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The climate of tropical and northern Africa - a statistical-dynamical analysis of the key factors in climate variability and the role of human activity in future climate change,

Heiko Paeth

The climate of tropical and northern Africa
 - a statistical-dynamical analysis of the key
 factors in climate variability and the role of
 human activity in future climate change

Bonner Meteorologische Abhandlungen Nr. 61


                                   
Abstract
The present study is dedicated to the causes of climate variability and change in Africa. In recent
decades, the subsaharian part of West Africa has experienced a remarkable drought tendency,
leading to a general deterioration of life conditions. An improved knowledge and prediction of
African climate is a prerequisite for appropriate political and agricultural plannings. A large
quantity of observational data sets as well as global and regional climate model simulations are
taken into account in order to evaluate the relative importance of natural and anthropogenic
factors in the climate system. The overall aim is to provide a fairly realistic prediction of future

African climate conditions under enhanced radiative forcing and ongoing land degradation.
For this purpose, a dynamical downscaling approach with a high-resolution regional climate
model is undertaken and a number of adequate statistical methods are applied. The regional
climate model performs well over the African continent. Especially, the complex atmospheric
dynamics are realistically reproduced. Some deficiencies in the simulation of subsaharan precipitation
are successfully corrected by a statistical model.
Long-term climate changes, partly until the end of the 21st century, are inferred from global
and regional climate model simulations with various prescribed forcings. Different global climate
models do not draw a homogeneous picture of the response of African precipitation to
an enhanced greenhouse effect. A variety of sensitivity studies with the regional climate model
highlight the outstanding role of land degradation in slowing down the hydrological cycle over
tropical Africa. This is partly compensated partly amplified by increasing greenhouse-gas concentrations,
which mainly act through oceanic heating in the low latitudes. Atmospheric aerosols
over Africa, primarily from biomass burning, may cause a further reduction in rainfall in the
equatorial region. At the same time, tropical Africa may warm up by partly more than 4◦C
within less than 25 years due to changes in the energy fluxes from land surface. The large-scale
monsoon circulation is less affected by the considered forcings. A slight intensification of the
summer monsoon flow is predicted. Warm temperature extremes increase significantly, while extreme
rain events predominantly become less intensive. Reduced vegetation cover and enhanced
atmospheric aerosol burden play an important role in extreme value changes.
There is evidence that land use changes may be a more relevant player in near-future African
climate change than enhanced radiative forcing. Therefore, realistic estimates of future African
climate call for combined scenarios of man-made land cover changes and emissions of greenhouse
gases as well as aerosols.



                                Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit widmet sich den Auslösern von Klimaschwankungen und KlimaÀnderungen
in Afrika. Seit einigen Jahrzehnten unterliegt insbesondere das subsaharische Westafrika
einem bemerkenswerten DÃŒrretrend, welcher zu einer deutlichen Verschlechterung der Lebensbedingungen
gefÃŒhrt hat. Eine verbesserte Kenntnis und Vorhersage des afrikanischen Klimas
bildet eine wesentliche Voraussetzung fÃŒr zweckmÀßige politische und landwirtschaftliche Planungen.
Die vorliegende Studie greift auf eine breite Datenbasis von Beobachtungsdaten und
globalen sowie regionalen Klimamodelldaten zurÃŒck und zielt darauf ab, die relative Bedeutung
der natÃŒrlichen und anthropogenen Faktoren im Klimasystem zu evaluieren. Das ÃŒbergeordnete
Ziel besteht darin, eine möglichst realistische Vorhersage der zukÌnftigen Klimabedingungen in
Afrika unter Vorgabe eines verstÀrkten Strahlungsantriebes und fortschreitender Landdegradation
zu generieren.
Zu diesem Zweck wird ein hochauflösendes regionales Klimamodell implementiert und geeignete
statistische Verfahren angewandt. Das regionale Klimamodell erweist sich als zuverlÀssig, wobei
vor allem die komplexe atmosphÀrische Zirkulation sehr realistisch wiedergegeben wird. Das
Modell besitzt einige Defizite beim subsaharischen Niederschlag, die sich jedoch mit Hilfe eines
statistischen Modelles korrigieren lassen.
LÀngerfristige KlimaÀnderungen, teils bis zum Ende des 21. Jahrhunderts, werden aus globalen
und regionalen Klimamodellsimulationen mit verschiedenen vorgeschriebenen Antriebsmechanismen
abgeleitet. Bei den globalen Modellen zeichnen sich deutliche Unterschiede bei den
treibhausgasinduzierten Niederschlagsanomalien ab. Eine Auswahl von SensitivitÀtsstudien mit
dem regionalen Klimamodell verdeutlicht die herausragende Rolle der Landdegradation, die
eine AbschwÀchung des hydrologischen Zyklus Ìber dem tropischen Afrika bewirkt. Dies wird
durch steigende Treibhausgaskonzentrationen, die vor allem Ìber eine ErwÀrmung der tropischen
Ozeane Einfluß nehmen, teilweise kompensiert und teilweise verstÀrkt. Erhöhte Aerosolkonzentrationen
aus der Biomasseverbrennung könnten die negativen Niederschlagsanomalien weiter
verschÀrfen. Gleichzeitig erwÀrmt sich das tropische Afrika durch verÀnderte EnergieflÌsse
ÃŒber den Landmassen bodennah um stellenweise ÃŒber 4◦C innerhalb von nur 25 Jahren. Die
großrÀumige Zirkulation wird kaum in Mitleidenschaft gezogen. Allenfalls eine leichte Intensivierung
der Monsunzirkulation wird vorhergesagt. Warme Temperaturextreme nehmen signifikant
zu, wohingegen sich extreme Niederschlagsereignisse in den meisten Regionen abschwÀchen.
Bei den ExtremwertverÀnderungen spielen eine reduzierte Vegetationbedeckung und eine erhöhte
Aerosolkonzentration eine maßgebliche Rolle.
Die vorliegende Analyse legt nahe, dass den LandnutzungsÀnderungen bei den bevorstehenden
Klimaanomalien in Afrika eine größere Bedeutung zukommt als einem verstÀrkten Strahlungsantrieb.
Deshalb ist es fÌr eine realistische AbschÀtzung des zukÌnftigen Klimas unabdingbar,
kombinierte Szenarien mit allen klimarelevanten AktivitÀten des Menschen zu berÌcksichtigen.




                                        Résumé

Cette étude est dédiée aux déclencheurs de la variabilité et du changement climatique en Afrique.
Depuis 40 ans, l’Afrique sous-saharienne, en particulier, a soubi une tendance de sécheresse
remarquable qui a causé une dégradation générale des conditions vitales. Une meilleure connaissance
et prévision du climat africain est une précondition essentielle pour des planifications
politiques et agraires convenables. Ici, une quantité de données observées et simulées par des
modÚles globaux et régionaux est considerées afin d’évaluer l’importance relative des facteurs
climatiques naturels et anthropogÚnes. Le but principal consiste dans une prévision largement
réaliste du climat future en Afrique sous des concentrations de gaz carboniques augmentées et
und sous une exploitation des terres continuante.
Pour ce raison, un modÚle régional à haute résolution est établi et des méthodes statistiques
appropriées sont appliquées. Ce modÚle régional montre des résultats réalistes sur l’Afrique,
surtout par rapport à la circulation atmosphérique complexe. Un déficit du modÚle concerne la
précipitation sous-sahélienne ce qui est corrigé avec succÚs par un modÚle statistique.
Le changement climatique à long terme, en partie jusqu’à la fin du 21e siÚcle, est déduit des simulations
globales et régionales en utilisant des forcages différents préscrits. Les modÚles globaux
ne montrent pas une image homogÚne de la réponse pluviale aux gaz carboniques croissants. Les
études de sensibilité avec le modÚle régional soulignent nettement l’influence de la dégradation
terrestre qui provoque une diminuation du cycle hydrologique en Afrique tropicale. Cet effet
est en partie compensé en partie renforcé par une augmentation des gaz carboniques qui, de
premier plan, agissent par un rechauffement de l’ocean dans les basses latitudes. Les aérosols
atmosphériques sur l’Afrique, qui avant tout prennent source dans la combustion de la biomasse,
auront probablement un effet aggravant sur la disponibilité d’eau douce dans la zone équatoriale.
En mˆeme temps, la terre se réchauffe par endroits de plus de 4◦C en moins que 25 ans, ce qui est
du au changement des flux de chaleur terrestres. La circulation à grande échelle n’est guÚre saisi
par les forcages considerés, sauf une faible intensification de la mousson d’été. Les extremes
climatiques soubissent une fortification par rapport à la canicule mais un affaiblissement par
rapport à la précipitation journaliÚre. La réduction de la couche végétale et l’augmentation des
aérosols jouent un role principale dans le changement des extremes.
Cette étude suggÚre que l’exploitation des terres représente un facteur plus important dans le
future climate africain que les gaz carboniques croissants, au moins durant les décades à venir.
Afin d’effectuer une prévision réaliste du climat africain, il est donc indispensable de créer des
scénarios intégrés qui incluent le changement de la surface terrestre en meme temps que le forcage
par gaz carboniques et aérosols.

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