The Indian Summer Monsoon is known to vary on intraseasonal, decadal, centennial and up to millennial time-scales during the past. Whereas shorter- term variability on subseasonal time-scales influences agricultural outcomes due to drought or flood conditions, longer-term dry conditions on centennial scale might be related to the downfall of the Indus Valley civilization around 4200 years ago (Dixit et al., 2014a). As nowadays more than 1 billion people live in India and the population is expected to increase throughout the 21st century to over 1.6 billion in 2100 (United Nations, 2015) knowledge about the drivers of dry and wet conditions on different timescales are of crucial importance. In a recent study Sinha et al. (2011a) hypothesized that abrupt changes in rainfall over India on centennial time-scales during the last Millennium are associated with active and break spells on the intraseasonal timescale. This thesis investigates in how far this hypothesis can be supported by analysing the Indian Summer Monsoon variability under past, recent and future climate conditions. A model chain consisting of a fully coupled Atmosphere-Ocean General Circulation Model (COSMOS), an Atmosphere- only General Circulation Model (ECHAM5) and a Regional Climate Model (COSMO- CLM) is used to analyse dry and wet periods of the on different time-scales. Before testing the hypothesis the models skill in representing observed intraseasonal features of the ISM is assessed. Even though with some limitations, results suggest that the RCM as well as the AGCM are able to capture main intraseasonal features of the ISM, e.g. the northward propagation. Additionally, COSMO-CLM is found to have positive skill in simulating observed dry and wet spells if driven by ERA-Interim at its lateral boundaries. Seasonal mean rainfall amounts over northeastern and central India are used to analyse in how far changes on the intraseasonal time scale contribute to longer-term variability of the ISM. This approach is motivated by the study from Sinha et al. (2011a) who found changes in rainfall with different signs in two proxies over northeastern and central India. Decadal to multi-decadal scale variability of the ISM is analysed in three time periods of the last Millennium: Medieval Climate Anomaly (800–1000), Little Ice Age (1515–1715) and Recent Climate (1800–2000). Results suggest that some part of the decadal to multi-decadal scale variability of the ISM can be attributed to changes on the intraseasonal time scale. Centennial scale variability during the Holocene is analysed using a transient simulation covering the past 6000 years. In contrast to results for the last Millennium, ISM variability in this simulation could not be linked to rainfall trends with different signs over northeastern and central India. Instead results suggest the importance of SSTs over the Indo-Pacific Warm Pool and northern Arabian Sea in steering long-term dry and wet conditions over India. Atmosphere-only climate model sensitivity experiments indicate that the ocean temperatures over the IPWP 5 cause a shift in the large-scale monsoonal circulation, whereas SSTs over the northern Arabian Sea are important in determining the moisture supply over this region. Results obtained by analysing future climate simulations suggest that only a part of the decadal-scale variability of the ISM could be related to changes in breaks and active spells similar to results obtained for the last Millennium. Overall, the work undertaken in this thesis gives greater insight into the steering mechanisms of ISM variability on longer-time scales, especially the role of changes of active and break spells on intraseasonal time scales. Furthermore, results should be considered for further proxy-based studies analysing long-term changes of the ISM for the proxy site selection to take into account teleconnections important for steering rainfall over India. Dixit, Y., Hodell, D. A. and Petrie, C. A. (2014a). Abrupt weakening of the summer monsoon in northwest India ∼4100 yr ago. Geologie, 42(4):339–342 United Nations (2015). World population prospects: The 2015 revision, key findings and advance tables. Department of Economic and Social Affairs, Population Division, United Nations, New York, USA Sinha, A., Berkelhammer, M., Stott, L., Mudelsee, M., Cheng, H., and Biswas, J. (2011a). The leading mode of Indian Summer Monsoon precipitation variability during the last millennium. Geophysical Research Letters, 38(15)
Der Indische Sommermonsun (ISM) variiert auf verschiedenen Zeitskalen: von intrasaisonal, dekadisch bis hin zu Zeiträumen von Jahrtausenden. Aktive und passive Phasen des indischen Monsuns innerhalb einer Saison haben starken Einfluss auf die Nahrungsmittelproduktion, wohingegen eine jahrhunderte lange trockene Periode vor ca. 4200 Jahren möglicherweise Einfluss auf den Niedergang der Indus Valley Civililzation hatte (Dixit et al., 2014a). Da heute bereits mehr als 1 Milliarde Menschen in dieser Region leben und prognostiziert wird, dass die indische Bevölkerung bis zum Ende des Jahrtausends bis auf über 1.6 Milliarden Menschen anwachsen wird (United Nations, 2015), ist ein Verständnis der für trockene und feuchte Phasen auf verschiedenen Zeitskalen verantwortlichen Mechanismen von größter Wichtigkeit. In einer Studie von Sinha et al. (2011a) wird die Hypothese aufgestellt, dass langfristige abrupte Änderungen des Indischen Monsuns im letzten Jahrtausend mit Veränderungen der Häufigkeit aktiver und passiver Phasen auf der intrasaisonalen Skala in Verbindung stehen. Diese Studie untersucht, inwiefern diese These für Modellsimulationen unter rezenten, paleo und zukünftigen Klimabedingungen bestätigt werden kann. Zur Untersuchung der Variabilität des ISM auf verschiedenen Zeitskalen wird eine Modellkette bestehend aus einem voll-gekoppelten Atmosphäre-Ozean Globalmodell (COSMOS), einen Atmosphären- Globalmodell (ECHAM5) und einem Regionalmodell (COSMO-CLM) verwendet. Zunächst werden das Atmosphären-Globalmodell und das Regionalmodell bezüglich ihrer Fähigkeit, intrasaisonale Eigenschaften des indischen Monsuns zu simulieren, untersucht. Die Ergebnisse suggerieren, dass trotz einiger Einschränkungen ECHAM5 sowie COSMO-CLM in der Lage sind intrasaisonale Eigenschaften des ISM, wie z.B. die Nordwärtsverlagerung des Niederschlags zu simulieren. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass das mit ERA-Interim Reanalysen angetriebene Regionalmodell COSMO-CLM in der Lage ist, trockene und feuchte Phasen innerhalb einer Saison zu simulieren. Um zu untersuchen, inwiefern Veränderungen der Häufigkeit trockener und feuchter Phasen innerhalb einer Saison zu langfristigen Änderungen des ISM beitragen, werden saisonale Niederschlagsmengen über Zentral- und Nordostindien verwendet. Dies ist motiviert durch die Studie von Sinha et al. (2011a), in der unterschiedliche Trends im Niederschlag in zwei Proxies über diesen beiden Regionen gefunden wurden. Untersuchungen der dekadisch bis multi-dekadische Variabilität im letzten Jahrtausend basieren auf Modellsimulationen für drei disjunkte Zeitepochen: Mittelalterliche Warmzeit (800-1000 AD), kleine Eiszeit (1515-1715 AD) sowie rezentes Klima (1800-2000 AD). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität auf diesen Zeitskalen teilweise mit veränderten Häufigkeiten von aktiver und passiver Phasen des ISM innerhalb einer Saison verbunden sind. Zur Untersuchung der längerfristigen Variabilität während der letzten 6000 Jahre wurde eine voll-gekoppelte transiente Globalmodellsimulation verwendet. Im Gegensatz zu den Ergebnissen für das vergangene Millennium sind trockene und feuchte Perioden in dieser Simulation nicht mit Veränderungen auf der intrasaisonalen Zeitskala erklärbar. Sensitivitätsexperimente suggerieren, dass Änderungen der Oberflächentemperaturen im Indo-Pacific Warm Pool (IPWP) sowie im nördlichem Arabischen Meer einen deutlich größeren Einfluss auf die langfristige Variabilität des ISM besitzen. Dies ist einerseits durch eine Verschiebung der großskaligen Monsunzirkulation und anderseits durch lokale Änderungen im Feuchteangebot zu erklären. Klimaprojektionen unter erhöhten Treibhausgaskonzentrationen suggerieren, dass dekadische bis multi-dekadische Variabilität des ISM im 21. Jahrhundert nur teilweise durch Veränderungen auf der intrasaisonalen Zeitskala erklärbar ist, ähnlich zu den Ergebnissen für das letzte Jahrtausend. Insgesamt geben die Ergebnisse aus dieser Studie neue Einblicke in die verantwortlichen Mechanismen für die langfristige Variabilität des ISM, im Besonderen für den Beitrag von aktiven und passiven Phasen auf intrasaisonaler Zeitskala. Die Ergebnisse sollten für die Auswahl von Regionen zukünftiger proxy basierter Studien verwendet werden, um die Telekonnektionen des Indischen Monsuns wie z.B. mit den Oberflächentemperaturen im IPWP zu berücksichtigen. Dixit, Y., Hodell, D. A. and Petrie, C. A. (2014a). Abrupt weakening of the summer monsoon in northwest India ∼4100 yr ago. Geologie, 42(4):339–342 United Nations (2015). World population prospects: The 2015 revision, key findings and advance tables. Department of Economic and Social Affairs, Population Division, United Nations, New York, USA Sinha, A., Berkelhammer, M., Stott, L., Mudelsee, M., Cheng, H., and Biswas, J. (2011a). The leading mode of Indian Summer Monsoon precipitation variability during the last millennium. Geophysical Research Letters, 38(15)
