Dependency of African precipitation on Sea Surface Temperature bias and variability patterns in the South Atlantic

Abstract

The lack of predictive skill of interannual African precipitation variability in coupled climate models has been associated with the mean state eastern boundary SST warm bias in the South Atlantic. Despite increased accuracy and computational power over the last decade, the bias could not be eliminated and precipitation variability of the African Sahel region remains erroneous. This study analyzes the ability of the coupled model MPI-ESM-HR to reproduce precipitation anomalies in dependency of the represented SST field in the South Atlantic. The study aims to clarify to what extent the SST bias deteriorates the teleconnection between South Atlantic SST and African precipitation, using additional model runs with increased resolution of oceanic or atmospheric model components. The analysis of upwelling dynamics along the eastern boundary of the South Atlantic shows, that the higher resolved spatial details of equatorward near shore winds stress prevent an erroneous southward intrusion of warm tropical water into the Benguela upwelling region, leading to a large reduction of the mean state SST bias and an improved interannual SST variability. The reduced SST bias in the Benguela upwelling region reduces the equatorial westerly wind bias and improves tropical moisture flux dynamics. However, interannual SST variability, which drives variations of precipitation over Africa, still produces opposing precipitation anomalies over West Africa. For this study, the performance of precipitation over Africa is analyzed with realistic temperature and salinity anomalies assimilated into the coupled climate model to study how the representation of precipitation variability is affected in the presence of the mean state SST bias. The analysis shows that the deteriorated teleconnection between SST and precipitation is related to an intensification of the southward shifted Intertropical Convergence Zone (ITCZ) representation due to the SST bias via a severe reduction of zonal winds in the tropical South Atlantic, resulting in nonreproducible Sahel precipitation variability without any coherence to interannual SST modes. The result suggests, that the SST bias generally enhances local precipitation signals via an enhanced atmospheric surface flux sensitivity to SST variations and induces local southeastward shifts of tropical moisture convergence. The SST bias, however, only intensifies the defective representation of the ITCZ due to reduced momentum fluxes over eastern tropical ocean basins in the atmospheric component of the climate model which prevents a pronounced impact of SST variations on monsoon rainfall in the Sahel region independent of the SST pattern in the South Atlantic.

Die mangelnde Vorhersagefähigkeit der interannualen afrikanischen Niederschlagsvariabilität in gekoppelten Klimamodellen wurde bisher mit der fehlerhaften Darstellung von mittleren Meeresoberflächentemperaturen (SST) entlang der östlichen Begrenzung des Südatlantiks in Verbindung gebracht. Trotz der enormen Verbesserungen von Genauigkeit und Rechenleistung im letzten Jahrzent konnte weder der SST-Fehler beseitigt noch die Niederschlagsvariabilität in der afrikanischen Sahelzone verbessert werden. In dieser Studie wird untersucht, inwieweit das gekoppelte Modell MPI-ESM-HR in der Lage ist, Niederschlagsanomalien in Abhängigkeit vom dargestellten SST-Feld im Südatlantik zu reproduzieren. Die Studie soll klären, inwieweit der SST-Fehler die Fernwirkung von SST im Südatlantik auf afrikanischen Niederschlag verschlechtert, indem zusätzliche Modellläufe mit höherer Auflösung der ozeanischen oder atmosphärischen Modellkomponenten durchgeführt werden. Die Analyse der Auftriebsdynamik entlang der östlichen Grenze des Südatlantiks zeigt, dass die höher aufgelösten räumlichen Details der äquatorwärtigen Winde ein fehlerhaftes Eindringen von warmem tropischem Wasser nach Süden in das Benguela-Auftriebsgebiet verhindern, was zu einer starken Verringerung des mittleren SST-Fehlers und einer verbesserten interannuellen SST-Variabilität führt. Der reduzierte SST-Fehler in dem Benguela-Auftriebsgebiet verbessert den westwärtigen Wind-Fehler am Äquator und verbessert die Dynamik der tropischen Feuchteflüsse. Die interannuelle SST-Variabilität, die für die Niederschlagsschwankungen über Afrika verantwortlich ist, führt jedoch immer noch zu gegensätzlichen Niederschlagsanomalien über Westafrika. In dieser Studie wird die Qualität reproduzierter Niederschlagsvariabilität über Afrika analysiert mittels eines gekoppelten Klimamodells, in das realistischen Temperatur- und Salzgehaltsanomalien assimiliert wurden, um zu untersuchen, wie die Darstellung der Niederschlagsvariabilität durch den mittleren SST-Fehler beeinflusst wird. Die Analyse zeigt, dass der SST-Fehler die zonalen Winde im tropischen Atlantik stark veringert und dadurch den Verschub der innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) nach Süden intensiviert und damit auch die Fernwirkung von SST auf den Niederschlag verschlechtert. Dies fürht zu einer nicht reproduzierbaren Niederschlagsvariabilität in der Sahelzone, die keinen Zusammenhang mit den interannuellen SST-Moden zeigt. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass der SST-Fehler im Allgemeinen die lokalen Niederschlagssignale durch eine erhöhte Empfindlichkeit der atmosphärischen Oberflächenflüsse gegenüber SST- Schwankungen verstärkt und lokal die Konvergenz von tropischen Feuchteflüssen nach Südosten verschiebt. Der SST-Fehler verstärkt jedoch nur die mangelhafte Darstellung der ITCZ, die aufgrund reduzierter Impulsflüsse über den östlichen tropischen Ozeanbecken in der atmosphärischen Komponente des Klimamodells entsteh und verhindert damit einen ausgeprägten Einfluss von SST-Variationen auf den Monsunregen in der Sahelzone unabhängig vom SST-Muster im Südatlantik.