TY - THES A1 - Hanf, Franziska Stefanie T1 - South Asian summer monsoon variability: a modelling study with the atmospheric regional climate model HIRHAM5 T1 - Variabilität des Südasiatischen Sommermonsuns: eine Modellstudie mit dem regionalen Atmosphärenmodell HIRHAM5 N2 - The lives of more than 1/6 th of the world population is directly affected by the caprices of the South Asian summer monsoon rainfall. India receives around 78 % of the annual precipitation during the June-September months, the summer monsoon season of South Asia. But, the monsoon circulation is not consistent throughout the entire summer season. Episodes of heavy rainfall (active periods) and low rainfall (break periods) are inherent to the intraseasonal variability of the South Asian summer monsoon. Extended breaks or long-lasting dryness can result in droughts and hence trigger crop failures and in turn famines. Furthermore, India's electricity generation from renewable sources (wind and hydro-power), which is increasingly important in order to satisfy the rapidly rising demand for energy, is highly reliant on the prevailing meteorology. The major drought years 2002 and 2009 for the Indian summer monsoon during the last decades, which are results of the occurrence of multiple extended breaks, emphasise exemplary that the understanding of the monsoon system and its intraseasonal variation is of greatest importance. Although, numerous studies based on observations, reanalysis data and global model simulations have been carried out with the focus on monsoon active and break phases over India, the understanding of the monsoon intraseasonal variability is only in the infancy stage. Regional climate models could benefit the comprehension of monsoon breaks by its resolution advantage. This study investigates moist dynamical processes that initiate and maintain breaks during the South Asian summer monsoon using the atmospheric regional climate model HIRHAM5 at a horizontal resolution of 25 km forced by the ECMWF ERA Interim reanalysis for the period 1979-2012. By calculating moisture and moist static energy budgets the various competing mechanisms leading to extended breaks are quantitatively estimated. Advection of dry air from the deserts of western Asia towards central India is the dominant moist dynamical process in initiating extended break conditions over South Asia. Once initiated, the extended breaks are maintained due to many competing mechanisms: (i) the anomalous easterlies at the southern flank of this anticyclonic anomaly weaken the low-level cross-equatorial jet and thus the moisture transport into the monsoon region, (ii) differential radiative heating over the continental and the oceanic tropical convergence zone induces a local Hadley circulation with anomalous rising over the equatorial Indian Ocean and descent over central India, and (iii) a cyclonic response to positive rainfall anomalies over the near-equatorial Indian Ocean amplifies the anomalous easterlies over India and hence contributes to the low-level divergence over central India. A sensitivity experiment that mimics a scenario of higher atmospheric aerosol concentrations over South Asia addresses a current issue of large uncertainty: the role aerosols play in suppressing monsoon rainfall and hence in triggering breaks. To study the indirect aerosol effects the cloud droplet number concentration was increased to imitate the aerosol's function as cloud condensation nuclei. The sensitivity experiment with altered microphysical cloud properties shows a reduction in the summer monsoon precipitation together with a weakening of the South Asian summer monsoon. Several physical mechanisms are proposed to be responsible for the suppressed monsoon rainfall: (i) according to the first indirect radiative forcing the increase in the number of cloud droplets causes an increase in the cloud reflectivity of solar radiation, leading to a climate cooling over India which in turn reduces the hydrological cycle, (ii) a stabilisation of the troposphere induced by a differential cooling between the surface and the upper troposphere over central India inhibits the growth of deep convective rain clouds, (iii) an increase of the amount of low and mid-level clouds together with a decrease in high-level cloud amount amplify the surface cooling and hence the atmospheric stability, and (iv) dynamical changes of the monsoon manifested as a anomalous anticyclonic circulation over India reduce the moisture transport into the monsoon region. The study suggests that the changes in the total precipitation, which are dominated by changes in the convective precipitation, mainly result from the indirect radiative forcing. Suppression of rainfall due to the direct microphysical effect is found to be negligible over India. Break statistics of the polluted cloud scenario indicate an increase in the occurrence of short breaks (3 days), while the frequency of extended breaks (> 7 days) is clearly not affected. This disproves the hypothesis that more and smaller cloud droplets, caused by a high load of atmospheric aerosols trigger long drought conditions over central India. N2 - Das Leben von mehr als 1/6 der Weltbevölkerung wird direkt von den Kapriolen des Südasiatischen Sommermonsuns beeinflusst. Während der Sommermonsunzeit Südasiens von Juni bis September fällt allein in Indien ungefähr 78 % des Gesamtjahresniederschlags. Jedoch kennzeichnet der Monsun keine Phase von Dauerregenfällen. Vielmehr ist er von einzelnen Perioden mit hohen Niederschlagsmengen (aktive Monsunphasen) und geringen Niederschlagsmengen (Monsun-Unterbrechungsphasen) geprägt. Langanhaltende Monsun-Unterbrechungen können zu Dürren und damit zu Ernteausfällen, Hungersnöten und Einbußen in der Wirtschaft des Landes führen. Ebenso ist Indiens Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (Wind- und Wasserkraft), die eine Schlüsselkomponente in Indiens zukünftiger Energiestrategie spielt, direkt von den vorherrschenden Wettersituationen abhängig. Daher ist die Erforschung der intrasaisonalen Variabilität des Süd-asiatischen Sommermonsuns von enormer Wichtigkeit. Obwohl bereits zahlreiche Studien mit Fokus auf dem Wechsel von Aktiv- und Unterbrechungsphasen unter Verwendung von Beobachtungs- und Reanalysedaten und globalen Modellsimulationen existieren, steckt das Verständnis der intrasaisonalen Variabilität des Südasiatischen Sommermonsuns in seinen Anfängen. Die höhere Auflösung von Simulationen mit regionalen Klimamodellen kann zu einer Verbesserung des Verständnisses der Ursache von langanhaltenden Monsun-Unterbrechungsphasen beitragen. In dieser Arbeit werden speziell die feucht-dynamischen Prozesse, die Unterbrechungsphasen des Südasiatischen Sommermonsuns über Indien initiieren und aufrechterhalten, mit Hilfe des regionalen Atmosphärenmodells HIRHAM5 untersucht. Die Durchführung von Budget Studien ermöglicht die quantitative Abschätzung der verschiedenen konkurrierenden Mechanismen. Advektion von trockener Luft aus den Wüsten Westasiens nach Zentral-Indien wird als der dominierende Prozess für die Entstehung von Monsun-Unterbrechungen identifiziert. Diese Studie zeigt, dass für die Aufrechterhaltung von Unterbrechungsphasen abweichende Zirkulationsstrukturen, ausgelöst durch anormale strahlungsbedingte Erwärmungsmuster, verantwortlich sind. Zum einen beeinträchtigen abgeschwächte Westwinde über Süd-Indien und dem Arabischen Meer den Feuchtigkeitstransport in die Monsunregion, zum anderen führt eine lokal ausgeprägte Hadley-Zelle mit aufsteigenden (absinkenden) Luftmassen über dem zentralen äquatorialen Indischen Ozean (Zentral-Indien) zur Zunahme der atmosphärischen Stabilität und somit zur Hemmung von vertikalem Wolkenwachstum über Zentral-Indien. Gegenwärtige Studien beschäftigen sich mit der Frage, ob hohe Konzentrationen an atmosphärischen Aerosolen lange Dürreperioden über Indien steuern können. Ein durchgeführtes Sensitivitätsexperiment, welches ein Szenario von erhöhten atmosphärischen Aerosolkonzentrationen durch eine veränderte Anzahl an Wolkentropfen über Südasien imitiert, analysiert die Auswirkungen indirekter Aerosoleffekte auf den mittleren Südasiatischen Sommermonsun und dessen intrasaisonaler Variabilität. Die Zunahme der Wolkentropfenkonzentration führt in Zusammenhang mit einer Abschwächung des Südasiatischen Sommermonsuns zu einer Reduktion der Sommerniederschläge über Zentral-Indien. Das Experiment zeigt, dass die Unterdrückung der Monsunregenfälle hauptsächlich durch eine gehemmte Bildung von hochreichenden Konvektionswolken durch die indirekte Strahlungswirkung von Aerosolen hervorgerufen wird. Eine statistische Analyse der Häufigkeit von Monsun-Unterbrechungsphasen in dem „verschmutzten“ Wolkenszenario zeigt zwar eine Zunahme in dem Vorkommen von kurzen Monsun-Unterbrechungsphasen (3 Tage), jedoch eine Abnahme in der Häufigkeit von langanhaltenden Monsun-Unterbrechungsphasen (> 7 Tage). Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass mehr und kleinere Wolkentropfen, verursacht durch hohe atmosphärischen Aerosolansammlungen, keine ausgedehnten Trockenphasen über Zentral-Indien auslösen. KW - South Asian summer monsoon KW - monsoon breaks KW - moist static energy KW - regional climate model KW - model tuning KW - aerosols KW - Südasiatischen Sommermonsun KW - Monsun-Unterbrechungen KW - Indien KW - Budgetstudien KW - Aerosole Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89331 ER - TY - THES A1 - Sommerfeld, Anja T1 - Quantification of internal variability of the arctic summer atmosphere based on HIRHAM5 ensemble simulations T1 - Quantifizierung der modellinternen Variabilität der Arktischen Sommeratmosphäre basierend auf HIRHAM5 Ensemblesimulationen N2 - The non-linear behaviour of the atmospheric dynamics is not well understood and makes the evaluation and usage of regional climate models (RCMs) difficult. Due to these non-linearities, chaos and internal variability (IV) within the RCMs are induced, leading to a sensitivity of RCMs to their initial conditions (IC). The IV is the ability of RCMs to realise different solutions of simulations that differ in their IC, but have the same lower and lateral boundary conditions (LBC), hence can be defined as the across-member spread between the ensemble members. For the investigation of the IV and the dynamical and diabatic contributions generating the IV four ensembles of RCM simulations are performed with the atmospheric regional model HIRHAM5. The integration area is the Arctic and each ensemble consists of 20 members. The ensembles cover the time period from July to September for the years 2006, 2007, 2009 and 2012. The ensemble members have the same LBC and differ in their IC only. The different IC are arranged by an initialisation time that shifts successively by six hours. Within each ensemble the first simulation starts on 1st July at 00 UTC and the last simulation starts on 5th July at 18 UTC and each simulation runs until 30th September. The analysed time period ranges from 6th July to 30th September, the time period that is covered by all ensemble members. The model runs without any nudging to allow a free development of each simulation to get the full internal variability within the HIRHAM5. As a measure of the model generated IV, the across-member standard deviation and the across-member variance is used and the dynamical and diabatic processes influencing the IV are estimated by applying a diagnostic budget study for the IV tendency of the potential temperature developed by Nikiema and Laprise [2010] and Nikiema and Laprise [2011]. The diagnostic budget study is based on the first law of thermodynamics for potential temperature and the mass-continuity equation. The resulting budget equation reveals seven contributions to the potential temperature IV tendency. As a first study, this work analyses the IV within the HIRHAM5. Therefore, atmospheric circulation parameters and the potential temperature for all four ensemble years are investigated. Similar to previous studies, the IV fluctuates strongly in time. Further, due to the fact that all ensemble members are forced with the same LBC, the IV depends on the vertical level within the troposphere, with high values in the lower troposphere and at 500 hPa and low values in the upper troposphere and at the surface. By the same reason, the spatial distribution shows low values of IV at the boundaries of the model domain. The diagnostic budget study for the IV tendency of potential temperature reveals that the seven contributions fluctuate in time like the IV. However, the individual terms reach different absolute magnitudes. The budget study identifies the horizontal and vertical ‘baroclinic’ terms as the main contributors to the IV tendency, with the horizontal ‘baroclinic’ term producing and the vertical ‘baroclinic’ term reducing the IV. The other terms fluctuate around zero, because they are small in general or are balanced due to the domain average. The comparison of the results obtained for the four different ensembles (summers 2006, 2007, 2009 and 2012) reveals that on average the findings for each ensemble are quite similar concerning the magnitude and the general pattern of IV and its contributions. However, near the surface a weaker IV is produced with decreasing sea ice extent. This is caused by a smaller impact of the horizontal 'baroclinic' term over some regions and by the changing diabatic processes, particularly a more intense reducing tendency of the IV due to condensative heating. However, it has to be emphasised that the behaviour of the IV and its dynamical and diabatic contributions are influenced mainly by complex atmospheric feedbacks and large-scale processes and not by the sea ice distribution. Additionally, a comparison with a second RCM covering the Arctic and using the same LBCs and IC is performed. For both models very similar results concerning the IV and its dynamical and diabatic contributions are found. Hence, this investigation leads to the conclusion that the IV is a natural phenomenon and is independent from the applied RCM. N2 - Das nicht-lineare Verhalten der atmosphärischen Dynamik ist noch immer nicht ausreichend verstanden und daher sind die Evaluierung und die Anwendung von regionalen Klimamodellen (RCM) schwierig. Aufgrund dieser Nicht-Linearitäten wird Chaos und modellinterne Variabilität (IV) in RCMs erzeugt, was zur Sensitivität der RCMs bezüglich ihrer Anfangsbedingungen führt. Die IV ist die Fähigkeit von RCMs, verschiedene Lösungen für Simulationen zu erzeugen, die sich in ihren Anfangsbedingungen unterschieden, aber die gleichen unteren und seitlichen Randbedingungen aufweisen. Daher kann die IV als die Spannweite zwischen den Ensemblemitgliedern definiert werden. Für die Untersuchung der IV und deren dynamische und diabatische Beiträge werden vier Ensembles mit dem atmosphärischen Regionalmodell HIRHAM5 erzeugt. Das Integrationsgebiet ist die Arktis und jedes Ensemble besteht aus 20 Ensemblemitgliedern. Die Ensembles umfassen den Zeitraum von Juli bis September für die Jahre 2006, 2007, 2009 und 2012. Die Mitglieder eines Ensembles haben alle die gleichen unteren und seitlichen Randbedingungen und unterscheiden sich nur in ihren Anfangsbedingungen. Die unterschiedlichen Anfangsbedingungen werden durch eine Verschiebung der Initialisierungszeit um jeweils 6 Stunden erzeugt. Innerhalb eines jeden Ensembles wird die erste Simulation am 1. Juli um 00 UTC gestartet und die letzte Simulation beginnt am 5. Juli um 18 UTC. Jede Simulation endet am 30. September. Um gleich lange Simulationen für die Auswertung zu gewährleisten, wird die Studie für den Zeitraum vom 6. Juli bis 30. September durchgeführt. Das Modell wird ohne Nudging betrieben, um jeder Simulation eine freie Entwicklung zu gewähren und damit die modellinterne Variabilität des HIRHAM5 vollständig zu erhalten. Als Maβ für die im Modell generierte IV wird die Standardabweichung und die Varianz zwischen den Ensemblemitgliedern bestimmt. Die die IV beeinflussenden dynamischen und diabatischen Prozesse werden mit Hilfe der diagnostischen Budgetstudie zur Berechnung der IV Tendenz der potentiellen Temperatur bestimmt. Diese diagnostische Budgetstudie wurde von Nikiema and Laprise [2010] und Nikiema and Laprise [2011] entwickelt und basiert auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik für die potentielle Temperatur und der Massenkontinuitätsgleichung. Aus der resultierenden Budgetgleichung können sieben Terme, die zu der Tendenz der potentiellen Temperatur beitragen, berechnet werden. In dieser Arbeit wird erstmalig die IV des HIRHAM5 analysiert. Dafür werden Parameter der atmosphärischen Zirkulation und die potentiellen Temperatur für alle vier Ensemblejahre analysiert. Wie auch frühere Studien zeigten, schwankt die IV stark mit der Zeit. Auβerdem wird eine vertikale Abhängigkeit der IV innerhalb der Troposphäre gefunden, mit hohen Werten in der unteren Troposphäre und in 500 hPa. Geringe Werte hingegen treten in der oberen Troposphäre und am Erdboden auf, da alle Ensemblemitglieder mit den gleichen Randbedingungen angetrieben werden. Daher zeigt auch die räumliche Verteilung niedrige IV Werte am Rand des Modellgebietes. Die diagnostische Budgetstudie für die IV Tendenz der potentiellen Temperatur verdeutlicht, dass die sieben Beiträge ebenfalls mit der Zeit schwanken wie die IV selbst. Jedoch erreichen die einzelnen Terme unterschiedliche Intensitäten. Mit Hilfe der Budgetstudie können der horizontale und vertikale 'Baroklinitätsterm' als die wichtigsten Beiträge zur Tendenz der IV ermittelt werden. Dabei trägt der horizontale 'Baroklinitätsterm' zur Produktion und der vertikale 'Baroklinitätsterm' zur Reduktion der IV bei. Die anderen Beiträge schwanken um Null, weil sie an sich klein oder aufgrund des Gebietsmittels ausbalanciert sind. Der Vergleich der Resultate für die Ensembles untereinander (Sommer 2006, 2007, 2009 und 2012) führt zu der Erkenntnis, das im Mittel die Ergebnisse für die IV und ihre Beiträge, die Gröβenordnung und die Muster betreffend, sehr ähnlich sind. Nur nahe der Erdoberfläche wird mit abnehmender Meereisausdehnung eine schwächere IV generiert. Dies ist bedingt durch einen geringeren Einfluss des horizontale 'Baroklinitätsterms' der in manchen Region auftritt sowie durch die sich ändernden diabatischen Prozesse (Tendenz zur intensiveren Reduktion der IV) aufgrund von Erwärmung durch Kondensation. Jedoch ist das Verhalten der IV und ihrer dynamischen und diabatischen Beiträge durch komplexe atmosphärische Rückkopplungen und groβskaligen Prozessen beeinflusst und nicht nur durch die Meereisverteilung. Des Weiteren wird ein Vergleich mit einem zweiten RCM durchgeführt. Dieses zweite RCM wird mit den selben unteren und seitlichen Randbedingungen und Anfangsbedingungen angetrieben wie das HIRHAM5. Für beide Modelle werden sehr ähnliche Ergebnisse für die IV und ihre dynamischen und diabatischen Beiträge gefunden. Daher führt die Untersuchung zu dem Schluss, dass die IV ein natürlichen Phänomen und damit unabhängig von dem verwendeten RCM ist. KW - internal variability KW - modellinterne Variabilitaet KW - regional climate model KW - regionales Klimamodell KW - ensemble simulations KW - Ensemblesimulationen KW - arctic KW - Arktis KW - budget study KW - Budgetstudie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-85347 ER -