@phdthesis{Karama2021,
  author    = {Karama, Alphonse},
  title     = {East African Seasonal Rainfall prediction using multiple linear regression and regression with ARIMA errors models},
  doi       = {10.25972/OPUS-25183},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-251831},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {The detrimental impacts of climate variability on water, agriculture, and food resources in East Africa underscore the importance of reliable seasonal climate prediction. To overcome this difficulty RARIMAE method were evolved. Applications RARIMAE in the literature shows that amalgamating different methods can be an efficient and effective way to improve the forecasts of time series under consideration. With these motivations, attempt have been made to develop a multiple linear regression model (MLR) and a RARIMAE models for forecasting seasonal rainfall in east Africa under the following objectives: 1. To develop MLR model for seasonal rainfall prediction in East Africa. 2. To develop a RARIMAE model for seasonal rainfall prediction in East Africa. 3. Comparison of model's efficiency under consideration In order to achieve the above objectives, the monthly precipitation data covering the period from 1949 to 2000 was obtained from Climate Research Unit (CRU). Next to that, the first differenced climate indices were used as predictors. In the first part of this study, the analyses of the rainfall fluctuation in whole Central- East Africa region which span over a longitude of 15 degrees East to 55 degrees East and a latitude of 15 degrees South to 15 degrees North was done by the help of maps. For models' comparison, the R-squared values for the MLR model are subtracted from the R-squared values of RARIMAE model. The results show positive values which indicates that R-squared is improved by RARIMAE model. On the other side, the root mean square errors (RMSE) values of the RARIMAE model are subtracted from the RMSE values of the MLR model and the results show negative value which indicates that RMSE is reduced by RARIMAE model for training and testing datasets. For the second part of this study, the area which is considered covers a longitude of 31.5 degrees East to 41 degrees East and a latitude of 3.5 degrees South to 0.5 degrees South. This region covers Central-East of the Democratic Republic of Congo (DRC), north of Burundi, south of Uganda, Rwanda, north of Tanzania and south of Kenya. Considering a model constructed based on the average rainfall time series in this region, the long rainfall season counts the nine months lead of the first principal component of Indian sea level pressure (SLP_PC19) and the nine months lead of Dipole Mode Index (DMI_LR9) as selected predictors for both statistical and predictive model. On the other side, the short rainfall season counts the three months lead of the first principal component of Indian sea surface temperature (SST_PC13) and the three months lead of Southern Oscillation Index (SOI_SR3) as predictors for predictive model. For short rainfall season statistical model SAOD current time series (SAOD_SR0) was added on the two predictors in predictive model. By applying a MLR model it is shown that the forecast can explain 27.4\% of the total variation and has a RMSE of 74.2mm/season for long rainfall season while for the RARIMAE the forecast explains 53.6\% of the total variation and has a RMSE of 59.4mm/season. By applying a MLR model it is shown that the forecast can explain 22.8\% of the total variation and has a RMSE of 106.1 mm/season for short rainfall season predictive model while for the RARIMAE the forecast explains 55.1\% of the total variation and has a RMSE of 81.1 mm/season. From such comparison, a significant rise in R-squared, a decrease of RMSE values were observed in RARIMAE models for both short rainfall and long rainfall season averaged time series. In terms of reliability, RARIMAE outperformed its MLR counterparts with better efficiency and accuracy. Therefore, whenever the data suffer from autocorrelation, we can go for MLR with ARIMA error, the ARIMA error part is more to correct the autocorrelation thereby improving the variance and productiveness of the model.},
  subject      = {Regression},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hertig2004,
  author    = {Hertig, Elke},
  title     = {Niederschlags- und Temperaturabsch{\"a}tzungen f{\"u}r den Mittelmeerraum unter anthropogen verst{\"a}rktem Treibhauseffekt},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8740},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Unter Einbezug von modellsimulierten großskaligen Geopotential-, Feuchte- und Meeresoberfl{\"a}chentemperaturfeldern f{\"u}r Szenarien eines anthropogen verst{\"a}rkten Treibhauseffekts wird der Niederschlag bzw. die Temperatur im Mittelmeerraum f{\"u}r das 21. Jahrhundert mit der Methode des statistischen Downscalings abgesch{\"a}tzt. Die als Gitterfelder mit 0.5° r{\"a}umlicher Aufl{\"o}sung vorliegenden Niederschlags- und Temperaturdaten des CRU-(Climatic Research Unit in Norwich) Datensatzes werden jeweils mittels s-modaler Hauptkomponentenanalyse in Regionen unterteilt. Die resultierenden Zeitreihen der regionalen Variationszentren offenbaren dabei unterschiedliche Niederschlags- und Temperaturverh{\"a}ltnisse in den verschiedenen mediterranen Teilregionen im Untersuchungszeitraum 1948-1998. Als großskalige Einflussgr{\"o}ßen dienen Reanalysedaten des NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research) der geopotentiellen H{\"o}hen der 1000hPa-und 500hPa-Niveaus und der spezifischen Feuchte im 1000hPa-Niveau. Als ozeanische Einflussgr{\"o}ßen werden Meeresoberfl{\"a}chentemperaturdaten des Nordatlantiks und des Mittelmeers verwendet. Zur Dimensionsreduktion und zur Beseitigung linearer Abh{\"a}ngigkeiten gehen die verschiedenen Pr{\"a}diktorfelder ebenfalls, jeweils getrennt, in s-modale Hauptkomponentenanalysen ein. Anschließend wird der Verlauf des Niederschlags bzw. der Temperatur der regionalen Variationszentren in den Monaten Oktober bis Mai 1948-1998 mit der großr{\"a}umigen atmosph{\"a}rischen und ozeanischen Variabilit{\"a}t im gleichen Zeitraum verkn{\"u}pft. Dies geschieht in mehreren Kalibrierungsabschnitten unter Verwendung von Kanonischen Korrelationsanalysen und multiplen Regressionsanalysen. Die erstellten statistischen Zusammenh{\"a}nge werden dann in von der Kalibrierung unabh{\"a}ngigen Verifikationszeitr{\"a}umen {\"u}berpr{\"u}ft. Die erzielten Modellg{\"u}ten in den Verifikationsperioden werden herangezogen, um die besten statistischen Modelle f{\"u}r die Zukunftsabsch{\"a}tzungen auszuw{\"a}hlen. Dabei zeigt sich, dass f{\"u}r den mediterranen Niederschlag die besten Modellg{\"u}ten im Allgemeinen mit der Pr{\"a}diktorenkombination 1000hPa-/500hPa-Geopotential und spezifische Feuchte erzielt werden k{\"o}nnen. Die Temperatur im Mittelmeerraum l{\"a}sst hingegen den st{\"a}rksten Zusammenhang mit Werten der 1000hPa-/500hPa-geopotentiellen H{\"o}hen erkennen. Durch Einsetzen von modellsimulierten Werten der Pr{\"a}diktoren in die Regressions-bzw. Kanonischen Korrelationsgleichungen wird schließlich die Reaktion der regionalen Klimavariablen Niederschlag bzw. Temperatur auf Ver{\"a}nderungen der großskaligen Zirkulations-, Feuchte- und Meeresoberfl{\"a}chentemperaturanomalien unter Bedingungen eines anthropogen verst{\"a}rkten Treibhauseffektes abgesch{\"a}tzt. Je nach verwendeter Methode und einbezogener Pr{\"a}diktorenkombination zeigen sich teils erhebliche Unterschiede in den Absch{\"a}tzungsergebnissen. So wird zum Beispiel bei den bedingten Absch{\"a}tzungen f{\"u}r das 21. Jahrhundert der zuk{\"u}nftige Niederschlagsverlauf zum Teil erheblich abgewandelt, wenn modellsimulierte Feuchtewerte zus{\"a}tzlich zu den Geopotentialinformationen einbezogen werden. F{\"u}r die bedingten Absch{\"a}tzungen des regionalen Klimas im Mittelmeerraum im 21. Jahrhundert werden Pr{\"a}diktoren-Modellergebnisse zweier verschiedener IPCC- (Intergovernmental Panel on Climate Change) Emissionsszenarien herangezogen. Zum einen werden modellsimulierte Werte nach IS92a- Szenario herangezogen, zum anderen solche nach j{\"u}ngstem SRESB2-Szenario. Aus beiden verwendeten Szenarienrechnungen gehen im Allgemeinen gleichf{\"o}rmige Tendenzen bei der Entwicklung der Niederschlagssummen im Mittelmeerraum unter anthropogener Verst{\"a}rkung des Treibhauseffektes im 21. Jahrhundert hervor. Unter Verwendung von Pr{\"a}diktorenwerten des Hamburger Klimamodells ECHAM4 nach SRESB2-Szenario (großskalige Einflussgr{\"o}ßen: 1000hPa-/500hPa-geopotentielle H{\"o}hen und 1000hPa-spezifische Feuchte) ergibt sich f{\"u}r den westlichen und n{\"o}rdlichen Mittelmeerraum bei einer anthropogenen Verst{\"a}rkung des Treibhauseffektes eine Verk{\"u}rzung mit gleichzeitiger Intensit{\"a}tszunahme der "feuchten" Jahreszeit. Dies {\"a}ußert sich darin, dass im Winter in diesen Regionen Niederschlagszunahmen im Zeitraum 2071-2100 im Vergleich zu 1990-2019 abgesch{\"a}tzt werden, w{\"a}hrend im Herbst und Fr{\"u}hjahr Niederschlagsr{\"u}ckg{\"a}nge {\"u}berwiegen. In den {\"o}stlichen und s{\"u}dlichen Teilen des Mittelmeerraumes zeigen sich hingegen f{\"u}r die Monate Oktober bis Mai fast ausschließlich negative Niederschlagstendenzen unter Bedingungen eines anthropogen verst{\"a}rkten Treibhauseffektes. F{\"u}r die Temperatur wird unter Verwendung von Modellwerten der großskaligen Einflussgr{\"o}ßen 1000hPa-/500hPa-geopotentielle H{\"o}hen unter SRESB2-Szenariobedingungen ein Temperaturanstieg im gesamten Mittelmeerraum f{\"u}r alle untersuchten Monate (Oktober bis Mai) im Zeitraum 2071 bis 2100 im Vergleich zum Abschnitt 1990-2019 abgesch{\"a}tzt. Die Erh{\"o}hung ist im Herbst und zu Beginn des Fr{\"u}hjahrs insgesamt am st{\"a}rksten ausgepr{\"a}gt.},
  subject      = {Mittelmeerraum},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Philipp2003,
  author    = {Philipp, Andreas},
  title     = {Zirkulationsdynamische Telekonnektivit{\"a}t des Sommerniederschlags im s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Afrika},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8106},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Die Arbeit befasst sich mit den durch Telekonnektionen etablierten Zusammenh{\"a}ngen zwischen der globalen troposph{\"a}rischen Zirkulation der Atmosph{\"a}re und der sommerlichen Niederschlagsvariabilit{\"a}t im s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Afrika auf interannueller Zeitskala. Ziel der Arbeit ist die Erfassung maßgeblicher Telekonnektionen sowie deren {\"U}berpr{\"u}fung hinsichtlich kausal nachvollziehbarer zirkulationsdynamischer Erkl{\"a}rungsmodelle, die - {\"u}ber formalstatistische Signifikanzkriterien hinausgehend - eine Beurteilung der Fernkopplungen in Hinblick auf ihre Bedeutung f{\"u}r den Niederschlag im s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Afrika gestattet. Die hierzu durchgef{\"u}hrten Arbeitsschritte umfassen im Wesentlichen: i.) hauptkomponentenbasierte Regionalisierung des Niederschlags im s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Afrika, ii.) Entwurf einer sog. multisaisonalen Analysemethode zur Ermittlung der intrasaisonalen Persistenz der Kopplungen, iii.) intensive Nutzung und Weiterentwicklung bivariater Techniken der Telekonnektionsanalyse, iv.) Anwendung und Ergebnisvergleich verschiedener multivariater Methoden (SFPCA, CCA, SVD), v.) Neuentwicklung einer dreistufigen Methodenkombination zur Extraktion sog. Hauptkopplungsmodi, vi.) zirkulationsdynamische Analyse der Hauptkopplungsmodi hinsichtlich plausibler Kopplungsmechanismen. F{\"u}r acht Hauptkopplungsmodi konnten Erkl{\"a}rungsmodelle f{\"u}r den Transport von Anomaliesignalen zwischen den jeweils involvierten Telekonnektionszentren des globalen Druckfeldes und den korrelierten Niederschlagsschwankungen in den Regionen des s{\"u}dlichen Afrikas aufgezeigt werden, die sich sowohl hinsichtlich der r{\"a}umlichen Verteilung der Zentren als auch prozessual in vier Hauptgruppen zusammenfassen lassen: 1.) ENSO-Telekonnektionen: Das pazifische ENSO-System stellt sich als dominierender Modus hinsichtlich der Telekonnektionen des s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Niederschlags in Afrika dar. W{\"a}hrend eine positive Abh{\"a}ngigkeit des fr{\"u}hsommerlichen Niederschlags in Ostafrika durch Variationen der tropischen Walkerzirkulation des Indischen Ozeans etabliert wird, werden die insgesamt st{\"a}rksten Kopplungen im s{\"u}dwestlichen Kontinetalbereich im Sp{\"a}tsommer festgestellt. Als Kopplungsmechanismus wird hier eine h{\"o}henkonvergente Str{\"o}mungskonfiguration {\"u}ber dem S{\"u}dostatlantik und S{\"u}dafrika erkannt, die {\"u}ber Anomalieimpulse der Walkerzirkulation des Atlantiks mit den pazifischen ENSO-Anomalien verkn{\"u}pft ist. 2.) Wellendynamik der s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Westwinddrift: Zwei Hauptkopplungsmodi beschreiben die Einbindung der H{\"o}hentrogaktivit{\"a}t {\"u}ber dem s{\"u}dlichen Afrika in Telekonnektionsmuster der S{\"u}dhemisph{\"a}re. Beide beeinflussen die Niederschlagsvariabilit{\"a}t im S{\"u}den Afrikas durch die Modifikation von H{\"o}hentroglagen {\"u}ber der S{\"u}dostk{\"u}ste S{\"u}dafrikas, die in ihrem westlichen R{\"u}ckseitenbereich konvektionshemmend wirken und einen Impuls zu anomal trockenen Verh{\"a}ltnissen in den betroffenen Niederschlagsregionen aus{\"u}ben. 3.) Auftrittsh{\"a}ufigkeit und Intensit{\"a}t tropischer Zyklonen im s{\"u}dwestlichen Indischen Ozean: Die auf saisonaler Zeitskala mit tropischen Zyklonen assoziierten großskaligen Zirkulationsanomalien {\"u}berwiegen bzw. kompensieren Effekte der Niederschlagserh{\"o}hung durch Starkregenereignisse im s{\"u}d{\"o}stlichen Afrika. Sowohl eine Verlagerung des Hauptkonvektionsgebietes als auch die Auswirkungen auf die Luftmassenadvektion {\"u}ber dem Subkontinent verursachen tendenziell trockenere Verh{\"a}ltnisse in Regionen des s{\"u}d{\"o}stlichen und zentralen s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Afrikas bei verst{\"a}rkter Zyklonalaktivit{\"a}t im Sp{\"a}tsommer. 4.) Telekonnektionen mit der Zirkulation der subtropischen und mittleren Breiten der Nordhemisph{\"a}re: Vier Hauptkopplungsmodi repr{\"a}sentieren Zusammenh{\"a}nge v.a. der fr{\"u}hsommerlichen Niederschlagsvariabilit{\"a}t in Ostafrika. Die Schl{\"u}sselrolle bei der prozessualen Verzahnung der außertropischen Zirkulation mit innertropischen Konvektionsanomalien nimmt die H{\"o}henstr{\"o}mung im Bereich des Subtropenjetstreams {\"u}ber S{\"u}dwestasien ein, welche mit der Variabilit{\"a}t der Meridionalstr{\"o}mung im hochtroposph{\"a}rischen Str{\"o}mungsast der Hadleyzelle {\"u}ber Nordostafrika verkn{\"u}ft ist. Diese wiederum ist mittels Horizontaldivergenzanomalien an die Konvektionst{\"a}tigkeit {\"u}ber dem {\"a}quatornahen Ostafrika gekoppelt. ; Neben Telekonnektionen des s{\"u}dafrikanischen Niederschlags bez{\"u}glich der atmosph{\"a}rischen Zirkulation wurden Zusammenh{\"a}nge mit der Variabilit{\"a}t der Meeresoberfl{\"a}chentemperaturen untersucht. Bis auf das ENSO-System und den sog. Dipolmodus im Indischen Ozean, konnten keine weiteren bedeutenden, auf der interannuellen Zeitskala wirksamen ozeanischen Einfl{\"u}sse auf die Atmosph{\"a}re festgestellt werden, die zur weiteren Erkl{\"a}rung von Niederschlagstelekonnektionen beitragen. Die Ergebnisse der Arbeit lassen den Einsatz der Methoden bei der Analyse zeitversetzter Telekonnektionen im Rahmen prognostischer Modellierung der telekonnektiv beeinflussten Niederschlagsvariabilit{\"a}t im s{\"u}dhemisph{\"a}rischen Afrika als aussichtsreich erscheinen.},
  subject      = {S{\"u}dafrika},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Beyer2001,
  author    = {Beyer, Ulrike},
  title     = {Regionale Niederschlags{\"a}nderungen in Namibia bei anthropogen verst{\"a}rktem Treibhauseffekt},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-1181615},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2001},
  abstract  = {Diese Dissertation pr{\"a}sentiert Ergebnisse regionaler Niederschlagsabsch{\"a}tzungen f{\"u}r Namibia bei anthropogen verst{\"a}rktem Treibhauseffekt, die mit der Methode des Statistischen Downscaling erzielt wurden. {\"U}ber statistische Transferfunktionen werden Beziehungen zwischen großskaliger atmosph{\"a}rischer Zirkulation und Namibischen Sommerregen aufgestellt. Dazu werden in einer 30-j{\"a}hrigen Kalibrierungsperiode Hauptkomponenten von Geopotentiellen H{\"o}hen verschiedener atmosph{\"a}rischer Niveaus (300, 500, 1000hPa) mit den Niederschlagsmonatssummen (November bis M{\"a}rz) von 84 Namibischen Stationen durch multiple Regressionsanalysen verkn{\"u}pft, die f{\"u}r jede Station oder alternativ f{\"u}r Gitternetzniederschlagsdaten berechnet werden. Nach der Verifikation der statistischen Zusammenh{\"a}nge in einem unabh{\"a}ngigen Zeitraum werden Regressionsmodelle jener Stationen bzw. Gitterpunkte selektiert, die mit signifikanten Korrelationen von r>0.4 zwischen beobachteten und modellierten Werten ausreichende Qualit{\"a}t garantieren. Diese Modelle werden eingesetzt, um unter Verwendung simulierter ECHAM3-T42 und ECHAM4tr-T42 Geopotentialdaten den lokalen Niederschlag f{\"u}r die jeweiligen Treibhauseffekt-Szenarien abzusch{\"a}tzen. Als zus{\"a}tzliche Methode, um die großskalige atmosph{\"a}rische Zirkulation mit lokalen Stationsdaten zu verkn{\"u}pfen, werden kanonische Korrelationsanalysen durchgef{\"u}hrt. Unabh{\"a}ngig von der Verfahrensweise resultieren f{\"u}r Klimabedingungen dreifacher bzw. transient ansteigender CO2-Konzentrationen im Vergleich zu einem Referenzzeitraum (1961-90) zunehmende Niederschl{\"a}ge in den n{\"o}rdlichen und {\"o}stlichen Teilen Namibias von Dezember bis Februar. In den s{\"u}dlichen und s{\"u}dwestlichen Regionen sind von November bis Januar geringe Abnahmen zu verzeichnen. Die Absch{\"a}tzungen f{\"u}r M{\"a}rz zeigen einen deutlichen R{\"u}ckgang der Niederschl{\"a}ge in ganz Namibia. Diese Ergebnisse weisen auf eine intensivierte, akzentuiertere Regenzeit hin, auch wenn die Gesamtmenge der Niederschl{\"a}ge unter Bedingungen des anthropogen verst{\"a}rkten Treibhauseffekts mehr oder weniger gleich bleibt. Daher ist es von besonderer Bedeutung, die Absch{\"a}tzungen der Niederschlags{\"a}nderungen auf monatlicher Ebene durchzuf{\"u}hren. Weitere Untersuchungen beinhalten die Trennung thermischer und dynamischer Effekte in den zur Absch{\"a}tzung herangezogenen ECHAM3 und ECHAM4 Zirkulationsdaten. Durch die globale Erw{\"a}rmung kommt es zu einer Anhebung der Geopotentiellen H{\"o}hen der Treibhauseffekt-Szenarien. Durch die Korrektur des Uplifting-Prozesses werden dynamisch induzierte Auswirkungen auf das Niederschlagsgeschehen erfasst. {\´A}us der Verwendung uplifting-korrigierter Geopotentialdaten als Pr{\"a}diktoren in der Downscaling-Prozedur resultieren sowohl im positiven als auch negativen Bereich geringere {\"A}nderungsraten in den Absch{\"a}tzungsergebnissen. Ohne Zweifel reagiert das Klimasystem auf den anthropogen verst{\"a}rkten Treibhauseffekt. In Bezug auf zuk{\"u}nftige Namibische Sommerregen ist es von besonderer Bedeutung die Auswirkungen des Treibhauseffekts regional und temporal zu differenzieren.},
  subject      = {Namibia},
  language  = {de}
}