South Asian summer monsoon variability: a modelling study with the atmospheric regional climate model HIRHAM5

Variabilität des Südasiatischen Sommermonsuns: eine Modellstudie mit dem regionalen Atmosphärenmodell HIRHAM5

  • 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 theThe 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.show moreshow less
  • 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 vonDas 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Franziska Stefanie HanfORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89331
Advisor:Klaus Dethloff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2016/03/24
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/02/17
Release Date:2016/03/24
Tag:Aerosole; Budgetstudien; Indien; Monsun-Unterbrechungen; Südasiatischen Sommermonsun
South Asian summer monsoon; aerosols; model tuning; moist static energy; monsoon breaks; regional climate model
Pagenumber:ii, 126
RVK - Regensburg Classification:UT 1080, UT 6220, UT 8850
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik
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