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Regional dynamical downscaling over West Africa: model evaluation and comparison of wet and dry years

Paeth, Heiko; Born, Kai; Podzun, Ralf; Jacob, Daniela

Meteorologische Zeitschrift Vol. 14 No. 3 (2005), p. 349 - 367

published: Jul 12, 2005

DOI: 10.1127/0941-2948/2005/0038

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ArtNo. ESP025011403005, Price: 29.00 €

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Abstract

In this study, a 25-year regional climate model run over West Africa is evaluated and examined with respect to causes of interannual rainfall variability related to the West African Monsoon. West African rainfall has been subject to strong interannual and decadal variability throughout the past 50 years. Known driving forces for this variability are large-scale changes in Atlantic sea surface temperatures (SSTs), variability due to global atmospheric circulation changes, like for instance variability related to El Niño-Southern Oscillation, but also regional and local-scale changes in land use and vegetation cover. The interaction of these impact factors with West African synoptic and subsynoptic processes is still not completely understood. One reason for this lack of knowledge is that basic features of West African climate, including the African Easterly Jet (AEJ), African Easterly Waves (AEWs) as well as monsoon dynamics, are very complex multiscale phenomena. Climate modeling in West Africa requires the ability to simulate these effects, which can only be achieved by mesoscale atmospheric models. Using the regional climate model REMO from the Max-Planck Institute for Meteorology in Hamburg, a 25-year dynamical downscaling study was undertaken in order to evaluate a tool, which will then be used for the examination of causes of rainfall variability in West Africa. The model was used on a 0.5° grid over North Africa northward of 15°S. The model evaluation leads to some confidence in the reliability of the modeled climate. A detailed examination of composites of selected wet and dry years in the Guinean coast region elucidates the role of SST forcing and external atmospheric forcing for interannual rainfall variability. In general, abundant monsoonal rainfall comes along with warm tropical Atlantic SSTs, enhanced latent heat fluxes from the ocean to the atmosphere and stronger surface wind convergence near the Guinean Coast. This is accompanied by large-scale dynamical changes in strength and direction of both the Tropical Easterly Jet (TEJ) over the Indian Ocean and the Subtropical Jet (STJ) over the Near East and the Caucasian region.

Kurzfassung

In dieser Studie wird eine 25-jährige Klimasimulation mit einem regionalen Klimamodell im westafrikanischen Sektor evaluiert und im Hinblick auf die Ein flussgrösen interannueller Niederschlagsvarabilität im westafrikanischen Monsungebiet untersucht. Der Niederschlag im westlichen Afrika war während der letzten 50 Jahre durch starke interannuelle und dekadische Schwankungen gekennzeichnet. Zu den vermuteten Antriebsmechanismen für die Klimavariabilität zählen die grosskaligen Fluktuationen der Meeresoberflächentemperaturen (SSTs) im Atlantik, Schwankungen der globalen atmosphärischen Zirkulation wie zum Beispiel im Zusammenhang mit El Niño-Southern Oscillation sowie regionale und lokale Veränderungen in der Landnutzung und Vegetationsbedeckung. Bislang sind die Interaktionen zwischen diesen Antriebsfaktoren und synoptischen sowie subsynoptischen Prozessen in Westafrika kaum verstanden. Das liegt unter anderem darin begründet, dass die grundlegenden Ausprägungen des westafrikanischen Klimas wie der African Easterly Jet (AEJ), die African Easterly Waves (AEWs) und das Monsunsystem sehr komplexe multiskalige Phäanomene darstellen. Klimamodelle sind gefordert, diese Phänomene und ihre Auswirkungen zu simulieren. Dies kann nur von mesoskaligen Modellen erreicht werden. Auf der Basis des regionalen Klimamodells REMO vom Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg wurde eine 25-jährige Downscaling-Studie durchgeführt. Damit steht nun ein Werkzeug zur Verfügung, um die Ein flussfaktoren der Niederschlagsvariabilität in Westafrika zu untersuchen. Die Modellsimulation umfast den afrikanischen Kontinent nördlich von 15°S in einer horizontalen Au flösung von 0,5°. Die Validation mit diversen Beobachtungsdaten zeigt, dass das regionale Klimamodell die grundlegenden Strukturen des westafrikanischen Klimas sehr zuverläassig reproduzieren kann. Eine detaillierte Untersuchung der Composites ausgewählter feuchter und trockener Monsunjahre untermauert die besondere Rolle des SST-Antriebes und der atmosphärischen Randbedingungen für die interannuellen Niederschlagsschwankungen. Reichhaltige Monsunniederschläge gehen allgemein mit wärmeren SSTs im tropischen Atlantik sowie verstärkten latenten Wärmeflüssen und bodennaher Windkonvergenz an der Guineaküste einher. Darüber hinaus ergeben sich Veränderungen in der grosräumigen Zirkulation, wovon insbesondere der Tropical Easterly Jet (TEJ) über dem Indischen Ozean und der subtropische Jet (STJ) über dem Nahen Osten und der Kaukasusregion betroffen sind.