African Monsoon (WAM) circulation and is strongly correlated with
Sahel rainfall changes on interannual to multi-decadal time scales. This thesis aims to
understand the underlying mechanisms and implications of this statistical relation and
explores whether the WA-TEJ might play an active role for Sahel rainfall as proposed
by previous studies.
In the first scientific chapter, temporally high-resolved observations and reanalyses
are used to clarify whether the WA-TEJ fosters convection over the Sahel via its influence
on the upper-level divergence, as suggested by former studies. I conduct an analysis of
nearly 300 Sahelian mesoscale convective systems and find that neither their initiation
nor their degree of organization is significantly associated with WA-TEJ anomalies or
jet-induced upper-level divergence. On synoptic time scales, WA-TEJ anomalies also
significantly lag anomalies in convective activity by one or two days, indicating that
convection anomalies are more likely to drive changes in the WA-TEJ than vice versa.
In synopsis, the results of the first chapter suggest that the WA-TEJ does not play an
active role for Sahel rainfall, at least not via its effect on upper-level divergence.
WAM rainfall anomalies can significantly affect the WA-TEJ intensity, but does the
local forcing of the WA-TEJ by WAM rainfall-related latent heating really explain the
observed WA-TEJ – rainfall covariability on interrannual to decadal time scales? The
second scientific chapter tackles this question by investigating the main tropical drivers
of WA-TEJ variability. For this purpose, PUMA, an AGCM based on dry dynamics, is
driven by summer mean 3D diabatic heating fields of the period of 1979-2017. The
heating fields are split up into a local African and remote rest of world part. Simula-
tions are conducted in which the year-to-year variability of the diabatic heating is ei-
ther restricted to the local or remote regions. It is found that the interannual to decadal
variability of WA-TEJ intensity is dominated by the influence of the remote forcing,
especially by the effect of ENSO. The solely local forcing-induced WA-TEJ variability,
while highly correlated with Sahel rainfall, is too weak to stand out against the remote
influences. Ultimately, the variability of the remote diabatic heating – in particular over
the tropical Pacific – can likely be viewed as an important driver of the observed Sahel
rainfall–WA-TEJ relationship as it not only dominates the WA-TEJ variability, but also
tends to induce same-sign changes in Sahel rainfall.
The objective of the third scientific chapter is to explore whether the TEJ – Sahel rain-
fall covariability may fundamentally change in a different climate. As a suitable case
study, I select the mid-Holocene, a climatic period when the WAM was substantially
stronger and its variability was less affected by teleconnections. Compared to a pre-
industrial control climate, the state-of-the-art Earth system model MPI-ESM simulates
for the mid-Holocene a weaker covariability between WAM rainfall and WA-TEJ inten-
sity on interannual to decadal time scales. To better understand this, the tropical drivers
of the mid-Holocene WA-TEJ variability are investigated via PUMA experiments, us-
ing the same methods as in chapter two. In contrast to today, both the local forcing
through WAM rainfall anomalies and the remote diabatic forcing play an equal role for
the WA-TEJ variability during the mid-Holocene. This difference to the present-day state appears to be primarily caused by the diminished importance of the remote di-
abatic forcing, whose amplitude is attenuated mainly due to the reduced interannual
variability of SSTs in the tropical Pacific. I propose that the diminished importance of
the remote diabatic forcing also mainly explains the reduced TEJ–rainfall covariability.
