Die MiKlip-PROMISA (engl.: “Process Evaluation of the MiKlip Decadal Forecast System in Tropical Africa”) Studiengebiete sind die Regionen des Westafrikanische Monsuns (WAM) und das Horn von Afrika (GHA). Beide Regionen weisen große Variationen in den 1- bis 10-jährigen Niederschlagsmengen, und die bekannten Dürrejahrzehnte im Sahel in den 1970er und 1980er Jahren (Rodríguez-Fonseca et al., 2015) sowie der nahezu komplette Ausfall zweier aufeinanderfolgenden Regenzeiten am GHA, waren ein großer klimatischer Schock, wie die daraus resultierende humanitären Krise in Somalia in 2011 bezeugt (FEWS NET, 2011). Aktuelle Beobachtungen und Modellsimulationen zeigten außerdem, dass die "lange Regenzeit" (von März bis Mai) im Trend immer trockener wird (Yang et al., 2014). Diese 1-bis 10-jährigen Variationen in den Niederschlagsmengen des tropischen Afrika stehen oft in Verbindung mit Temperaturanomalien in angrenzenden und entfernten Ozeanbecken.

Zielsetzung des Projekts

Die Evaluierung der Vorhersagegüte von Experimenten mit neuen Versionen des dekadischen MiKlip Vorhersagesystems für das tropische Afrika ist von großer Bedeutung. Die Diagnose atmosphärischer Prozesse in älteren Versionen des Vorhersagesystems hat Defizite aufgezeigt. Weiterhin wurden aufgrund von systematischen Modellfehlern im Klimagrundzustand Fernwirkungen (Telekonnexionen) zwischen Klimaindizes und dem WAM nicht richtig simuliert. In diesem Kontext ist es Ziel des PROMISA-Arbeitspaketes, erweiterte Evaluationsmetriken für solche atmosphärischen Prozesse und Telekonnexionen zu entwickeln, welche die interannuale und dekadische Niederschlagsvariabilität in Westafrika und am Horn von Afrika maßgeblich bestimmen. Für diese Evaluierung werden auch im Rahmen von MiKlip nachprozessierte, d.h. um systematische Fehler korrigierte, “Nachhersagen” herangezogen. Weiterhin sollen die dekadischen “Nachhersagen” von Modellexperimenten anderer internationaler Modelliergruppen geprüft werden. 

Struktur des Projekts

PROMISA gehört zum Modul E und wird am Institut für Meteorologie und Klimaforschung am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt.

Aufgabenstellung des Projekts

Die konkreten Aufgaben in PROMISA umfassen:

1. die Untersuchung und Identifikation von großskaligen Einflussmechanismen auf die interannuale und dekadische Variabilität der Niederschläge über den WAM-Gebieten und am Horn von Afrika,
2. die Entwicklung neuer Metriken für atmosphärische Prozesse und Telekonnexionen, welche die Niederschlagsvariabilität in West- und in Ostafrika bestimmen,
3. Nachprozessierung der Nachhersageensemble von MiKlip und anderer dekadischer Vorhersagesysteme unter Nutzung des MiKlip-eigenen “Central Evaluation System (CES)”,
4. Einpflegen neuer, qualitätskontrollierter täglicher Niederschlagsdaten von Stationen in West- und Ostafrika in das CES,
5. Ableitung von Wahrscheinlichkeitsvorhersagen für Dürren und Überschwemmungen unter Nutzung geeigneter Indizes und Telekonnexionen und
6. Vergleich und Evaluierung von Model-zu-Model und Experiment-zu-Experiment Veränderungen in den Telekonnexionen und Prozessen.

Erwartete Ergebnisse

Das Arbeitspaket PROMISA wird zur Modell- und Nachhersagevalidierung zusätzliche wertvolle Niederschlagsdaten aus West- und Ostafrika in das CES einpflegen. Dies gilt ebenso für Workflows zur Prozessdiagnostik und Telekonnexionsanalyse. Schließlich wird die Güte der dekadischen Nachhersagen des MiKlip Systems quantitativ abgeschätzt.

Evaluierung mit preop-HR

Die MiKlip II-Experimente “preop” und “baseline 1” wurden evaluiert im Bezug auf ihre Fähigkeit, die beobachteten jahresübergreifenden bis hin zu dekadischen Telekonnektionen der Niederschlagsunterschiede in der Region des Horns von Afrika darzustellen. Für diese Analyse wurden die führenden Jahre +1 jeder Initialisierung aneinandergehängt um die monatliche Meeresoberflächentemperatur (SST) sowie die Niederschlagszeitreihe für den Zeitraum 1961 bis 2013 zu erhalten. Generell produziert “preop-HR” exzellente Vorhersagen des räumlichen Musters für die beobachtete pazifische dekadische Oszillation (PDO) im führenden Jahr +1. Obwohl die beobachtete prozentuale Variation wie beschrieben in EOF1 moderat in beiden Experimenten, “preop” und “baseline 1”, repräsentiert wird, erscheint dieVorhersagbarkeit von PDO-verknüpften Telekonnektionsmustern über der Tropenregion nur schwach in “preop-LR” und “baseline 1-LR”. ENSO-abgeleitete jahresübergreifende Niederschlagstelekonnektionen illustrieren, dass die Vorhersagegüte der dekadischen MiKlip-Hindcasts typischerweise sehrgering ausfällt. Dennoch zeigt “baseline 1” gegenüber “preop” eine bessere Übereinstimmungsgüte für ENSO-Telekonnektionen über Australasien. Hinzu kommt, dass der Niederschlagsindex über dem äthiopischen Hochland in Beziehung mit SST-Anomalien in den tropischen Ozeanen steht. Insgesamt besitzen die dekadischen MiKlip-Hindcasts nur über relativ geringe bis gar keine Vorhersagegüte für die Niederschlagsvorhersage über West- und Ostafrika. Es sind weitere Evaluierungen mit den kommenden “preop-CMIP6”-Hindcasts, und den nachbearbeiteten (unter Verwendung des “recalibration”-Plug-Ins) “preop-CMIP5”- und “preop-CMIP6”-Hindcasts geplant, um sie nach Verbesserungen in der Vorhersagegüte zu untersuchen.

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Referenzen 

FEWS NET (2011), Past year one of the driest on record in the eastern Horn, Famine Early Warning System Network Report, June 14, 2011, U.S. Agency for International Development, Washington, D.C.

Yang, W., Seager, R., Cane, M. A., and Lyon, B.: The East African long rains in observations and models, J. Climate, 27, 7185–7202, 2014.

Rodríguez-Fonseca et al. 2015: Variability and predictability of West African droughts: A review of the role of sea surface temperature anomalies. J. Climate, 28, no. 10, 4034-4060, doi:10.1175/JCLI-D-14-00130.1.