Universität zu Köln

Böhm, Christoph ORCID: 0000-0001-8712-3318 (2020). Atmospheric water supply to the Atacama Desert from newly developed satellite remote sensing techniques and reanalysis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Many facets of atmospheric water supply to the Atacama Desert are poorly understood. However, in-depth knowledge regarding water availability, moisture sources and the underlying mechanisms is required to investigate biological and geological processes and to identify potential mutual relationships. This thesis provides a comprehensive meteorological perspective on the atmospheric water supply to the Atacama Desert within the context of the recent climate. Spatial and temporal variability of moisture as well as their controlling mechanisms depend on the type of water supply, i.e. clouds, water vapor, fog or precipitation. To investigate the influence of the persistent stratocumulus cloud deck above the southeast Pacific on the desert region, a new cloud base height retrieval method is introduced. It allows to estimate the vertical position of these clouds, which can help to identify regions within the coastal desert that are potentially influenced by these clouds. A first application of this new method revealed a strong relation between stratocumulus properties and the isotopic composition of coastal Tillandsia populations. The proximity of the Atacama Desert to main acting zones of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon and of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) together with results from previous studies suggest that modes of climate variability have strong influence on the moisture supply to this region. As oscillating extreme phases of these climate modes have recurring periods on the order of a few years to decades, a long data record is needed to study their impact. Therefore, spatio-temporal variability of integrated water vapor (IWV) provided by a century-spanning reanalysis data set is studied in relation to ENSO and PDO. It is shown that the reanalysis represents IWV in a suitable manner to study its long-term variability. On a decadal time scale, the PDO revealed a stronger coupling to IWV compared to ENSO. According to a seasonal analysis, identified relationships between ENSO and IWV are in line with findings reported for precipitation in the northeastern Atacama. This suggests that IWV has the potential to serve as a proxy for precipitation. The ENSO signal is opposite for summer and winter season. The negative phase (La Niña) favors wetter summers and drier winters, whereas the positive phase (El Niño) is associated with drier summers and wetter winters. Besides, it is shown that enhanced IWV under La Niña conditions is not constrained to the northeastern part of the Atacama Desert but can reach even offshore regions near the west coast. This effect can be typically observed in the summer season. Thus, the moisture can be supplied to the Atacama Desert from easterly or westerly sources depending on season and ENSO phase with regionally varying impacts. Water vapor is a key variable which controls fog formation. While a few studies demonstrate the impact of fog on the coastal desert based on in-situ measurements as well as spatially and temporally limited satellited-based observations, this thesis introduces a novel satellite-based fog detection method which allows a region-wide assessment. An application of the algorithm for a 3-year period shows the spatial distribution of fog frequencies across the Atacama Desert. Aside from the coastal maximum, high fog frequencies are also revealed for isolated locations farther inland, which often coincide with salt flats within the central valley. The mechanisms driving fog formation within these inland regions remain unclear. The novel fog detection method creates the opportunity to further investigate this issue in future research. Aside from westerly moisture sources associated with the Pacific Ocean and episodic easterly inflow from the continental interior, a third scenario is identified in this thesis. By investigating the role of atmospheric rivers for the Atacama Desert, it is revealed that moisture can be transported from the Amazon Basin across the Andes and the southeast Pacific towards the Atacama Desert. Furthermore, fractional precipitation rates of more than 50 % for various regions within the Atacama Desert demonstrate the importance of atmospheric rivers for this hyperarid environment.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Viele Facetten des atmosphärischen Wassereintrags in die Atacama-Wüste sind kaum erforscht. Kenntnisse über die Wasserverfügbarkeit sowie die Quellen der Feuchtigkeit und die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch erforderlich, um biologische und geologische Prozesse besser zu verstehen und mögliche wechselseitige Beziehungen zu identifizieren. Diese Arbeit bietet eine umfassende meteorologische Perspektive auf den atmosphärischen Wassereintrag in die Atacama-Wüste im Kontext des gegenwärtigen Klimas. Die räumliche und zeitliche Variabilität des Wasserangebots und deren Kontrollmechanismen hängen davon ab, ob das Wasserangebot in Form von Wolken, Wasserdampf, Nebel oder Niederschlag betrachtet wird. Um den Einfluss der persistenten Stratocumulus-Wolkendecke über dem Südostpazifik auf die Wüstenregion zu untersuchen, wird eine neue Methode zur Bestimmung der Wolkenbasishöhe entwickelt. So kann die vertikale Lage der Wolken vollständig bestimmt werden. Dies erlaubt es, Regionen entlang des Küstengebirges zu identifizieren, die möglicherweise von diesen Wolken beeinflusst werden. Eine erste Anwendung dieser neuen Methode ergab einen deutlichen Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Stratocumulus-Bewölkung und der Zusammensetzung von Stickstoffisotopen der Tillandsienpopulationen entlang der Küste. Die Nähe der Atacama-Wüste zu den Hauptwirkungszonen der "El Niño-Southern Oscillation" (ENSO) und der Pazifischen Dekaden-Oszillation (PDO) sowie Ergebnisse früherer Studien legen den starken Einfluss dieser großskaligen Klimamoden auf den Wassereintrag in diese Region nahe. Da die sich abwechselnden Extremphasen dieser Klimamoden wiederkehrende Perioden in der Größenordnung von einigen Jahren bis Jahrzehnten aufweisen, ist ein langer Datensatz erforderlich, um ihren Einfluss zu untersuchen. In dieser Arbeit wird der integrierte Wasserdampf (IWV) aus einem Reanalyse-Datensatz, der mehr als ein Jahrhundert umspannt, verwendet, um den Einfluss von ENSO und PDO zu untersuchen. Zunächst wird gezeigt, dass die Reanalyse den IWV ausreichend genau repräsentiert, um seine Langzeitvariabilität zu untersuchen. Auf einer dekadischen Zeitskala zeigte die PDO eine stärkere Kopplung an IWV als ENSO. Festgestellte saisonale Beziehungen zwischen ENSO und IWV ähneln den Beziehungen, die bereits in früheren Studien für die nordöstliche Atacama-Wüste in Bezug auf Niederschlag gezeigt wurden. Dies deutet darauf hin, dass IWV das Potenzial hat, als Approximation für Niederschlag zu dienen. Das ENSO-Signal ist für die Sommer- und Wintersaison entgegengesetzt. Die negative Phase (La Niña) begünstigt feuchtere Sommer und trockenere Winter, während die positive Phase (El Niño) zu trockeneren Sommern und feuchteren Wintern führt. Insbesondere für die Sommersaison wird gezeigt, dass erhöhter integrierter Wasserdampfgehalt unter La Niña Bedingungen nicht auf den nordöstlichen Teil der Atacama-Wüste beschränkt ist, sondern sogar den der Westküste vorgelagerten Pazifik erreichen kann. Zusammenfassend ergibt sich, dass Wassereintrag in die Atacama-Wüste je nach Jahreszeit und ENSO-Phase aus östlich oder westlich gelegenen Quellen stammt, wobei es regionale Unterschiede geben kann. Wasserdampf ist eine Schlüsselvariable für Nebelbildung. Während einige Studien den Einfluss von Nebel auf den Küstenbereich der Atacama-Wüste anhand von in-situ Messungen zum einen und räumlich und zeitlich begrenzten satellitengestützten Beobachtungen zum anderen belegen, wird in dieser Arbeit eine neue satellitenbasierte Nebeldetektionsmethode vorgestellt, die eine regionale Abschätzung ermöglicht. Eine Anwendung des Algorithmus über einen Zeitraum von 3 Jahren zeigt die räumliche Verteilung der Nebelauftrittshäufigkeiten in der Atacama-Wüste. Neben dem Küstenmaximum zeigen sich auch hohe Nebelfrequenzen für einzelne Regionen weiter im Landesinneren, die vielfach mit Salzpfannen in der zentralen Depression in Verbindung stehen. Die Mechanismen, die die Nebelbildung in diesen Binnenregionen antreiben, sind weiterhin unbekannt. Die neuartige Nebeldetektionsmethode bietet die Möglichkeit, dieses Problem in zukünftigen Forschungsarbeiten weiter zu untersuchen. Neben den mit dem Pazifik verbundenen westlichen Quellen der Feuchtigkeit und dem episodischen östlichen Zufluss aus der kontinentalen Feuchtzone Südamerikas wird in dieser Arbeit ein weiterer Pfad identifiziert, der mit einem Wassereintrag verbunden ist. Durch die Untersuchung der Rolle atmosphärischer Flüsse (engl. atmospheric rivers) für die Atacama-Wüste wird deutlich, dass Feuchte vom Amazonasbecken über die Anden und den Südostpazifik in Richtung Atacama-Wüste transportiert werden kann. Darüber hinaus zeigen Niederschlagsanteile von überwiegend mehr als 50 % in der Atacama-Wüste die Bedeutung atmosphärischer Flüsse für diese hyperaride Umgebung. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Böhm, Christoph c.boehm@uni-koeln.de orcid.org/0000-0001-8712-3318 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-361821
Date:	2020
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Atacama Desert English atmospheric water cycle English satellite remote sensing English stratocumulus clouds English fog English water vapor transport English atmospheric rivers English
Date of oral exam:	22 January 2021
Referee:	Name Academic Title Crewell, Susanne Prof. Dr. Fiedler, Stephanie Prof. Dr. Bendix, Jörg Prof. Dr.
Funders:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268236062 - SFB 1211
Projects:	Sonderforschungsbereich 1211 - "Earth - Evolution at the dry limit"
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/36182