Estimating errors and uncertainties of precipitation in regional climate simulations over southern Africa: investigation of physical processes

Abstract

The climate of southern Africa is characterized by a plethora of distinct permanent and semi permanent atmospheric features that are interconnected at various levels of complexity, both over land and over the two adjacent oceans. The current Thesis aims to provide a comprehensive overview of the modeled and observed precipitation climatology over southern Africa, in all tools that are currently available in the climate community. Additionally, it aims to investigate the impact that the lateral boundary conditions exert on Regional Climate Model (RCM) simulations performed in the context of CORDEX-Africa, and to further investigate the dynamical processes over the study region that are responsible for precipitation in the CORDEX-Africa ensemble. Lastly, a series of RCM simulations using the Weather Research and Forecasting (WRF) model is used, with the purpose to examine the impact of cumulus parameterization schemes on precipitation over southern Africa.It is concluded that RCM simulations significantly improve monthly precipitation amounts in thesouthern African region (CORDEX-0.44), relative to Global Climate Models (GCMs) from which they receive lateral boundary conditions (CMIP5). Moreover, the higher spatial resolution of the CORDEX-Africa ensemble allows the more accurate representation of topography, compared to that in the coarse resolution GCMs. This results to the low-tropospheric moisture inflow from the tropical Indian Ocean being correctly blocked by the mountains over the Tanzania region and hindering it from progressing towards the central southern African region, as is erroneously the case in the CMIP5 ensemble. In all months and for the various subregions considered, the regional models systematically reduce the precipitation bias, relative to the driving global models. Sensitivity experiments were performed using the WRF model, examining the impact of the cumulus parameterization scheme on several aspects of the southern Africa precipitation regime. The simulations showed that precipitation is significantly affected by the cumulus parameterization scheme and the results were consistent regardless of the study period. More specifically, the Betts - Miller – Janjic and New - Tiedtke schemes produced the more realistic results (compared to satellite precipitation products and the ERA5 reanalysis dataset) for the entire study period (rainy season 2012-2013), but also for the intense precipitation event examined during January 2013, over south-eastern South Africa. The Kain - Fritsch scheme displayed an overestimation of precipitation throughout the study period.

Το κλίμα της νότιας Αφρικής χαρακτηρίζεται από μια πληθώρα μόνιμων και ημιμόνιμων ατμοσφαιρικών χαρακτηριστικών που συνδέονται μεταξύ τους σε διάφορα επίπεδα πολυπλοκότητας, τόσο στην ξηρά όσο και στους δύο γειτνιάζοντες ωκεανούς. Η παρούσα Διατριβή στοχεύει στο να προσφέρει μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της μοντελοποιημένης και παρατηρούμενης κλιματολογίας βροχοπτώσεων στη νότια Αφρική, αξιοποιώντας όλα τα εργαλεία που είναι επί του παρόντος διαθέσιμα στην κλιματική κοινότητα. Επιπλέον, στοχεύει στη διερεύνηση της επίδρασης που ασκούν οι πλευρικές οριακές συνθήκες στις προσομοιώσεις Περιοχικών Κλιματικών Μοντέλων που πραγματοποιούνται στο πλαίσιο του CORDEX-Africa. Επιπρόσθετα, αποσκοπεί στη διερεύνηση των δυναμικών διεργασιών στην περιοχή μελέτης που είναι υπεύθυνες για τη δημιουργία βροχόπτωσης στο σύνολο του σμήνους προσομοιώσεων του CORDEX-Africa. Τέλος, πραγματοποιείται μια σειρά προσομοιώσεων με χρήση του Weather Research and Forecasting μοντέλου (WRF), με σκοπό να εξεταστεί ο αντίκτυπος των σχημάτων παραμετροποίησης της ανωμεταφοράς στις διαδικασίες της βροχόπτωσης στη νότια Αφρική.Συμπεραίνεται πως οι περιοχικές κλιματικές προσομοιώσεις βελτιώνουν σημαντικά τα μηνιαία ποσά βροχοπτώσεων στην περιοχή της νότιας Αφρικής (CORDEX-0.44), σε σχέση με τα Παγκόσμια Κλιματικά Μοντέλα από τα οποία λαμβάνουν πλευρικές οριακές συνθήκες (CMIP5). Επιπλέον, η υψηλότερη χωρική ανάλυση του συνόλου του σμήνους προσομοιώσεων CORDEX-Africa επιτρέπει την ακριβέστερη αναπαράσταση της τοπογραφίας, σε σύγκριση με αυτή που πραγματοποιείται από τα Παγκόσμια Κλιματικά Μοντέλα αδρής χωρικής ανάλυσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η εισροή υγρασίας στα χαμηλά ύψη της τροπόσφαιρας προερχόμενη από τον τροπικό Ινδικό Ωκεανό να εμποδίζεται ορθώς από τα βουνά στην περιοχή της Τανζανίας και να μην της επιτρέπεται να προχωρήσει προς την περιοχή της κεντρικής νότιας Αφρικής, όπως λανθασμένα συμβαίνει στο σμήνος προσομοιώσεων CMIP5. Σε όλους τους μήνες, και για τις διάφορες υποπεριοχές που εξετάζονται, τα Περιοχικά Κλιματικά Μοντέλα μειώνουν συστηματικά το σφάλμα της βροχόπτωσης, σε σχέση με τα Παγκόσμια Κλιματικά Μοντέλα που τα οδηγούν.Τα πειράματα ευαισθησίας πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το μοντέλο WRF, εξετάζοντας την επίδραση του σχήματος παραμετροποίησης που ελέγχει τις διαδικασίες ανωμεταφοράς σε διάφορα χαρακτηριστικά που αφορούν τη βροχόπτωση στη νότια Αφρική. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι η βροχόπτωση επηρεάζεται σημαντικά από το σχήμα παραμετροποίησης της ανωμεταφοράς και τα αποτελέσματα ήταν συνεπή ανεξάρτητα από την περίοδο μελέτης. Πιο συγκεκριμένα, τα σχήματα Betts - Miller - Janjic και New - Tiedtke παρήγαγαν τα πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα (σε σύγκριση με τα χρησιμοποιούμενα δορυφορικά προϊόντα βροχόπτωσης και τα δεδομένα επανάλυσης ERA5) για ολόκληρη την περίοδο μελέτης. Το σχήμα Kain - Fritsch εμφάνισε συστηματική υπερεκτίμηση της βροχόπτωσης καθ' όλη την περίοδο μελέτης.