Statistical modeling of precipitation for agricultural planning in the Volta Basin of West Africa [Elektronische Ressource] / von Patrick Laux

Statistical modeling of precipitation for agricultural planning in the Volta Basin of West Africa [Elektronische Ressource] / von Patrick Laux

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Heft 179 Patrick Laux Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta Basin of West Africa Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta Basin of West Africa Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Patrick Laux aus Wadern Hauptberichter: Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. András Bárdossy Mitberichter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jucundus Jacobeit Tag der mündlichen Prüfung: 16. Januar 2009 Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart 2009 Heft 179 Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta Basin of West Africa von Dr.-Ing. Patrick Laux Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart D93 Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta Basin of West Africa Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Laux, Patrick: Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta Basin of West Africa. / von Patrick Laux. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart. - Stuttgart: Inst. für Wasserbau, 2009 (Mitteilungen / Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart: H. 179) Zugl.: Stuttgart, Univ.

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Published 01 January 2009
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Language English
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Heft 179 Patrick Laux

Statistical Modeling of Precipitation
for Agricultural Planning
in the Volta Basin of West Africa




Statistical Modeling of Precipitation
for Agricultural Planning
in the Volta Basin of West Africa






Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der
Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung



Vorgelegt von
Patrick Laux
aus Wadern




Hauptberichter: Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil. András Bárdossy
Mitberichter: Prof. Dr. rer. nat. habil. Jucundus Jacobeit


Tag der mündlichen Prüfung: 16. Januar 2009









Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart
2009





Heft 179 Statistical Modeling of
Precipitation for Agricultural
Planning in the Volta Basin of
West Africa



von
Dr.-Ing.
Patrick Laux












Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart D93 Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta
Basin of West Africa























Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek


Laux, Patrick:
Statistical Modeling of Precipitation for Agricultural Planning in the Volta Basin
of West Africa. / von Patrick Laux. Institut für
Wasserbau, Universität Stuttgart. - Stuttgart: Inst. für Wasserbau, 2009

(Mitteilungen / Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart: H. 179)
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2009)
ISBN 978-3-933761-83-5

NE: Institut für Wasserbau <Stuttgart>: Mitteilungen


Gegen Vervielfältigung und Übersetzung bestehen keine Einwände, es wird lediglich
um Quellenangabe gebeten.




Herausgegeben 2009 vom Eigenverlag des Instituts für Wasserbau
Druck: Document Center S. Kästl, Ostfildern



ABSTRACT

Water availability plays a vital role in the promotion of economic growth and reduction of
poverty in the Volta Basin. Due to the increasing population pressure, there is a rapidly
increasing demand for water. Climate change additionally impacts water availability and
may aggravate water scarcity in the future. Agriculture is the major water consuming
sector in the Volta Basin. High rainfall variability of the past often led to shortages in food
supply and famines, especially in the Sahel.
In such regions, where rainfall is limited to only few months per year, the exact
determination of the rainy seasons’ onset is of crucial interest for farming management.
Every year, farmers are faced with the question when to start sowing. Do the first rainfalls
after the dry season resemble the onset of the rainy season or not? The farmers' seeds
and effort will be lost if no significant rainfall follows within the following weeks after
sowing. If they do not sow but the first rains were already part of the rainy season,
valuable time for agricultural production is lost. Apparently, the benefits of a solution to
this problem would be enormous. Therefore, one major goal of this thesis is to find
relevant indicators to reliably predict the rainy season's onset. To archive this goal, two
different strategies were followed within the context of the doctoral thesis:
• The first strategy tackles the problem using solely the measured rainfall time
series. Linear discriminant analysis and linear regression analysis were used
to predict the onset of the rainy season.
• The second strategy uses large-scale meteorological reanalysis fields from
GCM output. A multi objective fuzzy logic-based classification algorithm is
used to link large-scale meteorological conditions with the onset of the rainy
season.
Apart from the onset of the rainy season, different rainfall characteristics are analyzed,
which are important for agricultural management. These are rainfall occurrence
probability, rainfall amount and dry spell probability and are presented as risk maps,
suitable for agricultural decision support in the Volta Basin. Drought analysis on regional
scale is conducted. The Effective Drought Index is used to derive drought duration,
drought intensity, and drought interarrival time. A bivariate Copula approach is therefore
used to model the regional return periods of droughts using jointly drought duration and
drought intensity.
For the investigation of the impact of climate change on these agro-meteorological
characteristics, local rainfall information on daily time scale is required. Especially in
i regions with weak infrastructure like the Volta Basin, all the applied methodologies are
hampered by the fact that only little and incomplete meteorological information is
available. Statistical downscaling of coarse resolved global circulation models (GCMs) in
companion with stochastic rainfall simulation is applied alternatively to avoid these
shortcomings. The performance of two different statistical approaches, a simple weather
generator and a more sophisticated combined weather pattern classification and
simulation approach are evaluated in the context of that doctoral thesis. For the latter, the
performance is depending on various factors like e.g. the choice of the predictor(s), the
location and size of the domain etc.
The impact of climate change on rainfall variability in the Volta Basin is elaborated in
terms of future rainy season onset dates and weather pattern frequencies using the A1B
scenario driven ECHAM5 model output. For the future time slice 2011-2040, a drastic
delay in the onset of the rainy season is expected. Wet and droughty weather patterns
are expected to increase in the two northernmost regions of the Volta Basin.
Finally, the impact of rainfall variability on crop yield is investigated via multiple linear
regression analysis. Rainfall variability has been assessed in terms of the annual rainfall
amount, the number of rainy days, the onset, cessation and length of the rainy season
and the annual mean of the monthly averaged Effective Drought Index. Regression
models, which explain up to 80% of the total variance of crop yield, could be established.
It is found, that the annual precipitation amount is the dominant factor to estimate crop
yield.
ii KURZFASSUNG

Einleitung:
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der statistischen Modellierung von
Niederschlag für landwirtschaftliche Zwecke im Voltabecken in Westafrika und ist
eingebunden in das GLOWA Volta Projekt (GVP). Das GVP verfolgt das
übergeordnete Ziel der Analyse der physischen und sozioökonomischen Bedingungen
des Wasserkreislaufs im Voltabecken und der diesbezüglichen Auswirkungen des
globalen Klimawandels. Darauf aufbauend wird ein wissenschaftlich fundiertes System
zur Entscheidungshilfe (Decision Support System – DSS) im Bereich des
Wasserressourcenmanagements entwickelt. Das DSS ist als interdisziplinäres
Rahmenwerk zur Überwachung und Simulation des Wasserressourcenflusses geplant.
Entscheidungsträgern soll damit die Einschätzung des Einflusses verschiedener
Faktoren auf die soziale, ökonomische und biologische Produktivität der
Wasserressourcen erleichtert werden. Diese Arbeit liefert in diesem Zusammenhang
eine wissenschaftliche Basis in Form von Entscheidungshilfeinstrumenten bezüglich
der exakten Terminierung des Regenzeitbeginns für die Landwirtschaft. Für Regionen
mit vorherrschend praktiziertem Regenfeldbau und einer zeitlich begrenzter
Wasserverfügbarkeit (Regenzeit) ist die Terminierung des Regenzeitbeginns
(gleichbedeutend mit dem Aussaatdatum) von zentraler Bedeutung für die
landwirtschaftliche Produktion: bleiben nach einer frühen Aussaat die Niederschläge
für längere Zeit aus, kann dies zum Totalverlust der Ernte führen; eine späte Aussaat
hingegen verkürzt die Wachstumsperiode und führt zu Ertragseinbußen.
Das Projekt ist Teil des übergeordneten GLOWA Programms, das vom
Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert wird. Zusätzliche Mittel
werden vom Ministerium für Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-
Westfalen zur Verfügung gestellt.
Die in dieser Doktorarbeit bearbeiteten übergeordneten Fragestellungen sind:
• Entwicklung einer Definition des Regenzeitbeginns im landwirtschaftlichen
Sinn (Terminierung des Anpflanzzeitpunktes) für das Voltabecken.
• Vorhersage des Regenzeitbeginns im Voltabecken.
• Einfluss der globalen Klimaänderung auf die Niederschlagsvariabilität im
Voltabecken.
Die Innovationen dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen:
iii • Entwicklung einer regionalen und Fuzzy-Logik basierten Definition des
Regenzeitbeginns, die auf die Terminierung des optimalen Aussaattermins
ausgerichtet ist. Darauf aufbauend Anwendung von linearer
Diskriminanzanalyse zur Vorhersage des Regenzeitbeginns im Voltabecken
mit einer Trefferquote bis zu 80%.
• Identifikation 1) großskaliger Wetterlagen mit dem singulären Ereignis
Regenzeitbeginn durch die Verwendung eines Fuzzy Regel basierten
Klassifikationsalgorithmus, 2) besonders feuchter und trockener Wetterlagen
im Voltabecken und 3) geeigneter Prädiktoren.
• Analyse der mit der globalen Klimaänderung bis 2040 erwarteten
Veränderung der Häufigkeiten dieser Wetterlagen auf Basis des
Emissionsszenarios A1B und ECHAM5.
• Entwicklung einer auf dem Effective Drought Index EDI basierenden
Dürredefinition für das Voltabecken. Analyse der Wiederkehrintervalle von
Dürren im Voltabecken mittels Copula Ansatz.
Untersuchungsgebiet:
Das in Westafrika gelegene Voltabecken (Abbildung I) umfasst eine Fläche von ca.
2414000 km , wobei Ghana mit 40% und Burkina Faso mit 42% den größten Anteil an der
Gesamtfläche teilen. Weitere an der Gesamtfläche des Voltabeckens beteiligte Länder
sind Benin, Togo, Niger, Mali und Elfenbeinküste. Das Voltabecken setzt sich aus
mehreren Teileinzugsgebieten zusammen, von denen die der Schwarzen- und Weißen
2Volta die größten sind. Beide Flüsse münden in den ca. 8500 km großen Volta Stausee,
welcher durch den im Südosten Ghanas liegenden Akosombodamm aufgestaut wird.
Der Volta Stausee stellt den flächenmäßig größten vom Menschen vollständig
geschaffenen Stausee der Erde dar.

Abbildung I: Volta – Einzugsgebiet (Modifizierte Abb.: MARX et al., 2007).
iv