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Gerlinde Jung

• The Volta Basin is a climate sensitive, semi-arid to sub-humid region in West Africa. Livelihood of the population is mainly dependent on agriculture and therefore highly vulnerable to rainfall variability and climate change. For an investigation of the impact of a possible global climate change to regional climate and surface, as well as sub-surface hydrology in the region of the Volta Basin, coupled regional climate-hydrology simulations were performed. Therefore, the mesoscale meteorological model MM5 was set up, fully coupled to a 1-dimensional SVAT (Soil Vegetation Atmosphere Transfer) model, to account for soil-atmosphere feedback mechanisms. After a validation was performed, MM5 was used as a regional climate model to simulated two 10-years time slices: 1991-2000 and 2030-2039. The emission scenario IS92a output of the global climate model ECHAM4 was downscaled dynamically, to a final resolution of 9km, for the Volta Basin. These regional climate simulations were then coupled toThe Volta Basin is a climate sensitive, semi-arid to sub-humid region in West Africa. Livelihood of the population is mainly dependent on agriculture and therefore highly vulnerable to rainfall variability and climate change. For an investigation of the impact of a possible global climate change to regional climate and surface, as well as sub-surface hydrology in the region of the Volta Basin, coupled regional climate-hydrology simulations were performed. Therefore, the mesoscale meteorological model MM5 was set up, fully coupled to a 1-dimensional SVAT (Soil Vegetation Atmosphere Transfer) model, to account for soil-atmosphere feedback mechanisms. After a validation was performed, MM5 was used as a regional climate model to simulated two 10-years time slices: 1991-2000 and 2030-2039. The emission scenario IS92a output of the global climate model ECHAM4 was downscaled dynamically, to a final resolution of 9km, for the Volta Basin. These regional climate simulations were then coupled to the physically based, distributed hydrological model WaSiM, after the calibration and adaptation of the hydrological model to the study region. A comparison the GCM output, as well as the RCM output for present-day climate simulation to observations showed a wet bias over the Sahel and a sufficient accuracy in temperature representation for the ECHAM4, present-day simulation (1961-1990). In the regional climate simulations, the displacement of the Inter Tropical Discontinuity (ITD) to the North at the beginning of the rainy season, as well as the displacement South, at the end occur too early. Rainfall also showed a negative deviation along the coast but a sufficient accuracy in the Volta Basin. The results of the MM5 and WaSiM simulations show an annual mean temperature increase by 1.2-1.3°C in West Africa and the Volta Basin. This temperature change significantly exceeds inter-annual variability. Mean annual precipitation increases for both, the sahelian and the coastal region of West Africa. Averaged over the region of the Volta Basin, this increase is about 5%. Only in the Sahel, the mean annual change signal exceeds simulated inter-annual variability. Spatially the increase is highly heterogeneous, reaching from -20% to +50%. A dipole pattern of rainfall variability in the Sahel and the Guinea Coast region was detected for June and July. An overall increase in precipitation was found for September, and a strong decrease for April. Causes for the rainfall variability were found in the dynamics of the Tropical Easterly Jet (TEJ), the African Easterly Jet (AEJ) and in the position of the ITD. For the Volta basin it is demonstrated, that the decrease in April at the beginning of the rainy season is not only connected to smaller rainfall amounts, but also to a delay in the onset of the rainy season. In addition, inter-annual variability in the Volta Basin increases in the early stage of the rainy season, while annual mean aridity in the Volta Basin does not change significantly. No significant changes in discharge follow the precipitation decrease at the onset of the rainy season. During the rainy season, most of the surplus rainfall evaporates, due to the increase in potential evaporation, as a consequence of higher near surface air temperatures. The study demonstrates the ability of the coupled modelling system to reasonably simulate West African climate and hydrology conditions. For the selected scenario and time slices, the change signal in precipitation, as well as surface and subsurface hydrology variables lies with few exceptions, within the range of inter-annual variability, whereas temperature shows a clear increase.…
• Das Volta Becken ist eine klimasensitive, semi-aride bis sub-humide Region in West Afrika. Der wichtigste Wirtschaftsfaktor ist die Landwirtschaft. Demnach sind die Lebensbedingungen der Bevölkerung stark von der Variabilität des Niederschlags und von Klimaänderungen abhängig. Um den Einfluß einer globalen Klimaänderung auf das regionale Klima und die Hydrologie des Volta Beckens zu untersuchen, wurden gekoppelte regionale Klima-Hydrologiesimulationen durchgeführt. Dabei wurde das mesoskalige meteorologische Modell MM5 verwendet. Nach einer durchgeführten Modellvalidierung wurde MM5 als regionales Klimamodell eingesetzt um zwei Zeitscheiben von je 10 Jahren zu berechnen: 1991-2000 und 2030-2039. Dabei wurde Output des globalen Klimamodells (GCM) ECHAM4 (Szenario: IS92a) dynamisch bis auf eine Auflösung von 9 km für die Region des Volta Beckens herunterskaliert. Nach der Kalibrierung des physikalisch basierten, flächendifferenzierten hydrologischen Modells WaSiM und dessen Anpassung anDas Volta Becken ist eine klimasensitive, semi-aride bis sub-humide Region in West Afrika. Der wichtigste Wirtschaftsfaktor ist die Landwirtschaft. Demnach sind die Lebensbedingungen der Bevölkerung stark von der Variabilität des Niederschlags und von Klimaänderungen abhängig. Um den Einfluß einer globalen Klimaänderung auf das regionale Klima und die Hydrologie des Volta Beckens zu untersuchen, wurden gekoppelte regionale Klima-Hydrologiesimulationen durchgeführt. Dabei wurde das mesoskalige meteorologische Modell MM5 verwendet. Nach einer durchgeführten Modellvalidierung wurde MM5 als regionales Klimamodell eingesetzt um zwei Zeitscheiben von je 10 Jahren zu berechnen: 1991-2000 und 2030-2039. Dabei wurde Output des globalen Klimamodells (GCM) ECHAM4 (Szenario: IS92a) dynamisch bis auf eine Auflösung von 9 km für die Region des Volta Beckens herunterskaliert. Nach der Kalibrierung des physikalisch basierten, flächendifferenzierten hydrologischen Modells WaSiM und dessen Anpassung an das Untersuchungsgebiet, wurde dieses an die regionalen Klimasimulationen gekoppelt. Bei einem Vergleich, sowohl des GCM, als auch des RCM Outputs für das Jetztzeitklima mit Beobachtungen war der Sahel zu niederschlagsreich. Die Temperatur der ECHAM4 Simulation zeigte eine ausreichende Genauigkeit. Die Verlagerung der Innertropischen Diskontinuität (ITD) geschah in den regionalen Klimasimulationen sowohl zu Beginn der Regenzeit nach Norden, als auch am Ende der Regenzeit nach Süden, zu schnell. Der simulierte Niederschlag zeigte, verglichen mit langjährigen Beobachtungen einen negativen Bias im Küstenbereich, jedoch eine ausreichende Genauigkeit im Volta Becken. Die Ergebnisse der MM5 und WaSiM Simulationen zeigen einen mittleren jährlichen Temperaturanstieg von 1.2-1.3°C in West Afrika und dem Volta Becken. Diese Temperaturänderung übersteigt die interannuelle Variabilität deutlich. Der mittlere Jahresniederschlag für sowohl den Sahel als auch die Küstenregion nimmt zu. Im Mittel über das Volta Becken liegt diese Zunahme bei 5%. Nur im Sahel übersteigt das mittlere jährliche Änderungssignal die simulierte inerannuelle Variabilität. Räumlich ist die Niederschlagsänderung sehr heterogen mit Werten zwischen -20% und +50%. Im Juni und Juli wurde ein Dipolmuster der Niederschlagsvariabilität im Sahel und der Küstenregion ermittelt. Der September zeigt einen generellen Anstieg des Niederschlags im gesamten Gebiet, der April dagegen eine starke Abnahme. Erklärungsansätze für die Niederschlagsvariabilität finden sich in der Dynamik des Tropical Easterly Jet (TEJ), des African Easterly Jet (AEJ) und in der Lage der ITD. Für das Volta Becken wurde gezeigt, dass die Niederschlagsabnahme im April, zu Beginn der Regenzeit, nicht nur mit geringeren Niederschlagsmengen im Zusammenhang steht, sondern auch mit einem verspäteten Eintreten der Regenzeit. Zusätzlich nimmt die interanuelle Variabilität im Volta Becken in der ersten Phase der Regenzeit zu, während die Aridität im Jahresmittel keine signifikante Änderung aufweist. Der Niederschlagsabnahme im April folgen keine signifikanten Änderungen im Abfluss. Aufgrund der Zunahme der potentiellen Verdunstung durch die Temperaturzunahme, geht während der Regenzeit der Hauptanteil des zusätzlichen Niederschlags, als Verdunstung verloren. Diese Untersuchung demonstriert die Eignung des gekoppelten Modellsystems das Klima und die Hydrologie in West Afrika angemessen abzubilden. Für das ausgewählte Szenario und die ausgewählten Zeitscheiben liegt das Klimaänderungssignal sowohl im Niederschlag, als auch in den hydrologischen Variablen mit wenigen Ausnahmen im Bereich der interanuellen Variabilität. Dagegen zeigt die Temperatur eine klare Zunahme.…