Analysis of stable water isotopes in tropospheric moisture during the West African Monsoon

Der westafrikanische Monsun ist einer der markantesten Bestandteile des Klimas über Westafrika. Er ist die Hauptquelle für Regen über der semi-ariden Sahelzone und hat damit einen entscheidenden Einfluss auf die Sozioökonomie dieser Regionen, die großteils auf Landwirtschaft angewiesen sind. Allerdings stellt das komplexe Zusammenspiel der großräumigen Zirkulation mit kleinskaligen Wolken- und Regenprozessen eine große Herausforderung dar, die atmosphärischen Zweige des Wasserkreislaufs während des Monsuns verlässlich zu quantifizieren.
Der Fokus der zugrundeliegenden Arbeit liegt daher auf der Analyse von troposphärischem Wasserdampf und seiner Einflussfaktoren während des westafrikanischen Monsuns. ... mehrFür diesen Zweck werden Verteilungen der Wasserdampfisotopologe H$_2$O and HDO (standardmäßig als $\delta$D angegeben) gemeinsam betrachtet, da diese fundamentale Rückschlüsse über Feuchtepfade und -prozesse ermöglichen.
In einem dreistufigen Konzept nutzt diese Arbeit beobachtungs- und modellgestützte {H$_2$O, $\delta$D} Verteilungen zur Analyse von Effekten von Transport- und Feuchteprozessen im Zusammenhang mit dem Monsun. Im ersten Schritt wird ein neuartiger Datensatz von troposphärischen {H$_2$O, $\delta$D}-Paaren auf der Basis von globalen and täglichen Fernerkundungsdaten des Satellitensensors Metop/IASI erzeugt. Um Isotopendaten aus Modellanalysen mit diesem neuen Datensatz vergleichbar zu machen, wird ein sogenannter Retrieval Simulator entwickelt. Der zweite Schritt zielt auf eine modellgestützte Prozessanalyse unter Verwendung von Luftmassen-Trajektorien, um eine aussagekräftige Interpretation von {H$_2$O, $\delta$D}-Verteilungen zu ermöglichen. Darauf aufbauend wird im dritten Schritt eine umfangreiche und mehrskalige Analyse der IASI {H$_2$O, $\delta$D}-Verteilungen über der Sahelzone mit Fokus auf den Monsun durchgeführt. Dies beinhaltet Simulationen mit den numerischen Wettermodellen ICON-ART$_\mathrm{iso}$ und COSMO$_\mathrm{iso}$ sowie Niederschlagsbeobachtungen von der NASA (GPM IMERG). Die Synthese dieser Datensätze und Methoden ermöglicht, charakteristische {H$_2$O, $\delta$D}-Signale über der Sahelzone zu identifizieren und diese auf eindeutige Effekte der Luftmassenmischung und mikrophysikalischen Prozesse wie Kondensation, Verdunstung und Äquilibrierung von Regentropfen zurückzuführen.
Insgesamt verdeutlicht diese Studie das Potential von {H$_2$O, $\delta$D}-Verteilungen von IASI zusammen mit hoch aufgelösten Modellrechnungen sowie detaillierten Prozessanalysen zur Untersuchung des troposphärischen Feuchtebudgets. Damit unterstreicht diese Arbeit den grundsätzlichen Wert der Wasserdampfisotopologie für die Analyse des hydrologischen Kreislaufs.

The West African Monsoon (WAM) is one of the most prominent atmospheric features of the West African climate. It represents the main source of rainfall over the semi-arid Sahel zone and thus has a crucial impact on the socio-economics of these regions, which primarily rely on agriculture. However, the complex interaction of large-scale circulation and microphysical rain and cloud processes poses a substantial challenge to reliably quantify the atmospheric branches of the hydrological cycle during the WAM.
This thesis aims to promote the understanding of the variability of tropospheric water vapor and its control mechanisms over the Sahel during the monsoon period. ... mehrThis is achieved by jointly studying abundances of the stable water isotopologues H$_2$O and HDO (denoted as standardized ratio product $\delta$D), as these contain fundamental information about moisture pathways and processes.
In a three-step concept, this thesis exploits observational and model-based {H$_2$O, $\delta$D} pair distributions for identifying effects of transport and moisture processes associated with the WAM. The first step includes the generation of a novel, global and daily dataset of tropospheric {H$_2$O, $\delta$D} pairs based on remote sensing measurements from the satellite sensor Metop/IASI. For making data from isotope-enabled models comparable to these remotely sensed results, a so-called retrieval simulator is developed. As second step, a model-based framework using Lagrangian trajectory information is built for allowing meaningful interpretations of {H$_2$O, $\delta$D} pairs over the Sahel. Based on this framework, the third step performs an extensive and multi-scale analysis of IASI {H$_2$O, $\delta$D} pairs over the Sahel. This includes various simulations from the isotope-enabled models ICON-ART$_\mathrm{iso}$ and COSMO$_\mathrm{iso}$ as well as additional rainfall data from GPM IMERG. This synthesis allows to identify characteristic {H$_2$O, $\delta$D} signals during the WAM and to attribute those to clear effects of air mass mixing and microphysical processes such as condensation, evaporation and equilibration of rain drops.
Overall, this study reveals the potential of using {H$_2$O, $\delta$D} pair data from IASI together with high-resolution modeling and process attribution methods for investigating the tropospheric moisture budget and its dominant control mechanisms. Such a joint analysis holds great promise for evaluating and improving numerical weather and climate models in the long run. Ultimately, this thesis underlines the general potential of isotopic analyses to study the hydrological cycle.