INTERNATIONAL JOURNAL OF CLIMATOLOGY

Int. J. Climatol. (2015)

Published online in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com) DOI: 10.1002/joc.4309

Spatio-temporal characteristics of the recent rainfall recovery in West Africa

Souleymane Sanogo,^a,b,c* Andreas H. Fink,d Jerome A. Omotosho,b Abdramane Ba,a Robert Redlc and Volker Ermertc

a Faculteacute; des Sciences et Techniques (FST), Universiteacute; des Sciences des Techniques et des Technologies de Bamako (USTT-B), Mali

b WASCAL Graduate Research Programme in West African Climate System, Federal University of Technology, Akure, Nigeria

c Institute of Geophysics and Meteorology, University of Cologne, Germany

d Institute of Meteorology and Climate Research, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany

ABSTRACT: Using daily (monthly) rainfall data from 167 (254) stations across West Africa with at least 80% data availability for the 31-year period 1980 – 2010 and the gridded African Rainfall Climatology Version 2 (ARC2) for the period 1983 – 2010, linear trends in yearly and monthly rainfall totals were investigated. Measures of the Expert Team on Climate Change Detection and Indices (ETCCDI) and two rainy season onset and retreat definitions were employed to assess the corresponding trends in frequency and intensity of daily rainfall and changes to monsoon season length. A rotated Empirical Orthogonal Function analysis yielded two homogeneous rainfall regions, the Sahel and Guinea Coast, in terms of interannual to decadal rainfall

variability, and this led to analysis of station data and Standardised Precipitation Index for the two regions. Results show that the majority of stations in the Sahel between the West Coast and 15∘E shows a statistically significant positive rainfall

trend for annual totals. The August– October period exhibits the largest rainfall recovery in the Sahel and the date of the retreat of the rainy season significantly moved later into the year by 2 days decademinus;1. The recovery is reflected both in more rainy days associated with longer wet spell duration and more extreme rainfall events. Trends along the Guinea Coast are weak and non-significant except for extreme rainfall related indices. This missing significance is partly related to the hiatus in rainfall increase in the 1990s, but also to the larger interannual rainfall variability. However, the tendency towards a more intense second rainy season suggests a later withdrawal of rains from the West African subcontinent. ARC2 trends are broadly consistent where ground calibration was undertaken, but are dubious for Nigeria and Ghana, and especially for the Guinea, Jos and Cameroon Line highlands due to missing gauge data.

KEY WORDS West Africa; rainfall recovery; ETCCDI climate extreme indices; trend analysis; empirical orthogonal function; rainfall intensity; onset and retreat dates

Received 28 August 2014; Revised 26 December 2014; Accepted 12 February 2015

Introduction

Tropical West Africa is known for its variable rainfall cli- mate. Especially in the Sahel, approximately the latitude

belt between 12∘ and 20∘N, decadal rainfall variability in

the 20th century has often exceeded rainfall fluctuations of many other places on earth. Because of rain-fed agri- cultural practices and nomadic animal husbandry, liveli- hood security of the local population directly depends on steady and consistent, but not extreme rainfall in the wet season (June – September, JJAS) of the West African mon- soon. Wet decades in the West African Sahel occurred in the 1920s and 1930s, with the wettest decade of the last century being the 1950s (Fink et al., 2010). In con- trast to the strong decadal rainfall variability, the climato- logically wetter and more populous Guinea Coast region exhibits stronger variability on interannual time scales

* Correspondence to: S. Sanogo, Faculteacute; des Sciences et Tech- niques (FST), Universiteacute; des Sciences des Techniques et des Technologies de Bamako (USTT-B), BP E3206, Bamako, Mali. E-mail: soul@lossa-mali-edu.org

(Diatta and Fink, 2014). At the Guinea Coast, the 1950s and 1960s were wetter than normal with some very wet years in the 1960s; these two decades were the wettest along the Guinea Coast in the 20th century (Nicholson, 2000; Ofori-Sarpong and Annor, 2001). Here, impacts of rainfall variability are more felt in terms of necessary adap- tations to cropping strategies and shortfalls in hydropower provisions in drier years.

The period 1970 – 1990 was characterised by severe drought years in the Sahel (e.g. Nicholson, 2000; Le Barbeacute; et al., 2002) that extended down to the Guinea Coast, although socio-economic impacts were less severe than in the Sahel. After this period, there has been some partial recovery in rainfall with a significant spatial and temporal variability and some discrepancies among studies as to the recovery in the western and central Sahel (Nicholson, 2005; Hagos and Cook, 2008, Lebel and Ali, 2009). How- ever, recent studies suggest that the very wet conditions of the 1950s and 1960s have not been re-established in the Sahel and at the Guinea Coast, respectively (e.g. Nichol- son, 2005), even though during the 2007, 2010, and 2012, wet monsoon seasons widespread flooding occurred (Njau

S. SANOGO et al.

and Thiaw, 2011; Paeth et al., 2011; Sima et al., 2013) with 2010 likely being the wettest year in the Sahel since 1958. Numerous studies have shown that the 1970 – 1990 Sahel drought was related to sea surface temperature (SST) anomaly patterns in the major tropical ocean basins, whereas the recent rainfall recovery has been largely attributed to a climate shift in the mid-1990s to

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非洲西部降水恢复情况的时空演变特征

Souleymane Sanogo,a,b,c* Andreas H. Fink,d Jerome A. Omotosho,b Abdramane Ba,a Robert Redlc and Volker Ermertc

摘要：

采用非洲西部地区167（256）个台站的日（月）降水量数据（其中至少百分之八十的数据有从1980到2010 31年的连续序列），利用ARC2软件，研究1983到2010年间降水量年际、月际的线性变化趋势。采用ETCCDI的测量方法和两个雨季始末定义方法评估日降雨量频率和强度的相应趋势以及季风时间长短的变化。通过旋转EOF函数分析萨赫勒和几内亚海岸两个均匀降雨区的年际和年代降水变化，并由此分析两个地区的台站数据和标准化降水指数。结果表明：处在西海岸和东经15∘之间的萨赫勒地区，大部分台站的年降水量呈显著的正向趋势。萨赫勒地区降雨恢复最大的时期是8月至10月，而雨季结束的日期则显著地推迟了。雨季的复苏既反映在雨天的增加，也反映在较长的湿润时间和更多的极端降雨事件。相对而言，几内亚海岸的变化趋势很小，除了与极端降雨有关的指数外，没有明显的变化。这一部分雨季恢复的缺失可能与1990年代降雨量增加的间断有关，也可能与年际降雨量的变化有较大的关系。然而，第二个雨季更加紧张的趋势表明，以后雨水将从西非次大陆撤出。在进行地面校准时，ARC2的趋势大致一致，但对于尼日利亚和加纳，尤其是几内亚、何塞和喀麦隆高地来说，由于缺乏规范数据，结果正确性有待进一步证明。

1.引言

热带西非以其多变的降雨量而闻名，特别是萨赫勒地区的（北纬12∘到20∘之间的纬度带）年降水的年代际变化，其20世纪的降雨量波动远超地球上的其他地方。由于雨水灌溉的农耕习俗和当地以游牧畜牧业为主，当地居民的生命安全和生活保障直接取决于稳定和持续的降雨，而不是极端降雨（出自西非季刊 (June – September, JJAS) ）。西非萨赫勒地区的潮湿期是20世纪20年代和30年代，而上个世纪最潮湿的十年是1950年代(Fink et al., 2010)。相对于强烈的年代际降水变化，几内亚海岸地区在年际尺度上表现出较强的年际变化(Diatta and Fink, 2014).在几内亚海岸，1950年代和1960年代比平常更为潮湿，1960年代有一些非常潮湿的年份；这20年是20世纪几内亚海岸最潮湿的年份(Nicholson, 2000; Ofori-Sarpong and Annor, 2001)。因此，降雨多变性的影响更多地体现在种植策略的必要调整和干旱年份水力发电供应的不足上。

1970至1990年期间，萨赫勒地区干旱严重(e.g. Nicholson, 2000; Le Barbeacute; et al.,2002)，这一时期干旱一直延伸到几内亚海岸，至今其社会经济影响仍然存在，但不像萨赫勒地区那么严重。在此时期之后，降雨量出现了部分恢复，其恢复具有显著的空间和时间变异性，而且在西部和中部地区的恢复研究中也存在一些差异(Nicholson, 2005; Hagos and Cook, 2008, Lebel and Ali, 2009)。然而，最近的研究表明，1950年代和1960年代萨赫勒和几内亚海岸还没有分别重新形成非常潮湿的条件，(e.g. Nichol- son, 2005)，即使在2007，2010和2012年间，雨季发生了广泛的洪灾 (Njau and Thiaw, 2011; Paeth et al., 2011; Simaet al., 2013)，由此看来2010年可能是1958年以来萨赫勒地区最潮湿的一年。

许多研究表明，1970-1990年萨赫勒干旱与主要热带海洋盆地的海面温度异常模式有关，而最近的降雨恢复则是很大程度上归因于上世纪90年代中期的气候变化使大西洋年代际涛动的积极阶段占上风(AMO, e.g. Mohino et al., 2011; Rodriacute;guez-Fonseca et al., 2011)。 西非的降雨主要是由有组织的中尺度对流系统(MCSs)造成的，约占萨赫勒地区年降水量的80-90%(Dhonneur, 1981; Mathon et al., 2002) ,其中苏丹地区占70% (Omotosho, 1985; Fink et al., 2006)。有几项研究指出，萨赫勒地区1970至1990年干旱期间雨季长度没有发生变化(Le Barbeacute; and Lebel, 1997; Tarhule and Woo, 1998)，而雨季高峰期雨量减少，原因就是持续时间长的强对流层数目减少，而这似乎是导致旱情的主要原因之一(Bell and Lamb, 2006)。然而，Le Barbeacute;和Lebel(1997)认为尼亚美(尼日尔)前后7月和8月的降幅最大，Tarhule和Woo(1998)认为8月至9月是尼日利亚北部的降雨下降幅度最大的月份。为了增加结果的多样性，Shinoda等人(1999)利用尼亚美的每小时降雨数据，研究发现干旱期间降雨事件的频率和强度均有所下降。

降雨恢复特征也存在一定的差异。Bell和Lamb(2006)发现，从1980年代中期到1998年，MCSs的规模/组织和强度略有增加。Lebel和Ali(2009)注意到，在最近较潮湿的萨赫勒中部，8月出现了一个明显的高峰，同时他们也指出，西萨赫勒地区的干旱没有减弱。相比之下，Nicholson和Webster(2007)认为萨赫勒西部的增湿更强，并且8月份上升趋势最弱。显然，以上结果取决于降雨数据库、区域和方法。

然而，西非毕竟是一个数据稀少的地区，近几十年来，本已粗略的数据也大幅减少了。在一些国家(如利比里亚、塞拉利昂和科特迪瓦北部)，由于政治动荡，可能没有任何数据；而在另一些全球电信系统(GTS)覆盖的国家，气象组织却没有覆盖(例如几内亚、几内亚比绍、冈比亚、加纳和尼日利亚)。因此，最近出版的“政府间气候变化专门委员会关于极端事件的特别报告”(IPCC，2012)指出，缺乏对极端区域变化的详细调查，正因此导致西非的贫困和干旱频发。

在本研究中，利用从多个来源收集的每日及每月规范雨量资料，进而研究 1980年至2010年期间的非洲热带西部大部份地区的雨量恢复情况。研究包括：(1)从低频变率的角度重新审视同质降雨区；(2)从线性的角度讨论相关的时空特征；(3)利用气候变化检测和指数专家组的指数评估极端降雨频率和强度的变化(ETCCDI; Zhang et al., 2011)(4)研究降雨恢复对雨季开始和退却的影响。把其中一些结果与最近发布的卫星测量数据集(非洲降雨气候学第2版(Arc2)产品(Novella and Thiaw, 2013)进行比较，以突出共通点，而不同点取决于ARC 2产品的表面数据可用性。该研究报告的结构如下：第2节描述了所使用的气象站和卫星降雨数据，并对西非均匀降雨地区进行了划分；第3节介绍了CH方法；第4节介绍了各种产生的结果；第五节总结和讨论了结果。

2.数据和研究领域

2.1数据站

本研究使用的雨量记录包括167个日资料站和254个有月记录的站点，所有这些台站在1980至2010年间至少有80%的资料可以被利用。这些观测是从科隆大学(德国)地球物理和气象研究所的数据库中提取的。此外，在1921年至2010年间，利用同一来源的长期月雨量时间序列，对76个数据可用率至少为90%的站进行了分析，并且把最近的降雨量增加作为长期的背景。本研究所用的所有月数据都可从http/www.gemet.uni-koeln.de/en/the-Institute/data/下载。如图1(A)和(B)所示，空间站覆盖的密度差别很大，观测站的数目也有很大差异。2000年代观测次数减少(图1(C)和(D))因此，网格化的卫星降雨产品已被用作降雨信息的替代来源。

2.2ARC2数据

在本研究中，在1983-2010年较短的时间在ACR2应用降雨量估计值的空间分辨率分别为1天和0.1∘times;0.1∘(Novella and Thiaw, 2013)。该数据集的输入的数据是欧洲气象卫星应用组织(EUMETSAT)以地球静止卫星为中心的3小时红外亮度温度数据。萨赫勒西部、Novella和Thiaw (2013)的独立逐日雨量数据表明，ARC 2产品的性能优于TRMM多卫星降水分析3B42版本6(3B42v6, Huffman et al., 2007)和CPC变形技术 (CMORPH, Joyce et al., 2004)。

在这里我们使用简单的统计措施来评估1983-2010年期间ARC 2月和日降雨量估计值，其中包括解释的百分比方差t，偏差和均方根误差。为了便于与Novella和Thiaw的每日数据验证结果进行比较，我们将0.1∘原始ARC 2分辨率聚合到一个0.25∘times;0.25∘网格中，然后将该站的雨量与包含该站的ARC 2网格单元进行比较。与月度数据相比，萨赫勒地区R2值达到81%，几内亚海岸R2值达到72%。散点图中的负偏差表明，对于这两个地区的观测站而言，ARC 2月雨量估计值被低估了，Novella和Thiaw也注意到了这一点。 将各个站点的记录与ARC2数据进行比较，图2(A)中的地图显示了一些站点的弱相关性，这在尼日利亚东南部尤为明显，那里的逐月雨量与ARC 2之间的线性关联未能通过几个测站的显着性测试。 测量仪器和ARC 2之间的月降雨量之间的电子数据未能通过几个台站的显着性测试。Novella和Thiaw提到在全国范围内，尼日利亚和几内亚的台站相关系数较低，可能是因为这些地区缺乏足够的GTS数据。

图3显示了与图2相同的分析，但显示了1983至2010年间的每日的数值。至于构建arc2数据集的方法，主要是在定期向GTS(图 3(a)报告的站点中发现显著的相关性(图 3(a)。 在GTS报告频率较低的国家或远离报告站的国家，其相关值较低且微不足道。例如贝宁：所有在贝宁中北部的其他非GTS站(Cotonou, Bohicon, Saveacute;, Parakou, Natitingou and Kandi)中，有6个可靠报告的GTS台站具有显著的相关性。此外，还存在一种偏见认为特别是在几内亚海岸，使用ARC 2日降雨量估计值则会低估了每天的极端值，导致可能无法充分捕捉温暖云中的降雨(图 3(b) and (c))。这一分析使我们可以在年度和月趋势分析中使用月ARC 2数据，而避免在极端日降水中使用基于ETCCDI的趋势分析中的日ARC 2数据。此外，本文得出的结论是，本文使用的台站降雨数据集将产生比聚集半数西非人口的尼日利亚和加纳的ARC 2估计值有更强劲的趋势和变异性分析。

2.3研究领域

均匀雨量区基于台站标准降水指数的平均化，增强了变率的稳健性、趋势和极值分析的稳健性(Ali andLebel, 2009)。各种基于规范数据的研究在经验上、统计上或通过这两种方法的结合，根据年际到年代际降雨的波动和趋势，将西非细分为同质雨落区。例如，Nicholson和Palao(1993)根据EOF分析将萨赫勒细分为萨赫勒西部和萨赫勒中部。Lebel和Ali(2009年)发现，萨赫勒西部和中部在年际尺度上有不同的行为，而这些区域在年代际尺度上表现出一致的变化。Moron(1997)对赤道和北部热带非洲一个较大区域的网格气候研究单元(CRU)降水数据集进行EOF分析，得到了整个萨赫勒带从西到东海岸为一体，而几内亚海岸为另一个同质地区。

由于均匀降雨区域的定义取决于调查周期和区域范围以及数据源，因此本文采用旋转经验正交函数(EOF)进行了分析西非降雨趋势和模式相似的精细地区。旋转EOFs提供了有意义的物理解释，并具有比原始EOFs更容易解释的优点(Richman and Lamb, 1985; Richman, 1986; Orsquo;Lenic and Livezey, 1988)。EOF分析应用于1980-2010年JJAS期间的标准化月降水数据。

“Scree”检验标准(Orsquo;Lenic and Livezey, 1988; White et al., 1991; Moron, 1997)被用来判断EOFs的数字，以正确地描述同性模式。在解释水平的百分比方差急剧下降后，“Scree”检验标准将所有EOFs降至或多或少的恒定值。根据这个测试，前四个未旋转的EOFs 分别解释了34.44%、7.71%、5.34%和2.6%的差异，并在图4中给出了旋转载荷的空间表示。在检查旋转载荷图时，萨赫勒地区的整个地区都有类似的降雨模式，几内亚海岸是第二个均质降雨区。用EOF分析没有得到任何线索，于是将萨赫勒地区分为西部和中部，例如Nicholson和Palao(1993年)。因此，与Diatta和Fink(2014年)相比，在分析中只使用了两个相同的区域，而不是三个。

由于最大的方差部分(22.4%)是由旋转的EOF1解释的(图 4(a))，因此使用第一个旋转的EOF矢的负载来重建月站时间序列，即第一对应主成分的时间序列。图5显示了重构数据集与原始数据之间的相关系数。这两个区域的边界的确定类似于Richman和Lamb(1987)和White等人所描述的方法(1991)。两个步骤如下：1）根据负荷的标志，把站分配到一个分区(图 4)；2）它们对区域的分配必须由图5中的显着线性相关系数来确定，即用原始(原始数据)月时间序列解释方差的显着性。研究发现，被解释为非显着性变化的载荷位于大约7∘和9∘N之间，并将萨赫勒和几内亚海岸地区隔开(图 5)。基于ARC 2估计的旋转EOF分析(未显示)进一步扩展了西非西南部数据稀少地区几内亚海岸的划界。

图1.(a)和(b)分别是每日和每月观测降雨量的站点位置图，(c)和(d)分别是对应的降雨量随时间序列的变化。

3.研究方法

趋势分析采用非参数Mann-Kendall(MK)检验和Sen斜率

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