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Convectively coupled equatorial waves and their impact on precipitation
Natalie Auer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Meteorology and Climate Science
Betreuer*in
Aiko Voigt
DOI
10.25365/thesis.79244
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10971.85304.218038-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Konvektiv gekoppelte äquatoriale Wellen (CCEWs) und die Madden–Julian Oszillation (MJO) sind die Haupttreiber der tropischen Niederschlagsvariabilität, da sie Niederschlagsmuster großräumig modulieren. CCEWs umfassen mehrere Wellentypen, darunter Kelvin-, äquatoriale Rossby-, gemischte Rossby-Schwere- sowie Trägheits-Schwerewellen, die entweder ostwärts oder westwärts propagieren. Trotz ihrer Bedeutung gelingt es globalen Klimamodellen nicht tropische Niederschläge realitätsnah zu simulieren, aufgrund ihrer geringen räumlichen Auflösung und der Abhängigkeit von parametrisierten Konvektionsprozessen. Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss von CCEWs auf die tropische Niederschlagsvariabilität im aktuellen und zukünftigen Klima mithilfe von CMIP6 Simulationen und Beobachtungsdaten von GPM IMERG zu analysieren. Dazu wende ich eine Filtermethode nach Kiladis und Wheeler (1999) an, um die einzelnen Wellensignale zu isolieren. Anschließend berechne ich den quadrierten Pearson Korrelationskoeffizienten zwischen den gefilterten Wellensignalen und den Niederschlagsanomalien. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten CMIP6 atmosphärischen Modelle den Beitrag von Kelvin-Wellen und hochfrequenten Wellen, wie etwa ostwärts propagierenden Trägheits-Schwerewellen, zur tropischen Niederschlagsvariabilität im heutigen Klima unterschätzen. Mögliche Gründe dafür sind die begrenzte horizontale Modellauflösung und Defizite in der Parametrisierung konvektiver Prozesse. Im Gegensatz dazu tendieren diese Modelle den Einfluss niederfrequenter Wellen, insbesondere der äquatorialen Rossby-Wellen, zu überschätzen. Das liegt vermutlich an deren langsamen Ausbreitung, die konvektiven Schemata mehr Reaktionszeit lässt auf großskalige Störungen zu reagieren (Wang and Chen, 2017), wodurch ihr simulierter Beitrag möglicherweise verstärkt wird. Im SSP585 Szenario nimmt der Einfluss von Kelvin-Wellen auf die Niederschlagsvariabilität deutlich zu. Im Gegensatz dazu, sind die Veränderungen im Beitrag äquatorialer Rossby-Wellen nur gering und über die Tropen gemittelt leicht negativ. Für gemischte Rossby-Schwerewellen wird ein regionaler Anstieg über Teilen Afrikas simuliert. Für die Madden–Julian Oszillation sowie für hochfrequente Trägheits-Schwerewellen werden keine robusten Änderungen gezeigt, was wahrscheinlich auf Modellunsicherheiten und die begrenzte Darstellung hochfrequenter Wellen in aktuellen Klimamodellen zurückzuführen ist. Meine Ergebnisse zeigen signifikante Biases in aktuellen State-of-the-Art-Klimamodellen und heben hervor, wie wichtig eine realitätsnahe Darstellung der CCEW-Dynamik für präzise Klimaprojektionen ist, da diese Wellen die Niederschlagsvariabilität beeinflussen.
Abstract
(Englisch)
Convectively coupled equatorial waves (CCEWs) and the Madden-Julian oscillation (MJO) are main drivers of tropical rainfall variability, modulating rainfall patterns over large areas. CCEWs comprise several wave types, including Kelvin, equatorial Rossby, mixed Rossby–gravity and inertio-gravity waves, which propagate either eastward or westward. Despite their importance, global climate models often fail to accurately simulate tropical precipitation due to their coarse spatial resolution and reliance on parameterized moist convection. In this thesis, I investigate the impact of CCEWs on tropical rainfall variability in both present-day and future climates, using CMIP6 simulations and observational data from GPM IMERG. To accomplish this, I apply a filtering technique based on Kiladis and Wheeler (1999) to isolate individual wave signals. I then quantify their impact on rainfall variability by calculating the squared Pearson correlation coefficient between the filtered wave signals and precipitation anomalies. Most CMIP6 atmospheric models underestimate the contribution of Kelvin waves and high-frequency waves, like eastward propagating inertio-gravity waves, to tropical rainfall variability in the present-day climate. This is probably due to limited horizontal resolution and deficiencies in convective parameterizations. In contrast, these models tend to overestimate the impact of low-frequency waves, especially equatorial Rossby waves, likely because their slower propagation allows more time for convective schemes to respond to large-scale disturbances (Wang and Chen, 2017), potentially amplifying their simulated contribution. Under the high-emission scenario SSP585, CMIP6 models project a strengthening impact of Kelvin waves on rainfall variability. In contrast, changes in the contribution of equatorial Rossby waves are modest and slightly negative when averaged across the tropics. For mixed Rossby–gravity waves, a regional increase is projected over parts of Africa. For the Madden–Julian oscillation and high-frequency inertio-gravity waves, no robust changes are projected, which is likely due to a combination of inter-model uncertainties and limited high-frequency wave representation in current climate models. Overall, the findings reveal significant biases in current state-of-the-art climate models and underscore the importance of accurately capturing CCEW dynamics for accurate climate projections, as these waves influence rainfall variability.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Konvektiv gekoppelte äquatoriale Wellen Kelvin-Wellen Äquatoriale Rossby-Wellen Madden-Julian-Oszillation Tropische Wellen Tropische Niederschlagsvariabilität CMIP6 Wellenfilterung Pearson-Korrelationskoeffizient
Schlagwörter
(Englisch)
CCEW Convectively coupled equatorial waves Kelvin waves Equatorial Rossby waves Madden-Julian Oscillation Tropical waves Tropical rainfall variability Wave filtering Pearson correlation coefficient
Autor*innen
Natalie Auer
Haupttitel (Englisch)
Convectively coupled equatorial waves and their impact on precipitation
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
vii, 55 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Aiko Voigt
Klassifikation
38 Geowissenschaften > 38.80 Meteorologie. Allgemeines
AC Nummer
AC17638341
Utheses ID
77556
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |