Universität zu Köln

Linden, Roderick van der ORCID: 0000-0002-7364-323X (2017). The Role of Tropical and Extratropical Waves in Rainfall Variability and Extreme Events in Vietnam. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Rainfall variability and extreme precipitation events have a large socioeconomic relevance in Vietnam. The availability of freshwater is essential for the population by access to drinking water and for the rainfed agriculture. However, extreme precipitation events bear the risk of loss of life and economic losses in connection with flooding and landslides. Vietnam is located completely in the tropics and is characterized by a multitude of landscapes, that considerably influence the weather and climate of the country, and also affect the regional impacts of extreme events. Climatologically, more than 80% of total annual rainfall is observed in most regions of Vietnam during the rainy season, which lasts from May to October and is dominated by the southwest monsoon. On the contrary, the dry season from November to April is characterized by mainly northeasterly winds of the East Asian winter monsoon. During this season, substantial rainfall is predominantly limited to the narrow coastal plains on the eastern side of the Annamese Cordillera in central Vietnam. In these regions, rainfall is mainly related to orographic lifting and enhanced convection that is associated with periodical amplifications of the northeasterly flow. The aim of this thesis is to investigate the role of tropical and extratropical waves in rainfall variability and extreme precipitation events in Vietnam in both seasons. In the first part, regional phases of enhanced or suppressed moist convection of large-scale tropical wave modes are determined for the rainy season in southern Vietnam. Based on these phases, the influence of the Madden–Julian oscillation (MJO) and convectively coupled equatorial waves (CCEWs) on the modulation of daily rainfall is evaluated and quantified for the period 1979–2007. In the second part, synoptic and dynamic causes of early dry-season rainfall events in the Central Highlands region, which is Vietnam's main coffee-growing region, are analyzed. From a station rainfall time series spanning the period 1981–2007, four dynamically different rainfall cases were selected for an in-depth investigation. The third part of this thesis consists of an analysis of the causes and predictability of a recent extreme rainfall event in northeastern Vietnam. The causes of the extreme event in July/August 2015 and its predictability are investigated using ground- and space-based observations, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) (re)analyses, and forecasts from the ECMWF ensemble prediction system. Rainfall in Vietnam south of 16°N is significantly modulated by the MJO, and by convectively coupled Kelvin and equatorial Rossby (ER) waves. The MJO and ER waves exhibit the most coherent signals during the rainy season. However, the strongest ER signals occur in central Vietnam, and a pronounced influence of Kelvin waves is only discernible in the southernmost parts. The analysis also reveals that all three waves enhance the frequency of intense rainfall during wet phases, and that anomalies are significantly enhanced when wet or dry phases of the MJO occur concurrently with the respective phases of Kelvin or ER waves. In terms of thermodynamic causes of the observed rainfall modulation, at least for the MJO the depth of the moist monsoon layer and vertical wind shear are enhanced during convectively active phases. The latter provides favorable conditions for organized convection. Although the influence of tropical waves in Vietnam is most pronounced during the rainy season, tropical waves can also cause rainfall during the early dry season in the Vietnamese Central Highlands. In two of the investigated cases, tropical waves and their interaction were the causes of substantial rainfall. Nonetheless, extratropically forced events, as in the other two cases, are more common during the northeast monsoon. Overall, the synoptic-dynamic analysis of the selected cases reveals that the spatiotemporal development of the events highly depends on interactions between large-scale tropical and extratropical wave forcing, synoptic forcing, and orographic effects. The 2015 extreme precipitation event in northeastern Vietnam was caused by a tropical–extratropical interaction that was not documented for this region and season before. A surface low over the Gulf of Tonkin and northern Vietnam was related to a subtropical upper-level trough, and caused persistent moisture flux convergence and convection over the coast of the Quang Ninh province. Strong moisture flux into the region was caused by an exceptionally strong and persistent monsoon depression over the Bay of Bengal. In terms of ECMWF ensemble forecasts, predictability of the event emerged in 72-hour lead-time forecasts, and was strongly related to the correct forecasts of the intensity and location of the upper-level trough. To conclude, this link between predictability and large-scale synoptic forcing, along with improved seasonal and subseasonal forecasts of the MJO and CCEWs suggests opportunities for submonthly forecasts of dry and wet spells in Vietnam for both seasons.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Niederschlagsvariabilität und Extremniederschlagsereignisse haben eine hohe sozio-ökonomische Relevanz in Vietnam. Die Verfügbarkeit von Süßwasser ist zum einen als Quelle von Trinkwasser für die Bevölkerung unentbehrlich und zum anderen essenziell für den Regenfeldbau. Darüber hinaus bergen Extremniederschlagsereignisse aber die Gefahr, im Zusammenhang mit Überflutungen und Erdrutschen Menschenleben zu gefährden und zu wirtschaftlichen Schäden zu führen. Vietnam liegt vollständig in den Tropen und zeichnet sich durch eine Vielzahl verschiedener Landschaftsbilder aus, die das Wetter und Klima von Vietnam wesentlich beeinflussen und Einfluss auf regionale Auswirkungen von Extremereignissen nehmen. In den meisten Regionen von Vietnam fallen mehr als 80% des klimatologischen Jahresniederschlags in der durch den Südwestmonsun geprägten Regenzeit von Mai bis Oktober. Die Trockenzeit von November bis April ist im Gegensatz dazu durch vorwiegend nordöstliche Winde des ostasiatischen Wintermonsuns geprägt. Wesentliche Niederschläge sind in der Trockenzeit vorwiegend auf einen schmalen und flachen Küstenstreifen im Osten der Annamitischen Kordillere beschränkt. Die Niederschläge entstehen hauptsächlich orografisch durch Hebung an dem Gebirgszug sowie durch verstärkte Konvektion, die im Zusammenhang mit einer wiederkehrenden Verstärkung der nordöstlichen Strömung auftritt. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, den Einfluss von tropischen und extratropischen Wellen auf Niederschlagsvariabilität und Extremniederschlagsereignisse in Vietnam während der Regen- und der Trockenzeit zu untersuchen. Im ersten Teil werden die Phasen erhöhter oder verringerter Feuchtkonvektion von großskaligen tropischen Wellenphänomen für die Regenzeit in Südvietnam bestimmt. Der Einfluss der Madden–Julian oscillation (MJO) und der sogenannten "convectively coupled equatorial waves" (CCEWs) auf die Modulation von täglichen Niederschlägen wird anhand dieser Phasen für den Zeitraum 1979–2007 bewertet und quantifiziert. Im zweiten Teil werden synoptische und dynamische Ursachen von Niederschlagsereignissen in Vietnams Hauptanbaugebiet von Kaffee, dem zentralen Hochland, in frühen Stadien der Trockenzeit analysiert. Aus einer stationsbasierten Niederschlagszeitreihe für den Zeitraum 1981–2007 wurden vier dynamisch verschiedene Niederschlagsereignisse für eine eingehende Untersuchung ausgewählt. Den dritten Teil dieser Arbeit bildet die Analyse der Ursachen und der Vorhersagbarkeit eines kürzlich aufgetretenen Extremniederschlagsereignisses in Nordostvietnam. Die Ursachen des Extremereignisses im Juli/August 2015 und die Vorhersagbarkeit des Ereignisses werden mit bodengebundenen und satellitengestützten Beobachtungen, (Re-)Analysen des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) und Vorhersagen des ECMWF Ensemblevorhersage-Systems untersucht. Südlich von 16°N wird der Niederschlag in Vietnam signifikant durch die MJO und durch Kelvin und äquatoriale Rossby (ER)-Wellen moduliert. Der Einfluss der MJO und von ER Wellen ist am kohärentesten. Allerdings haben die ER Wellen den größten Einfluss in Zentralvietnam, während Kelvin Wellen lediglich einen Einfluss im südlichsten Teil von Vietnam aufweisen. Die Untersuchung hat außerdem gezeigt, dass alle drei Wellen die Häufigkeit von intensiven Niederschlägen in feuchten Phasen erhöhen. Außerdem werden die Niederschlagsanomalien durch das gemeinsame Auftreten der MJO mit Kelvin oder ER Wellen in gleichen Phasen verstärkt. Thermodynamische Ursachen für die beobachteten Niederschlagsmodulation liegen zumindest für die MJO in einer vergrößerten vertikalen Mächtigkeit der Monsunschicht und in einer verstärkten vertikalen Windscherung in konvektiv aktiven Phasen. Letzteres ist förderlich für das Auftreten von organisierter Konvektion. Wenngleich der Einfluss von tropischen Wellen in Vietnam am stärksten während der Regenzeit ausgeprägt ist, können tropische Wellen auch während der Trockenzeit zu Niederschlag im zentralvietnamesischen Hochland führen. In zwei der untersuchten Ereignisse waren tropische Wellen und ihre Interaktion der Grund für Niederschlag. Allerdings sind extratropisch gesteuerte Ereignisse wie in den anderen beiden Fällen wesentlich geläufiger während der Nordostmonsuns. Insgesamt hat die synoptisch-dynamische Untersuchung der Ereignisse gezeigt, dass der raum-zeitliche Verlauf wesentlich von der Wechselwirkung zwischen dem Einfluss von großskaligen tropischen und extratropischen Wellen, synoptischen Einflüssen und orografischen Effekten abhängt. Das Extremniederschlagsereignis in Nordostvietnam im Jahr 2015 wurde durch eine tropisch–extratropische Wechselwirkung verursacht, die für diese Region und Jahreszeit noch nicht beschrieben wurde. Ein Tiefdruckgebiet über dem Golf von Tonkin und Nordvietnam stand in Bezug zu einem subtropischen Höhentrog und hat eine langanhaltende Periode von Feuchteflusskonvergenz und Konvektion über der Küste der Quang Ninh Provinz bewirkt. Ein starker Feuchtefluss in die Region wurde durch ein starkes und relativ stationäres tropisches Tiefdruckgebiet über dem Golf von Bengalen hervorgerufen. Drei Tage vor Eintreten des Ereignisses zeigte sich eine Vorhersagbarkeit in ECMWF Ensemble-Vorhersagen, die stark mit der adäquaten Vorhersage der Intensität und Lage des Höhentroges zusammenhing. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass dieser Zusammenhang zwischen der Vorhersagbarkeit und dem großskaligen synoptischen Antrieb, zusammen mit verbesserten Vorhersagen der MJO und CCEWs in der Größenordnung von wenigen Wochen, auf neue Möglichkeiten der Vorhersage von feuchten und trockenen Perioden in Vietnam während der Regen- und Trockenzeit hindeutet. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Linden, Roderick van der rvdlinde@uni-koeln.de orcid.org/0000-0002-7364-323X UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-77537
Date:	2017
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:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Vietnam English Rainfall variability English Extreme events English Tropical waves English Extratropical waves English
Date of oral exam:	25 October 2016
Referee:	Name Academic Title Pinto, Joaquim G. Prof. Dr. Shao, Yaping Prof. Dr. Fink, Andreas H. Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7753