Rainfall Variability and Trends over the Greater Horn of Africa

Am erweiterten Horn von Afrika (engl. “Greater Horn of Africa”, GHA) gibt es eine hohe Jahr-zu-Jahr Variabilität der saisonalen Niederschläge, die sich häufig in Dürre- und Überschwemmungsereignissen äußert. Darüber hinaus können zukünftige Veränderungen der Niederschläge über dem GHA das Potenzial haben, negative sozioökonomische Entwicklungen zu begünstigen. Daher ist ein Verständnis der atmosphärischen und ozeanischen Wechselwirkungen, wie z.B. der gekoppelten Ozean-Atmosphären-Modi im Indischen und Pazifischen Ozean, und ihres Einflußes auf die Muster der saisonalen Niederschlagsvariabilität wesentlich für die Abschätzung zukünftiger Veränderungen und die Festlegung geeigneter Anpassungsstrategien. ... mehrZiel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Beschreibung und zum Verständnis der saisonalen und interannuellen Variabilität des Niederschlags über dem GHA zu leisten.
Das GHA befindet sich in den äquatorialen Breitengraden, ist jedoch vom Rest des afrikanischen Kontinents durch zwei Bergmassive abgetrennt, welche das Wetter und Klima der Region erheblich beeinflussen. Die komplexe Topographie und einige der größten Seen der Welt tragen zu einer Vielzahl von lokalen Niederschlagsklimaten bei. Da die Berge den Einfluss westlicher Winde aus dem feuchten Kongobecken reduzieren, sind vor allem die östlichen Tiefländer meist trocken mit zwei unterschiedlichen Regenzeiten im borealen Frühjahr und Herbst. Im Nordwesten und Süden des GHA verschmelzen die beiden Regenzeiten zu einer, die ungefähr von Juni bis September bzw. Oktober bis April dauert.
In den letzten Jahrzehnten wiesen die verschiedenen Regenzeiten unterschiedliche Trends auf. Vor allem die Niederschläge in der borealen Frühjahrssaison, die historisch gesehen die wichtigste landwirtschaftliche Saison ist, sind seit Ende der 1990er Jahre abrupt zurückgegangen. Theorien, die versuchen, diesen Rückgang zu erklären, reichen von Wechselwirkungen mit regionalen Zirkulationsmustern, wie der verstärkten Erwärmung des nahe gelegenen Indischen Ozeans und der Wüsten, bis hin zu globalen Verschiebungen der tropischen Zirkulation, die in der dekadischen Variabilität des Pazifischen Ozeans eingebettet sind. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, die verschiedenen Faktoren der Klimavariabilität des Niederschlags in den verschiedenen Regenzeiten zu entwirren und herauszufinden, wie sie die Wanderung des tropischen Regenbands (engl. “Tropical Rain Band”, TRB) verändern. Der Ansatz konzentriert sich auf die Frage, ob die beobachteten negativen Niederschlagstrends durch eine allgemeine Verringerung der Feuchtigkeit oder durch Veränderungen in der Wanderung des TRB verursacht wurden.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine neuartige und flexible Definition der Regenzeiten vorgestellt, um die Niederschlagssaisonalität, den Beginn, das Ende und die Dauer der Regenzeiten, sowie die dazugehörigen Unsicherheiten aus den Niederschlagszeitreihen zu ermitteln. Dieser Ansatz ermöglicht es, zusammenhängende Teile der Region mit einer vergleichbaren Saisonalität abzugrenzen und Trends der jeweiligen Regenzeiten zu quantifizieren. Die Definition wird auf das satellitengestützte Produkt “Climate Hazards InfraRed Precipitation with Stations” (CHIRPS) und auf einen umfangreichen Satz bodengestützter Messungen aus der “Karlsruhe African Surface Station Database” (KASS-D) angewandt. Die Ergebnisse zeigen eine starke Übereinstimmung mit der bekannten saisonalen Dynamik in der Region und den üblicherweise verwendeten kalendarischen Dreimonatsperioden. Im Vergleich zu den letztgenannten Einteilungen ergibt sich ein Mehrwert durch den neuartigen Ansatz, da er auch lokale Niederschlagsmerkmale erfasst und Auswertungen über die Grenzen der Niederschlagssaisonalität hinweg erleichtert. Die Trendanalyse zeigt einen Feuchtetrend im Zentralsudan und in West- und Nordost-Äthiopien für die boreale Sommersaison sowie in Ost- und Südost-Äthiopien, Somalia und Nordkenia für die boreale Herbstsaison. Ein Trocken- trend ist in Tansania und der Demokratischen Republik Kongo festzustellen. Beide Arten von Trends sind regional mit Veränderungen der Endzeitpunkte der Regenzeit verbunden. CHIRPS- und Stationstrends stimmen in den meisten Fällen innerhalb des GHA überein, unterscheiden sich jedoch in Küsten- und topographisch komplexen Regionen, sowie Regionen mit einer instabilen Niederschlagssaisonalität.
Im zweiten Teil werden die interannuellen Variationen des saisonalen Zyklus des TRB unter Verwendung zweier statistischer Indizes analysiert. Der “Seasonal Location Index” (SLI) ist ein kontinuierlicher Index, der mit Hilfe einer Hauptkomponentenanalyse die saisonale Wanderung des TRB in Verbindung mit täglichen Niederschlagsmustern darstellt. Der “Rainfall Cluster Index” (RCI) ist ein diskreter Index, der den saisonalen Zyklus als eine Abfolge von sechs charakteristischen Niederschlagsmustern beschreibt, die durch eine Clusteranalyse definiert werden. In Kombination erfassen beide Indizes den vollständigen saisonalen Zyklus des TRB, was die Interpretation der zwischenjährlichen Schwankungen und Trends unterstützt. Zwei Regenzeiten, die “Msimu”-Regenzeit im Dezember–März und die “Long Rains” im März–Mai, werden im Detail analysiert, um charakteristische Zirkulationsmuster und potenzielle Korrelationen zu großräumigen Antriebsmechanismen zu identifizieren. Die Msimu-Regenzeit wird von zwei Mustern mit entgegengesetzten Niederschlagscharakteristiken zwischen dem Kongobecken und Tansania dominiert. Die damit verbundenen Zirkulationsanomalien im Feuchtefluss und in der Divergenz deuten auf Variationen in der Lage des TRB hin, die aus einem Wechselspiel zwischen unteren Luftströmungen aus dem Atlantischen und Indischen Ozean sowie tropischen und subtropischen Wechselwirkungen entstehen. Die Analyse für den April, dem Monat mit den stärksten Niederschlägen der Long Rains, zeigt eine komplexe Zusammensetzung von fünf Niederschlagsmustern, die eng mit der intraseasonalen und interannuellen Variabilität der Positionen des TRB, insbesondere entlang der Breitengrade, verbunden ist. Eine dauerhafte Lage des TRB in Äquatornähe, die sich in einer hohen Anzahl von Tagen in der Nähe des mehrjährigen mittleren SLI-Wertes äußert, ist mit feuchten Bedingungen über dem äquatorialen Ostafrika verbunden. Diese Bedingungen gehen mit dem häufigen Auftreten eines bestimmten Musters einher, welches mit einer erhöhten Meeresoberflächentemperatur in der Arabischen See und einer verminderten Walker-Zirkulation zusammenhängt. Trockene Long Rains sind mit starken und häufigen Schwankungen der TRB-Position entlang der Breitengrade assoziiert, die teilweise auf tropisch-extratropische Wechselwirkungen in beiden Hemisphären zurückzuführen sind. Die relativen Verhältnisse der vorkommenden Muster deuten auf ein spätes Einsetzen und unterbrochene Regenperioden hin. Die Ergebnisse und Verbindungen zu den verschiedenen Antriebsmechanismen bieten neue Möglichkeiten, die Variabilität und Trends der letzten Dekaden in der GHA-Region zu verstehen.

The Greater Horn of Africa (GHA) experiences a high interannual variability of seasonal rainfall, which frequently manifests itself in drought and flood events. In addition, future changes of rainfall over the GHA may have the potential for initiating negative socioeconomic developments. Therefore, an understanding of atmospheric and oceanic interactions like e.g., coupled ocean-atmosphere modes in the Indian and Pacific Oceans, and their influence on patterns of the seasonal rainfall variability is essential for estimating future changes and establishing appropriate adaptation strategies. ... mehrThe aim of this work is to contribute to the description and understanding of the seasonal and interannual variability of rainfall over the GHA.
The GHA is located in the equatorial latitudes but it is mostly separated from the rest of the African continent by two mountainous massifs that considerably influence the weather and climate of the region. The complex topography and some of the world’s largest lakes contribute to a multitude of local rainfall climates. However, since the mountains reduce the intrusions of westerly winds from the moist Congo Basin, particularly the eastern lowlands are mostly arid with two distinct rainy seasons during boreal spring and autumn. In the northwest and south of the GHA, the two seasons merge into one lasting approximately from June to September and October to April, respectively.
In recent decades, the different rainy seasons exhibited diverging trends. Particularly, rainfall in the boreal spring season, which has historically been the primary agricultural season, has been declining abruptly since the late 1990s. Theories trying to explain this decline range from interactions with regional circulation features, like enhanced warming of the nearby Indian Ocean and deserts, to global shifts of the tropical circulation embedded in the decadal variability of the Pacific Ocean. The current work attempts to disentangle the various factors of rainfall climate variability in the different rainy seasons and how they alter the migration of the tropical rain band (TRB). The approach is centered around the question, whether the observed negative rainfall trends were driven by an overall reduction of moisture or by changes in the migration of the TRB.
In the first part of this work, a novel and flexible rainy season definition is introduced in order to identify the rainfall seasonality, the onset, cessation and duration of the rainy seasons, and the associated uncertainties from rainfall time series. This approach enables to delimit coherent parts of the region with a comparable seasonality and to quantify trends of the respective rainy seasons. The definition is applied to the Climate Hazards InfraRed Precipitation with Stations (CHIRPS) satellite-based product and to an extensive set of ground-based measurements from the Karlsruhe African Surface Station Database (KASS-D). The results demonstrate a strong agreement with known seasonal dynamics in the region and the commonly used calendric 3-month periods. Compared to the latter definitions, an added value is found for the novel approach, since it also captures local rainfall features and facilitates evaluations across rainfall seasonality borders. The trend analysis shows a wetting trend in central Sudan and western and northeastern Ethiopia for the boreal summer season as well as in eastern and southeastern Ethiopia, Somalia and northern Kenya for the boreal autumn season. A drying trend in Tanzania and the Democratic Republic of Congo can be detected. Both kinds of trends are regionally associated with changes in rainy season cessation.
CHIRPS and station trends mostly agree across the GHA but differ in coastal and topographically complex regions and regions with an unstable rainfall seasonality.
In the second part, interannual variations of the seasonal cycle of the TRB are analyzed using two statistical indices. The Seasonal Location Index (SLI) is a continuous index that extracts the seasonal migration of the TRB associated with daily rainfall patterns using a principal component analysis. The Rainfall Cluster Index (RCI) is a discrete index that describes the seasonal cycle as a succession of six characteristic rainfall patterns defined through a cluster analysis. In combination, both indices capture the full seasonal cycle of the TRB supporting interpretations of the interannual variations and trends. Two rainy seasons, the Msimu Rains in December–March and the Long Rains in March–May, are analyzed in detail in order to identify characteristic circulation patterns and potential correlations to large-scale forcing mechanisms. The Msimu Rains are dominated by two patterns with opposite rainfall characteristics between the Congo Basin and Tanzania. The associated circulation anomalies in moisture flux and divergence indicate variations in the location of the TRB originating from an interplay between low-level air flows from the Atlantic and Indian Oceans, and tropical and subtropical teleconnections. The peak month April of the Long Rains shows a complex composition of five patterns, which is tightly connected to intraseasonal and interannual variability of latitudinal locations of the TRB. A persistent location of the TRB near the equator, evidenced in a high number of days near the multi-year mean SLI-value, is associated with wet conditions over equatorial East Africa. These conditions go along with frequent occurrence of a pattern related to increased sea surface temperature in the nearby Arabian Sea and an anomalously weak Walker circulation. Dry Long Rains are associated with strong and frequent latitudinal variations of the TRB position partly related to tropical-extratropical interactions in both hemispheres. The composition of patterns indicates a late onset and intermittent rainfall. The results and links to the various forcing mechanisms offer new opportunities to understand recent variability and trends in the GHA region.