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Main Title: Atmospheric moisture transport and dynamic precipitation controls on the Tibetan Plateau
Translated Title: Atmosphärischer Wassertransport und dynamische Kontrollfaktoren des Niederschlags auf dem Tibetischen Plateau
Author(s): Curio, Julia
Advisor(s): Scherer, Dieter Ernst
Referee(s): Scherer, Dieter Ernst
Bendix, Jörg
Schneider, Christoph
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11823
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10713
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: The Tibetan Plateau (TP) is the origin of many large Asian rivers, which provide water resources for large regions in south and east Asia. Therefore, the water cycle on the TP and adjacent high mountain ranges, in particular the precipitation distribution and variability play an important role for the water availability for billions of people in the downstream regions of the TP. The respective influence of the Indian and East Asian summer monsoon on TP precipitation and regional water resources, together with the detection of moisture transport pathways and source regions are the subject of recent research. The aim of this thesis is to gain a better understanding of the spatial and temporal precipitation variability on the TP. In order to do so we examine the moisture transport to and on the TP, analyse the underlying processes leading to enhancement or suppression of precipitation, and examine how those processes are affected by the mid-latitude westerlies and the monsoon system. A newly developed high-resolution dataset, the High Asia Refined analysis (HAR), is used to examine atmospheric water transport (AWT) and dynamical factors that influence precipitation variability in the TP region. The HAR is the result of dynamically downscaling an operational analysis. Due to the higher spatial and temporal resolution of the HAR, it better represents the complex topography of the TP and surrounding high mountain ranges than coarse-resolution data sets like reanalyses, thereby reducing precipitation biases. Analysing the AWT, we focus on spatiotemporal patterns, vertical distribution and transport through the TP boundaries. The results show that the mid-latitude westerlies have a higher share in summertime AWT over the TP than assumed so far. High mountain valleys in the Himalayas facilitate AWT from the south, whereas the high mountain regions inhibit AWT to a large extent and limit the influence of the Indian summer monsoon. Our results show that 36.86.3% of the atmospheric moisture needed for precipitation comes from outside the TP, while the remaining 63.2% is provided by local moisture recycling. We use monthly correlations of selected dynamic variables with the precipitation to analyse what controls precipitation variability on the TP and in the surrounding high mountain regions. The selected variables, called dynamic precipitation controls, are the wind speed at 300 hPa wind and the wind speed 2 km above ground, the vertical wind speed at 300 hPa, the vertically integrated atmospheric water transport, and the height of the planetary boundary layer. We focus on the seasonality and the spatial variability of the relationship between dynamic controls and precipitation. Results show that different controls have different effects on precipitation in different regions and seasons. For example, the 300 hPa wind speed has a positive effect in the western parts of the study region in winter and spring, while it has a negative effect on precipitation on the TP in summer by cutting off deep convection. The positive correlation of AWT with precipitation is higher in winter at the high mountain ranges in the western part of the study region, than in summer on the central TP. This result shows that on the central TP the strong convection in summer is able to produce precipitation with the moisture available from local sources, emphasising the importance of moisture recycling. Those results illustrate that the effect of dynamic controls on precipitation variability depends mainly on the dominant type of precipitation, i.e. convective or frontal/cyclonic precipitation. This thesis shows that the impact of the midlatitude westerlies on precipitation variability on the TP is strong, not only in winter, by enhancing moisture advection for orographic and frontal precipitation in the western parts of the study region but also in summer by cutting off deep convection on the TP and in other regions and seasons where and when precipitation is mainly convective. Additionally, the westerlies deliver more moisture to the TP in summer than assumed so far.
Das Tibetische Plateau (TP) ist der Ursprung vieler großer asiatischer Flüsse, die große Gebiete in Süd- und Ostasien mit Wasser versorgen. Daher spielen der Wasserkreislauf auf dem TP und in den angrenzenden Hochgebirgen, insbesondere die Niederschlagsverteilung und -variabilität, eine wichtige Rolle für die Wasserverfügbarkeit für Milliarden von Menschen in den dem TP nachgelagerten Regionen. Der jeweilige Einfluss des indischen und ostasiatischen Sommermonsuns auf TP-Niederschläge und regionale Wasserressourcen sowie die Identifizierung von Feuchtigkeitstransportwegen und Quellregionen sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Ziel dieser Arbeit ist es, die räumliche und zeitliche Niederschlagsvariabilität auf dem TP besser zu verstehen. Zu diesem Zweck untersuchen wir den Feuchtigkeitstransport zum und auf dem TP, analysieren die zugrunde liegenden Prozesse, die zu einer Verstärkung oder Abschwächung des Niederschlags führen, und untersuchen, wie diese Prozesse durch die Westwinde der mittleren Breiten und das Monsunsystem beeinflusst werden. Ein neu entwickelter hochauflösender Datensatz, die High Asia Refined Analysis (HAR), wird verwendet, um den atmosphärischen Wassertransport (AWT) und dynamische Faktoren zu untersuchen, die die Niederschlagsvariabilität in der TP-Region beeinflussen. Die HAR ist das Ergebnis des dynamischen Downscaling einer operationellen Analyse. Aufgrund der höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung der HAR wird die komplexe Topographie des TP und der umgebenden Hochgebirgsräume besser dargestellt als bei grob aufgelösten Datensätzen wie Reanalysen, wodurch systematische Niederschlagsfehler reduziert werden. Bei der Analyse des AWT konzentrieren wir uns auf die raumzeitlichen Muster, die vertikale Verteilung und den Transport durch die TP-Grenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Westwinde der mittleren Breiten einen höheren Anteil am Sommer-AWT haben als bisher angenommen. Hochgebirgstäler im Himalaya begünstigen den AWT aus dem Süden, während die Hochgebirgsregionen den AWT weitgehend hemmen und den Einfluss des indischen Sommermonsuns begrenzen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass 36,8±6,3% der für den Niederschlag benötigten Luftfeuchtigkeit von außerhalb des TP stammen, während die restlichen 63,2% durch lokales Feuchtigkeitsrecycling bereitgestellt werden. Wir verwenden monatliche Korrelationen ausgewählter dynamischer Variablen mit dem Niederschlag, um zu analysieren, wie die Niederschlagsvariabilität auf dem TP und in den umgebenden Hochgebirgsregionen gesteuert wird. Die ausgewählten Variablen, die als dynamische Kontrollfaktoren des Niederschlags bezeichnet werden, sind die Windgeschwindigkeit in 300hPa und die Windgeschwindigkeit 2km über dem Boden, die vertikale Windgeschwindigkeit in 300hPa, der vertikal integrierte atmosphärische Wassertransport und die Höhe der planetaren Grenzschicht. Wir konzentrieren uns auf die Saisonalität und die räumliche Variabilität des Zusammenhangs zwischen den dynamischen Kontrollfaktoren und dem Niederschlag. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Kontrollfaktoren in verschiedenen Regionen und Jahreszeiten unterschiedliche Auswirkungen auf den Niederschlag haben. Beispielsweise wirkt sich die Windgeschwindigkeit in 300hPa im Winter und Frühling im Westen des Untersuchungsgebiets positiv auf den Niederschlag aus, während sie sich im Sommer negativ auf die Niederschläge auf dem TP auswirkt, indem sie die Tiefenkonvektion unterbricht. Die positive Korrelation von AWT mit dem Niederschlag ist im Winter in den Hochgebirgsräumen im westlichen Teil der Untersuchungsregion höher als im Sommer auf dem zentralen TP. Dieses Ergebnis zeigt, dass die starke Konvektion auf dem zentralen TP im Sommer in der Lage ist Niederschlag mit der aus lokalen Quellen verfügbaren Feuchtigkeit zu erzeugen, was die Bedeutung des Feuchtigkeitsrecyclings unterstreicht. Diese Ergebnisse veranschaulichen, dass die Wirkung dynamischer Kontrollfaktoren auf die Niederschlagsvariabilität hauptsächlich von der vorherrschenden Art des Niederschlags abhängig ist, d. h. konvektiver oder frontaler/zyklonaler Niederschlag. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Westwinde der mittleren Breiten einen großen Einfluss auf die Niederschlagsvariabilität auf dem TP haben. Dieser Einfluss ist nicht nur im Winter sichtbar durch die Verstärkung der Feuchteadvektion für den orografischen und frontalen Niederschlag im Westen des Untersuchungsgebiets, sondern auch im Sommer durch die Kappung der Tiefenkonvektion auf dem TP und in anderen Regionen und Jahreszeiten in denen der Niederschlag hauptsächlich konvektiv ist. Zusätzlich transportieren die Westwinde im Sommer mehr Feuchtigkeit auf das TP als bisher angenommen.
Subject(s): Tibetan Plateau
atmospheric moisture transport
precipitation variability
water cycle
monsoon
mid-latitude westerlies
Tibetisches Hochland
atmosphärischer Wassertransport
Niederschlagsvariabilität
Wasserkreislauf
Monsun
Westwinde der mittleren Breiten
Issue Date: 2020
Date Available: 17-Dec-2020
Exam Date: 17-Feb-2020
Has Part: 10.14279/depositonce-11746
10.14279/depositonce-11747
Language Code: en
DDC Class: 551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Sponsor/Funder: BMBF, 03G084A, Variability and Trends in Benchmark Drainage Basins on the Tibetan Plateau (WET)
TU Affiliation(s): Fak. 6 Planen Bauen Umwelt » Inst. Ökologie » FG Klimatologie
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