Modelling the Asian Paleo-hydroclimatic Variability

Abstract

Using a multi-proxy and multi-model approach, this study aims to unravel the characteristics of modern- and palaeo-hydroclimatic variability over Asia. This is designed on different time-scales and diverse geographically distributed regions in Asia. Special emphasis is given to extreme hydro- meteorological events (e.g., mega-droughts). The main focus of this investigation is on climatically sensitive regions of Asia (e.g., monsoon- dominated and westerly-dominated regions). The combination of different model and proxy data leads to an enhanced understanding of the controlling mechanisms of the Asian climate dynamics. In this thesis, palaeoclimate simulations of different time-slices are carried out for selected time periods. The main focus lies in global and regional model simulations, as well as the sensitivity tests using these models. In a first step, existing global simulations for the past 1,000 years are analyzed, concentrating on dynamics of Asian monsoon and Westerlies, and on climate modes like El Niño Southern Oscillation (ENSO), Pacific North Atlantic Oscillation (PNA) and North Atlantic Oscillation (NAO) and their tele-connections with the Asian climate. In this regard, two Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase III (PMIP3) / Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) climate model ensemble simulations of the past millennium have been analyzed to identify the occurrence of Asian mega-droughts. The Palmer Drought Severity Index (PDSI) is used as the key metric for the data comparison of hydro-climatological conditions. The model results are compared with the proxy data of the Monsoon Asia Drought Atlas (MADA). This study shows that Global Circulation Models (GCMs) are capable to capture the majority of historically recorded Asian monsoon failures at the right time and with a comparable spatial distribution. The simulations indicate that ENSO-like events lead in most cases to these droughts. Both, model simulations and proxy reconstructions, point to less monsoon failures during the Little Ice Age. During historic mega-droughts of the past millennium, the monsoon convection tends to assume a preferred regime described as "break" event in Asian monsoon. This particular regime is coincident with a notable weakening in Pacific Trade winds and Somali Jet. The interesting periods that are run and analyzed include extreme rainfall anomalies within the Medieval Climate Anomaly (MCA) and the Little Ice Age (LIA). The generated model data are compared with the recently published paleo-data derived from different archives. The global simulations served as boundary conditions for regional climate and its transition from one climate period to another (e.g. from MCA to LIA). For the selected climatic periods typical circulation anomalies responsible for changes in regional climate and the physical mechanisms driving them are identified. Additional sensitivity simulations are carried out with and without Tibetan Plateau to investigate and compare the existing hypotheses on the behavior of Asian summer monsoon due to plateau forcing. The analysis of sensitivity experiments point out to the signicant impacts of Plateau forcing on the atmosphere-ocean tele- connections. It is shown that, in addition to the direct feedbacks of Tibetan Plateau orography on the climate of Asia, such as sensible heat pumping and thermal insulation, other signicant processes exist, which link the Asian summer monsoon to the sea surface temperatures in the North Atlantic Ocean. A removal of the Tibetan Plateau modifiees the wind-driven ocean circulations over the North Atlantic, leading to a decrease of surface heat advection over the North Atlantic Ocean and a decrease of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. This, in turn, affects via teleconnections both the monsoon rainfall and the position of the intertropical convergence zone. A climate modelling approach is presented to reproduce the rainfall patterns over Iran due to the climatic forcings during the past 6,000 years. The selected periods are simulated using a spatially high-resolved atmosphere General Circulation Model (GCM). The results show that the winter rainfall patterns over Iran have changed due to the changes in solar insolation to a wetter condition starting around 3,000 yr BP and reaching its maximum during the Medieval Climate Anomaly ca. 1,000 yr BP. The rainfall variability can be explained by the changes in the climate energy balance as a result of changing incoming solar irradiance based on the Milankovitch theory. A shift in the earth energy balance leads to the modulation of the West Asian Subtropical Westerly Jet (WASWJ). The investigations support the hypothesis that during the Holocene a northward shift in the WASWJ contributes to the less cyclonic activities over Iran. This brings less moisture into the region during the winter.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakteristika der rezenten und historischen hydroklimatischen Variabilität in Asien zu untersuchen. Dazu wird ein Multi- Proxy und Multi-Modell-Ansatz verwendet unter Betrachtung verschiedener Zeitskalen, als auch verschiedener Regionen in Asien. Der besondere Fokus liegt auf extremen hydrometeorologischen Ereignissen (z.B. Mega-Droughts) und der Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei auf klimatisch sensiblen Regionen Asiens (z.B. Monsun-dominierte und Westwind-dominierte Regionen). Für ein besseres Verständnis der Klimadynamik im asiatischen Raum ist die Kombination verschiedener Modelle sowie Proxy-Daten notwendig. In dieser Arbeit werden Paläoklimasimulationen verschiedener Zeitscheiben für ausgewählte Zeiträume durchgeführt. Der Schwerpunkt liegt auf globalen und regionalen Modellsimulationen, sowie auf Sensitivitätstests unter Verwendung dieser Modelle. Im ersten Schritt werden bestehende globale Simulationen für die letzten 1.000 Jahre analysiert. Der Fokus liegt dabei auf der Dynamik des asiatischen Monsuns und der Westerlies sowie auf Telekonnektionsmustern wie El Niño Southern Oscillation (ENSO), Pacific Nordatlantische Oszillation (PNA), Nordatlantischeszillation (NAO) und deren Verbindungen mit dem asiatischen Klima. In diesem Zusammenhang wurden zwei Klimamodell Ensemble-Simulationen des vergangenen Jahrtausends (Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase III (PMIP3)/ Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5)) analysiert, um das Auftreten extremer asiatischen Dürren (Mega-Droughts) zu identifizieren. Der Palmer Drought Severity Index (PDSI) wird verwendet, um die hydro-klimatischen Bedingungen in den verschiedenen Modellläufen zu vergleichen. Die Modellergebnisse werden mit den Proxy-Daten des Monsoon Asian Drought Atlas (MADA) verglichen. Diese Studie zeigt, dass globale Zirkulationsmodelle (GCMs) in der Lage sind, die Mehrheit der historisch aufgezeichneten asiatischen Monsun-Breaks zur richtigen Zeit und mit einer vergleichbaren räumlichen Verteilung zu erfassen. Die Simulationen zeigen, dass ENSO-ähnliche Ereignisse in den meisten Fällen auf diese Dürren folgen. Sowohl Modellsimulationen als auch Proxy-Rekonstruktionen zeigen weniger Monsun-Breaks während der Kleinen Eiszeit. Während der historischen Mega- Droughts des letzten Jahrtausends wird ein Regime bevorzugt, in dem die Konvektion des Monsuns stark reduziert ist. Dieses Regime wird als Break-Phase bezeichnet. Diese besondere Regelung fällt mit einer bemerkenswerten Abschwächung der Pazifischen Passatwinde und des Somali-Jets zusammen. Es werden vier Perioden simuliert und ausgewertet, jeweils zwei innerhalb der Medieval Climate Anomaly (MCA) und der Kleinen Eiszeit. Die erzeugten Modelldaten werden mit Paläo-Daten aus verschiedenen Proxies verglichen. Die globalen Simulationen dienen als Randbedingungen für regionale Klimasimulationen und zur Untersuchung des Übergangs zwischen zwei Klimaperioden (z.B. von MCA zu LIA). Für die ausgewählten Klimaperioden wurden anhand typischer Zirkulationsanomalien physikalische Mechanismen identifiziert, die den regionalen Klimawandel erklären. In zusätzlichen Sensitivitätsstudien, in denen das Hochland von Tibet in der Simualtion entfernt wurde, werden die bestehenden Hypothesen bezüglich des Einflusses des Plateaus auf den asiatischen Sommermonsun untersucht. Die Analysen der Sensitivitätsexperimente zeigen wesentliche Auswirkungen des Plateaus auf Telekonnektionen zwischen Atmosphäre und Ozean. Es wird gezeigt, dass neben den direkten Auswirkungen der tibetischen Orographie auf das asiatische Klima, wie Sensible Heat Pumping und Thermal Insulation, weitere wichtige Prozesse auftreten, die den asiatischen Sommermonsun mit den Meeresoberflächentemperaturen im Nordatlantikozean verbinden. Die Reduktion der Höhe des tibetischen Plateaus in der Simulation modifiziert die windgetriebenen Meereszirkulationen über dem Nordatlantik, was zu einer Abnahme der Wärmeadvektion an der Meeresoberfläche im Nordatlantik und eine Abschwächung der Ozeanzirkulation im Atlantik führt. Dies wiederum wirkt sich über Telekonnektionen sowohl auf die Monsunregenfälle als auch auf die Position der innertropischen Konvergenzzone aus. Des weiteren wird ein Ansatz vorgestellt, um anhand der klimatischen Antriebe der letzten 6.000 Jahre die Niederschlagsverteilungen im Iran zu reproduzieren. Die ausgewählten Perioden werden unter Verwendung eines räumlich hochaufgelösten atmosphärischen globalen Zirkulationsmodell (GCM) simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Winterniederschlagsmuster über dem Iran ab etwa 3.,000 Jahren aufgrund der Veränderungen der Sonneneinstrahlung hin zu einem feuchteren Zustand geändert und während MCA vor ca. 1.000 Jahren das Maximum erreicht haben. Die Niederschlagsvariabilität kann durch die Veränderungen der Energiebilanz als Folge der Änderung der eingehenden solaren Strahlung auf Grundlage der Milankovitch-Theorie erklärt werden. Eine Verschiebung in der Energiebilanz der Erde führt zur Modulation des Westasian Subtropical Westerly Jets (WASWJ). Die Untersuchungen stützen die Hypothese, dass während des Holozäns eine Nordwärtsverschiebung des WASWJ zu einer Reduktion der Zyklonenaktivität über dem Iran führt. Das führt wiederum im Winter zu einer Reduktion der Feuchtigkeit in der Region.