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On waves and storms

tropical rainfall in observations and global kilometer-scale climate models

Dorian Spät

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Meteorologie

Betreuer*in

Aiko Voigt

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DOI

10.25365/thesis.79373

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-12413.57199.308370-4

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In den Tropen sind Systeme hochreichende Konvektion, die sich bis zur Tropopause erstrecken und eine horizontale Ausdehnung von einigen Kilometern bis mehreren hundert Kilometern haben, die Hauptquelle für Regen. Herkömmliche Klimamodelle, die in der Regel mit horizontalen Auflösungen in der Größenordnung von 100 km arbeiten, sind nicht in der Lage, diese Systeme aufzulösen und müssen stattdessen die hochreichende Konvektion durch Parametrisierungen darstellen. In der afrikanischen Sahelzone stammt der überwiegende Teil des Niederschlags aus organisierten hochreichenden Konvektionssystemen, weshalb die akkurate Darstellung des Niederschlags in der Sahelzone für traditionelle Klimamodelle seit Langem eine Herausforderung darstellt. Dennoch ist eine solche Darstellung unerlässlich, da es in Region in der Vergangenheit zu starken Niederschlagsschwankungen gekommen ist und in der Zukunft ähnlich starke Veränderungen erwartet werden. Fortschritte im Bereich der Supercomputer und der Klimamodellierung haben es zuletzt möglich gemacht, Klimasimulationen mit horizontalen Auflösungen von nur wenigen Kilometern durchzuführen. Diese sogenannten kilometerskaligen (km-skaligen) Klimamodelle können hochreichende Konvektion und die damit verbundenen konvektiven Systeme auflösen, was sie zu einem besonders wichtigen neuen Werkzeug für Regionen wie die Sahelzone macht. In dieser Arbeit werden tropischer Niederschlag und damit verbundene atmosphärische Prozesse mit Fokus auf die Sahelzone anhand von Beobachtungsdaten sowie deren Repräsentation in km-skaligen Klimamodellen untersucht. Drei zentrale Forschungsfragen leiten diese Arbeit, die jeweils unterschiedliche, aber miteinander verknüpfte Aspekte von Niederschlagscharakteristika und Niederschlagsveränderungen behandeln. Erstens untersuchen wir das räumliche Muster der täglichen tropischen Niederschlagsvariabilität und die Fähigkeit von Klimamodellen, dieses zu reproduzieren. Wir zeigen, dass das Muster überwiegend positiver Lag-1-Autokorrelationswerte, mit niedrigeren Werten über einigen Landregionen wie der Sahelzone, über mehrere Beobachtungsdatensätze hinweg konsistent ist. Das Muster wird stark von convectively coupled equatorial waves (CCEWs) beeinflusst und wird von konventionellen Klimamodellen nicht erfasst. Im Gegensatz dazu reproduzieren globale km-skalige Modelle ohne Tiefenkonvektionsparametrisierung das beobachtete Muster sehr genau. Unsere Ergebnisse unterstreichen die verbesserte Darstellung hochfrequenter CCEWs und der damit verbundenen Niederschlagsvariabilität in den km-skaligen Modellen. Zweitens analysieren wir die Trends extremer Niederschläge in der Sahelzone der letzten vier Jahrzehnte. Starke mesoskalige Konvektionssysteme (MCSs), die durch intensive Konvektion gekennzeichnet sind, sind die Hauptursache für extreme Niederschläge in der Region. Aufbauend auf früheren Studien zeigen wir, dass die Anzahl dieser starken MCSs bis zum Ende der 2000er Jahre zunahm, in Verbindung mit dem zunehmenden meridionalen Oberflächentemperaturgradienten. Danach stagnierte die Zunahme in der Zahl von starken MCSs. Jedoch nahmen sowohl die saisonal akkumulierten Niederschläge als auch der Anteil der Niederschläge, die als Extremniederschlag fallen, weiter zu. Dieser anhaltende Anstieg ist auf eine zunehmende MCS-Niederschlagsintensität zurückzuführen, in Verbindung mit höheren atmosphärischen Feuchtigkeitswerten, welche aus einem verstärkten Feuchtigkeitstransport in die Sahelzone resultieren. Drittens evaluieren wir die Fähigkeit der hochmodernen globalen km-skaligen Klimamodelle ICON und IFS, wichtige Prozesse der Sahel-Niederschlagsentwicklung zu simulieren; insbesondere MCSs, African easterly waves (AEWs) und die Wechselwirkungen zwischen beiden. Beide Modelle reproduzieren erfolgreich die AEW-bezogenen Niederschlagscharakteristika sowie die Modulation der MCSs durch AEWs. Sie erfassen außerdem die Zusammenhänge zwischen Umgebungsbedingungenbedingungen, vertikaler Windscherung und Luftfeuchtigkeit, und der Intensität der MCS-Konvektion und des Niederschlags. Obwohl einige Biases bestehen bleiben, wie zum Beispiel zu intensiver MCS Niederschlag, bieten die Modelle die Möglichkeit, wertvolle Erkenntnisse über zukünftige Veränderungen der Niederschlagscharakteristika in der Sahelzone zu gewinnen. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit sowohl die Komplexität des Klimasystems der Sahelzone als auch die Möglichkeiten die km-skalige Klimamodelle bieten, unser Verständnis der tropischen Niederschlagscharakteristika und ihrer Veränderungen in einem sich erwärmenden Klima zu verbessern.

Abstract

(Englisch)

In the tropics, the primary source of precipitation is deep convection: towering cloud systems that extend up to the tropopause and span from a few to several hundred kilometers horizontally. Traditional climate models, which typically operate at horizontal resolutions on the order of 100 km, are unable to simulate these systems explicitly and instead represent deep convection as a subgrid-scale process using parameterizations. In the African Sahel, the vast majority of precipitation originates from organized deep convective systems, making accurate representation of Sahelian rainfall a long-standing challenge for traditional climate models. However, such representation is essential, as the region has experienced profound precipitation variability in the past and is expected to undergo similarly large changes in the future. Recent advances in high-performance computing and climate modeling have made it possible to run simulations at horizontal resolutions of just a few kilometers. These so-called kilometer-scale (km-scale) climate models have the potential to resolve deep convection and associated convective systems, making them a particularly important new tool for regions such as the Sahel. This thesis investigates tropical precipitation and associated atmospheric processes, with a focus on the Sahel, using a wide range of observational datasets and several global km-scale climate model simulations. Three central research questions guide this work, each addressing distinct yet interconnected aspects of precipitation characteristics and changes in observations. Two of the questions also address the representation of these characteristics in global km-scale climate models. First, we investigate the spatial pattern of daily tropical precipitation variability and the ability of climate models to reproduce it. We demonstrate that the pattern of predominantly positive lag-1 autocorrelation values, with lower values over some land regions such as the Sahel, is consistent across multiple observational datasets. The pattern is strongly influenced by convectively coupled equatorial waves (CCEWs) and conventional climate models fail to capture it. In contrast, global km-scale models without deep convection parameterization closely replicate the observed pattern. Our results highlight the improved representation of precipitation variability associated with high-frequency CCEWs in the km-scale models. Second, we analyze trends in Sahelian extreme precipitation over the past four decades. Strong mesoscale convective systems (MCSs), characterized by intense convection, are the primary source of extreme precipitation in the region. Building on earlier studies, we show that the increase in frequency of these strong MCSs, which is linked to a strengthening meridional surface temperature gradient, plateaued in the late 2000s. Nevertheless, both seasonally accumulated precipitation and the fraction of precipitation falling as extreme precipitation have continued to increase since then. This ongoing rise was driven by increasing MCS precipitation intensity, which we attribute to higher atmospheric moisture levels, resulting from increased moisture transport into the Sahel. Third, we assess the ability of the state-of-the-art global km-scale climate models ICON and IFS to simulate key processes driving Sahelian precipitation; specifically, MCSs, African easterly waves (AEWs), and the interactions between the two. Both models successfully reproduce AEW-related precipitation characteristics, as well as the modulation of MCSs by AEWs. They also capture the relationships between environmental drivers—vertical wind shear and atmospheric humidity—and the intensity of MCS convection and precipitation. Although some biases remain, such as overly intense MCS precipitation, the models offer the possibility of valuable insights into future changes in Sahelian precipitation characteristics. Collectively, this thesis underscores the complexity of the Sahelian climate system and the promise of km-scale climate modeling in advancing our understanding of tropical precipitation characteristics and their changes in a warming climate.

Autor*innen

Dorian Spät

Haupttitel (Englisch)

On waves and storms

Hauptuntertitel (Englisch)

tropical rainfall in observations and global kilometer-scale climate models

Publikationsjahr

2025

Umfangsangabe

viii, 116 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Wouter Dorigo ,

Caroline Muller

Klassifikationen

38 Geowissenschaften > 38.81 Atmosphäre ,

38 Geowissenschaften > 38.82 Klimatologie

AC Nummer

AC17651189

Utheses ID

76848

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 415 |

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Schlagwörter