Analysis of the extratropical stratosphere-troposphere circulation coupling using a 3D normal mode approach

• Author(s): Liberato, Margarida L. R.
• Date: 2008
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/1545
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Meteorologia; Teses de doutoramento
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: English
• Advisor(s): Câmara, Carlos Portugal da, 1957-; Castanheira, José M.
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de doutoramento em Física (Meteorologia), apresentada à Universidade de Lisboa através da Faculdade de Ciências, 2008

The annular nature of the leading patterns of the Northern Hemisphere winter extratropical circulation variability is analysed by means of a Principal Component Analysis (PCA) of tropospheric geopotential height fields followed by lagged correlations of relevant Principal Components with the stratospheric polar vortex strength as well as with a proxy of midlatitude tropospheric zonal mean zonal momentum anomalies. Results suggest that two processes, occurring with a time scale separation of about two weeks, contribute for the Northern Annular Mode (NAM) spatial structure. Polar vortex anomalies appear to be associated with midlatitude tropospheric zonal momentum anomalies leading the vortex. Zonal mean zonal wind anomalies of the same sign lagging the vortex are then observed in the troposphere at high latitudes. Tropospheric variability patterns which seem to respond to the polar vortex variability have a hemispheric scale. A dipolar structure may be observed only over the Atlantic basin that resembles the North Atlantic Oscillation pattern (NAO), but with the node line shifted northward. The association between zonal symmetric components of the tropospheric and stratospheric circulations is further confirmed by a PCA on the barotopic component of the Northern winter atmospheric circulation. Results show that a zonally symmetric component of the middle and lower tropospheric circulation variability exists at high latitudes. At the middle latitudes obtained results suggest that the zonally symmetric component, as identified in other works, is artificially overemphasized by the usage of PCA on single isobaric tropospheric levels. The 3-Dimensional normal mode expansion of the atmospheric general circulation was also used to relate the variability of the stratospheric polar vortex to the energy variability of the forcing planetary waves. Positive (negative) anomalies of the energy associated with the first two baroclinic modes of planetary Rossby waves with zonal wavenumber 1 are followed by downward progression of negative (positive) anomalies of the vortex strength. The analysis of the correlations between individual Rossby modes and the vortex strength further contributed to confirm the result from linear theory that the waves which force the vortex are those associated with the largest zonal and meridional scales.

Nas últimas décadas assistiu-se a um interesse crescente pelo estudo da interacção entre a troposfera e a estratosfera extratropicais. A atenção dedicada a este tema justifica-se, em boa parte, pela relação existente entre a variabilidade estratosférica e os modos anulares na troposfera. Cada vez mais se tem maior evidência de que os processos dinâmicos na estratosfera desempenham um papel significativo na variabilidade climática da troposfera através de uma larga gama de escalas temporais. Com efeito, as relações estatísticas entre a intensidade do vórtice polar e a circulação troposférica estendem-se até à superfície, podendo tornar-se úteis para a previsão do tempo à escala mensal [Baldwin e Dunkerton 2001], bem como para uma melhor compreensão da variabilidade climática. O acoplamento dinâmico estratosfera-troposfera tem influência na variabilidade climática da circulação troposférica [Perlwitz e Graf 1995; Thompson e Wallace 1998; Castanheira e Graf 2003], tendo Perlwitz e Graf [1995] mostrado que anomalias da circulação estratosférica exercem influência sobre os regimes de circulação da troposfera e posteriormente sugerido que a reflexão de ondas planetárias desempenhava papel importante [Perlwitz e Graf 2001a]. Outros autores [Hines 1974; Geller e Alpert 1980; Schmitz e Grieger 1980; Perlwitz e Harnik 2003] têm igualmente sugerido a reflexão descendente da energia das ondas pela estratosfera de volta à troposfera como constituindo um mecanismo pelo qual a estratosfera pode afectar a troposfera. Nas latitudes elevadas do Hemisfério Norte, a variabilidade da estratosfera édominada por intensificações e desacelerações esporádicas do vórtice polar, que ocorrem com escalas temporais da ordem de semanas a meses durante o Inverno [Holton e Mass 1976; Yoden 1990; Scott e Haynes 1998]. O forçamento troposférico da variabilidade estratosférica é então explicado pela propagação vertical de ondas, que transferem momento e energia para a estratosfera. Contudo, os mecanismos dinâmicos pelos quais a troposfera reage a variações da estratosfera não estão ainda bem compreendidos. Muitos estudos recentes do acoplamento dinâmico entre a estratosfera e a troposfera enfatizam a dinâmica do escoamento médio zonal relacionada com os Modos Anulares [Baldwin e Dunkerton 1999; 2001; Kuroda e Kodera 1999; Kodera et al. 2000; Christiansen 2001; Ambaum e Hoskins 2002; Black 2002; Polvani e Kushner 2002; Plumb e Semeniuk 2003]. Acresce que as observações, em particular, mostram que anomalias elevadas na intensidade do vórtice polar estratosférico descem à baixa estratosfera, sendo seguidas por regimes meteorológicos troposféricos anómalos semelhantes ao Modo Anular do Hemisfério Norte (NAM) [Baldwin e Dunkerton 1999; 2001; Thompson et al. 2002]. O fenómeno de aquecimento súbito estratosférico (SSWs - Sudden Stratospheric Warmings) domina a variabilidade da circulação estratosférica durante o Inverno do Hemisfério Norte, tendo-se que os SSWs envolvem interacções entre o escoamento zonal da estratosfera polar e as ondas planetárias de propagação ascendente, principalmente com números de onda zonal 1 e 2 [Andrews et al. 1987]. Durante um SSW as temperaturas estratosféricas polares aumentam e o escoamento médio zonal enfraquece dramaticamente num curto intervalo de tempo. Com este enfraquecimento do escoamento zonal, a circulação estratosférica torna-se extremamente assimétrica e o vórtice estratosférico polar é afastado do pólo. Nos casos mais dramáticos, as temperaturas podem subir cerca de 50 K, e o escoamento estratosférico circumpolar pode reverter em apenas alguns dias [Limpasuvan et al. 2004]. Nesta conformidade, procede-se ao estudo da natureza anular dos principais padrões de variabilidade da circulação extratropical durante o Inverno do Hemisfério Norte e apresentam-se resultados que evidenciam a separação entre as componentes anular e não anular da variabilidade da circulação atmosférica do Hemisfério Norte. Efectua-se uma Análise em Componentes Principais dos campos troposféricos da altura do geopotencial, procedendo-se, em seguida, a um estudo das correlações desfasadas das Componentes Principais relevantes com a intensidade do vórtice polar estratosférico e com um proxy das anomalias das médias zonais do vento zonal nas latitudes médias da troposfera. Os dados utilizados consistem em reanálises do European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF ERA-40) [Uppala et al. 2005]. Os resultados sugerem que os processos, que contribuem para a estrutura espacial do NAM, ocorrem em duas fases distintas, separadas por cerca de duas semanas. Anomalias das médias zonais do vento zonal nas latitudes médias da troposfera precedem, em cerca de uma semana, anomalias, de igual sinal, na intensidade do vórtice polar. Posteriormente às anomalias do vórtice polar, observam-se anomalias, de igual sinal, no vento médio zonal, na troposfera em latitudes elevadas. Estes resultados sugerem, pois, que o padrão dominante da variabilidade troposférica (o NAM), abundantemente referido na literatura, representa variabilidade associada a uma mistura de processos desfasados no tempo. Os padrões de variabilidade troposféria, que surgem como resposta à variabilidade do jacto polar boreal, apresentam uma escala hemisférica embora contenham uma estrutura dipolar, localizada apenas sobre a bacia Atlântica. Embora esse dipolo se assemelhe ao padrão da NAO, a linha nodal surge deslocada para Norte. A natureza dinâmica da AO e da NAO é ainda investigada através de uma nova abordagem que combina os métodos tradicionais multivariados, como a Análise em Componentes Principais, com um procedimento de filtragem dinâmica baseado na análise tridimensional de modos normais da circulação global da atmosfera, cuja utilização se justifica na medida em que proporciona uma filtragem dos dados determinada pela própria natureza termohidrodinâmica do escoamento atmosférico. Com efeito, para além da decomposição da análise de Fourier em número de onda zonal, o esquema de modos normais permite ainda uma separação nas escalas espaciais meridional e vertical e, sobretudo, assegura uma decomposição do campo da circulação nas suas componentes rotacional e divergente. Os dados utilizados consistem em reanálises do National Centers for Environmental Prediction National Center for Atmospheric Research (NCEP-NCAR; Kalnay et al. 1996; Kistler et al. 2001). Analisam-se as variabilidades anular e não anular da circulação extratropical durante o Inverno do Hemisfério Norte, tendo-se que os resultados obtidos mostram que metade da variabilidade mensal da circulação barotrópica, com simetria zonal, do Hemisfério Norte, representada pela primeira EOF, é estatisticamente distinta da variabilidade remanescente. A correlação dos índices NAM da baixa estratosfera com as séries temporais diárias das anomalias da circulação projectadas sobre a primeira EOF é elevada (r > 0.7), evidenciando o facto de que a variabilidade anular se estende desde a estratosfera até à troposfera. A realização de uma Análise em Componentes Principais à variabilidade residual do campo da altura do geopotencial aos 500-hPa definida como a variabilidade remanescente após subtracção do campo da altura do geopotencial aos 500-hPa projectado sobre o índice NAM da baixa estratosfera revela também um padrão com uma componente zonalmente simétrica nas latitudes médias. Contudo, esta componente zonalmente simétrica surge na segunda EOF da variabilidade residual e corresponde a dois dipolos independentes sobre os oceanos Pacífico e Atlântico. Estes resultados evidenciam a existência, nas latitudes elevadas, de uma componente zonalmente simétrica da variabilidade da circulação da baixa e média troposferas. Nas latitudes médias, a componente zonalmente simétrica da variabilidade da circulação a existir é, pois, artificialmente enfatizada pela utilização da Análise em Componentes Principais em níveis isobáricos troposféricos únicos. O acoplamento dinâmico estratosfera-troposfera foi também estudado através da análise da energia associada às ondas planetárias. A expansão em modos normais tridimensionais da circulação geral da atmosfera proporciona a separação da energia total (cinética + potencial disponível) da atmosfera entre energia associada a ondas planetárias ou de Rossby e a ondas gravítico-inerciais, com estruturas verticais barotrópica ou baroclínicas. A análise, aqui efectuada, distingue-se das análises tradicionais, pois o forçamento estratosférico é diagnosticado em termos das anomalias da energia total associada a ondas tridimensionais, em vez das anomalias dos fluxos de calor e de momento associados a componentes de Fourier obtidas através de uma decomposição unidimensional da circulação atmosférica. No contexto da dinâmica da interacção entre as ondas e o escoamento médio e através do estudo das correlações desfasadas entre a intensidade do jacto polar e a energia das ondas, investigou-se a forma como o vórtice polar oscila em função da energia total das ondas de Rossby. Foi também analisada a forma como ambas as escalas, zonal e meridional, dos modos de Rossby interagem com a intensidade do vórtice. Os resultados indicam que um aumento da energia total é acompanhado por um aumento da propagação de ondas de número de onda zonal 1 para a estratosfera, que desaceleram o jacto. A análise da correlação entre os modos de Rossby individuais e a intensidade do vórtice confirmam ainda os resultados da teoria linear que indicam que as ondas que forçam o vórtice polar são as associadas com as maiores escalas zonal e meridional. Finalmente, efectuaram-se análises de compósitos aos dois tipos de fenómenos de aqueciment

Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), (SFRH / BD / 32640 / 2006)