Clouds and convection in the tropics and subtropics:models, observations, and parameterizations

• Autor(es): Cardoso, Sambingo da Silva, 1978-
• Data: 2013
• Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10451/9312
• Origem: Repositório da Universidade de Lisboa
• Assunto(s): Camada limite (Meteorologia); Hidrodinâmica; Teses de doutoramento - 2013
• Tipo de Documento: Tese de doutoramento
• Idioma: Inglês
• Orientador(es): Miranda, Pedro M. A., 1954-; Gettelman, Andrew
• Contribuidor(es): Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2013

The GPCI (GCSS / working group on numerical experimentation Pacific Cross-section Intercomparison) project offers a new approach for the intercomparison of models, by focusing the analysis on a single cross section in the NE Pacific ocean. It is targeted at the stratocumulus, shallow cumulus, and deep convection regimes, as well as the respective transitions. Three-hourly satellite observations and model simulations were prepared for GPCI for the JJA season. The seasonal mean results for variables such as total cloud cover, liquid water path, and outgoing longwave radiation show high scatter among models. Mean vertical velocity, and relative humidity, suggest good, overall, representation of the Hadley circulation. Still, differences exist between models (e.g., in the intensity of the deep convection, or humidity content in the boundary layer). The main cloud types are represented differently (e.g., too low stratocumulus clouds). The transitions between stratocumulus and shallow cumulus show two distinct behaviours (smooth versus abrupt with bimodal nature) reflecting distinct cloud parameterization approaches. None of them reproduces well the observations. Following GEPAT (Grade-based Empirical Pattern Analysis Technique), different cloud patterns were analyzed in terms of the means of associated parameters. Model relative humidity has negative biases in the boundary layer and subtropical mid troposphere. sBLT (sequential Boundary-Layer-Top determination scheme) offered a more thorough characterization of the boundary layer (top). Mean BLT height and strength show big spread among models. Models disagree in the time of the diurnal maxima of relative humidity, cloud fraction, and liquid water content. Precipitation lacks in diurnal amplitude in the deep convection area. The “Scinertia” concept was introduced, based on the analysis of diurnal cycle results for cloud cover and low tropospheric stability. GPCI proved useful for the work presented below, both in the characterization of model shortcomings, and in helping envision avenues for future investigation using models and observations.

Apesar dos consideráveis avanços dos últimos 20 anos ao nível da parametrização de nuvens, a representação de nuvens ainda é um desfio para as comunidades de modelação do tempo e do clima. A urgência do desenvolvimento de parametrizações de nuvens para modelos de circulação geral (GCM) é reforçada pelo facto de a quantidade de nuvens gerada pelos modelos ter um impacto significativo no comportamento do sistema climático previsto pelos modelos. Em particular, os atuais modelos de clima tendem a responder de forma diferente em experiências de sensibilidade das mudanças climáticas. Deficiências nas parametrizações resultam igualmente numa representação inconsistente do ciclo hidrológico ao nível termodinâmico, o que acarreta importantes consequências para a simulação da circulação atmosférica tropical e subtropical. Estes tópicos são investigados por diferentes grupos do GCSS (Global energy and water cycle experiment Cloud System Study), cuja estratégia tem sido bem sucedida na definição e compreensão de regimes de nuvens fundamentais, e no desenvolvimento e melhoramento de parametrizações de nuvens. No entanto, o uso exclusivo de versões unidimensionais dos modelos atmosféricos, tradicionalmente feito no GCSS, não permite uma compreensão profunda do papel fundamental das nuvens no clima, o que implica que as parametrizações têm de ser testadas nas versões completas (tridimensionais) dos GCMs. Essa é uma tarefa que pode ter que envolver a análise de enormes quantidades de dados de simulações numéricas. Neste contexto, o projeto GPCI (GCSS / working group on numerical experimentation Pacific Cross-section Intercomparison) oferece uma nova (e menos pesada) abordagem para a intercomparação de GCMs, focando a análise num número reduzido de localizações ao longo de uma secção, e permitindo uma integração de dados de modelos e de observações relativamente simples. GPCI tem estado centrado nos (sub)trópicos do sector NE do oceano Pacífico, e desenvolveu um programa especificamente dedicado à investigação de regimes de nuvens fundamentais que tipicamente ocorrem nas fronteiras orientais dos oceanos (sub)tropicais, nomeadamente, estratocúmulos, cúmulos pouco profundos, torres de convecção profunda, e as transições entre eles. O conhecimento ganho a partir de uma análise detalhada do comportamento destes sistemas de nuvens e dos ambientes dinâmicos e termodinâmicos a eles associados, recorrendo a dados de alta resolução temporal obtidos de observações e de modelos de previsão do tempo e do clima, deverá oferecer pistas para o desenvolvimento e melhoramento de novas parametrizações de nuvens, camada limite e convecção. Tendo sido desenvolvida em estreita ligação com o projeto GPCI, a investigação apresentada nesta tese foi orientada segundo as linhas dos principais objetivos e questões científicas do projeto. GPCI pode ser visto como um projeto de intercomparação de nível 2, em que todos os modelos participantes têm de seguir um conjunto comum de especificações e protocolos predefinidos. A condição básica imposta foi a de que os modelos deveriam correr em modo de clima, usando temperatura da superfície do mar (SST) prescrita como condição fronteira. O período de interesse corresponde a junho-julho-agosto (JJA). A região geográfica a estudar esta compreendida entre -5ºN a 45ºN e 160ºE a 240ºE, e inclui 13 localizações ao longo de uma secção. Os resultados das simulações numéricas foram pedidos numa resolução temporal de 3 horas para variáveis na forma de perfis verticais e para variáveis a um nível fixo. Mais de vinte instituições de previsão do tempo e do clima aderiram ao projeto e extensas quantidades de dados de satélite foram preparados para uso no GPCI. A análise de dados de modelos e de reanálises sugere que é possível estudar os principais aspetos da fenomenologia das nuvens, recorrendo apenas a uma secção individual alinhada com a circulação atmosférica associada à circulação da célula de Hadley na região em causa. Uma análise preliminar de dados de modelos e de observações, com o objetivo de se obter uma visão geral das caraterísticas médias do ciclo hidrológico durante o verão na região GPCI, foi feita com particular enfase na distribuição vertical das nuvens, e nos processos que envolvem fatores dinâmicos e ambientais que têm um papel na manutenção dos campos de nuvens. As médias sazonais da maior parte das variáveis (e.g., cobertura nebulosa total [TCC], conteúdo de água líquida integrado na vertical [LWP], e radiação emergente de longo comprimento de onda [OLR]) são caracterizadas por um elevado grau de dispersão entre os vários modelos, que raramente mostram uma boa concordância com as observações em todos os pontos da secção. Perfis médios de velocidade vertical (w) e de humidade relativa (RH), sugerem que as características básicas da circulação atmosférica regional imposta pela célula de Hadley são, de um modo geral, bem representadas, apesar de, em detalhe, existirem diferenças substanciais entre os vários modelos (e.g., na intensidade da convecção profunda, ou no conteúdo em humidade na camada limite). Uma comparação da distribuição vertical de cobertura nebulosa (CF) nos vários modelos, mostrou bem os desafios da parametrização e simulação de nuvens em GCMs, com as simulações a mostrarem uma variedade de comportamentos ao nível da representação dos diferentes tipos de nuvens (e.g., estratocúmulos demasiado baixos) e das transições entre eles (e.g., presença de mais do que uma camada de nuvens nas áreas de transição). Estes resultados foram validados com observações da ocorrência de nuvens obtidas com os satélites CloudSat e CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations). Um estudo ao nível dos processos físicos relevantes para as nuvens, revelou que, de um modo geral, existe uma resposta notória da circulação de larga escala a mudanças na SST prescrita nos modelos. As respostas de outras variáveis, tais como, balanço da radiação de pequeno comprimento de onda no topo da atmosfera (NSRTOA) e TCC, são ainda mais pronunciadas e variam de modelo para modelo. O facto de, na maior parte dos modelos, a resposta ao aumento da SST nem sempre ser coerente entre as diferentes variáveis, aponta para a necessidade de um melhor controlo do comportamento da simulação de importantes parâmetros relacionados com as nuvens, incluindo aqueles cruciais para a avaliação do forçamento radiativo das nuvens. Não foi encontrada (nos dados de 3-em-3 horas das simulações para JJA 1998) nenhuma relação óbvia entre as nuvens baixas (dos regimes de cúmulos pouco profundos e de estratocúmulos) a subsidência e a SST (ou mesmo a estabilidade estática da baixa troposfera [LTS]). Foi feita uma análise de fundo da transição entre regimes convectivos, baseada no comportamento espaciotemporal das nuvens em simulações dos modelos, em reanálises e em observações de satélite. Com esse objetivo em mente, foram desenvolvidas várias técnicas para detetar transições de regime de nuvens, e ou, caracterizar a sua estrutura sazonal. Funções de distribuição de probabilidade, obtidas para TCC nas várias posições ao longo da secção GPCI, a partir de dados de 3-em-3 horas para a estação JJA 1998, mostram diferenças de modelo para modelo e apresentam importantes disparidades mesmo em posições onde os modelos mostram praticamente o mesmo valor na TCC média. Dois comportamentos distintos foram identificados ao nível da transição entre os estratocúmulos e os cúmulos dos ventos alísios: uma transição relativamente gradual da TCC; e uma variação mais abrupta, com carácter bimodal. Estes dois tipos de comportamentos são, provavelmente, um resultado da maneira como as nuvens são parametrizadas nos respetivos modelos. De qualquer maneira, nenhum destes comportamentos coincide com a forma como as transições se dão em dados correspondentes a observações da TCC do ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project). Estatísticas da cobertura nebulosa obtidas segundo uma metodologia desenvolvida para a deteção de fortes gradientes de TCC ao longo da secção, mostram uma diversidade de comportamentos entre os modelos, por exemplo, no valor médio do decréscimo de TCC, na sua frequência de ocorrência, ou nos histogramas da localização dessas transições em TCC (as reanálises também diferem do ISCCP). Adicionalmente, foi também efetuada uma análise espectral preliminar da série temporal correspondente a variações da localização das transições abruptas em TCC ao longo da secção. Não tendo sido detetados picos importantes nos respetivos espectros, foi na forma da evolução temporal nas correspondentes séries, que os modelos mais se distinguiram (e.g., uma tendência, num dos modelos, para as transições ocorrerem mais para norte na secção no período final da estação JJA; ou a relativamente pequena amplitude das oscilações de localização encontradas num outro modelo). Em termos da evolução espacial da altura do topo das nuvens vista ao longo da secção, a média dos modelos está próxima dos dados de análise, apesar de, especialmente a sul das áreas de estratocúmulos, todos os resultados diferirem de observações MISR (Multiangle Imaging Spectroradiometer). Ainda no contexto da transição de regime de nuvens, foi desenvolvida uma nova abordagem de análise de padrões espaciais (GEPAT [Grade-based Empirical Pattern Analysis Technique]) com objetivo de se analisarem as condições ambientais associadas a diferentes estruturas espaciais da TCC identificadas pela nova técnica durante a estação JJA 1998. Foram assim encontrados seis diferentes padrões espaciais de cobertura nebulosa típicos da estação (cada um com diferente representatividade de ocorrência temporal). As correspondentes médias em termos de outras variáveis, tais como w aos 700 hPa, LWP, SST, LTS, e direção e intensidade do vento, foram analisadas, tendo sido encontradas diferenças, especialmente ao nível dos campos de w aos 700 hPa e LWP. Algumas ideias da aplicação futura da técnica incluem: a análise de outras estações e anos (separada ou conjuntamente); uma comparação de resultados para diferentes regiões; e o uso de dados puramente observacionais. Foi dada especial atenção à estrutura da humidade na região GPCI, com o objetivo de uma maior compreensão do seu papel como um dos principais parâmetros no contexto do ciclo hidrológico, particularmente através da sua influência na formação e evolução das nuvens. Para esse fim, foram analisadas ao longo da secção, observações de satélite (AIRS [Atmospheric InfraRed Sounder]), simulações numéricas e análises da atmosfera, referentes a perfis de RH, obtidos para JJA (2003) na forma de médias sazonais, variância e evolução temporal. A comparação dos modelos com os dados AIRS mostrou diferenças significativas (e.g., valores bastante inferiores de RH nos níveis mais baixos da camada limite nas simulações, valores mais elevados do que as observações na tropopausa, e maior secura aos níveis médios da atmosfera nas regiões subtropicais nos modelos). No que diz respeito ao desvio padrão, ainda que, de um modo geral, os modelos apresentem maior variabilidade de RH, existem nas simulações, valores mais baixos na camada limite ao longo de toda a secção. Pensa-se que os valores mais elevados de desvio padrão apresentados pelos modelos imediatamente acima da camada limite a norte da região dos cúmulos pouco profundos devam estar associados primariamente à relativamente fraca resolução vertical dos dados AIRS usados (mais do que serem uma consequência de deficiências nos modelos). A evolução temporal da distribuição vertical de RH parece apontar para a necessidade de se incluir na investigação das transições entre os estratocúmulos e os cúmulos dos ventos alísios, a influência, não apenas da estrutura da humidade nas camadas da troposfera logo acima da camada limite, mas também do perfil de humidade até às camadas superiores da troposfera. Mais especificamente em relação à estrutura da humidade na baixa troposfera, foi apresentada uma nova metodologia para a determinação do topo da camada limite sobre o oceano (sBLT [sequential Boundary-Layer-Top determination scheme]). Os resultados preliminares parecem promissores, especialmente pela sua abrangente aplicabilidade, e dado que a técnica permite uma maior caracterização da camada limite (e do seu topo) que outros métodos relacionados. Médias sazonais para a altura e a intensidade do topo da camada limite foram analisadas para modelos e análises ao longo da secção GPCI, e mostram dispersão considerável, exceto em termos da (praticamente comum) taxa de subida do topo da camada limite de norte para sul entre a área dos estratocúmulos e a dos cúmulos pouco profundos. As áreas de convecção profunda e dos estratocúmulos apresentam, respetivamente, o maior e o menor grau de definição (intensidade) do topo da camada limite. Segundo a classificação sBLT, foram encontradas nos modelos, e para as várias localizações na secção, diferenças na distribuição sazonal da representatividade dos vários tipos de camada limite. A esse respeito, apenas dois dos modelos se assemelham às observações AIRS. Foi ainda desenvolvida uma versão atualizada da técnica para deteção de mudanças abruptas na cobertura nebulosa ao longo da secção. A nova metodologia pareceu apresentar maior robustez no constrangimento dos resultados dos modelos para aquelas situações que efetivamente correspondem a transições espacialmente consistentes com a definição dos regimes de nuvens característicos dos estratocúmulos e dos cúmulos dos ventos alísios. Os valores da ocorrência das transições baixou drasticamente na maior parte dos modelos, e permitiu, uma melhor identificação dos impactos que diferentes filosofias de parametrização de nuvens têm no comportamento dos modelos a este nível. Por último, foram obtidos os perfis médios de RH correspondentes a cada um dos dois regimes de nuvens identificados, tendo sido verificadas importantes diferenças entre os dois regimes, para um determinado modelo, mas também entre os modelos, principalmente na forma como diferem os seus perfis de estratocúmulos e de cúmulos pouco profundos na média e alta troposfera. Foram propostas formas concretas de se estender a investigação dos potenciais impactos da estrutura da humidade da troposfera na transição entre os regimes de nuvens. Um dos principais tópicos para o projeto GPCI é a representação, em modelos de previsão do tempo e do clima, de variações diurnas das nuvens e de parâmetros relacionados. Essas variações foram analisadas com base em dados de 3-em-3 horas obtidos dos modelos e de observações. O ciclo diurno médio na estação JJA foi descrito para diferentes localizações na secção GPCI. Foram apresentados resultados para: circulação atmosférica associada com a dinâmica de larga escala na região do Pacífico NE dominada pela célula de Hadley; perfis verticais de vários parâmetros de interesse para as nuvens; e anomalias médias do ciclo diurno em três posições da secção, representativas dos principais regimes de nuvens/convecção que caracterizam a região. A velocidade vertical aos 700 hPa apresenta, em geral, nos modelos e análises, um ciclo diurno marcado na zona de convergência inter-tropical (ITCZ). Nalguns modelos variações diurnas mais fracas foram também encontradas na região dos ventos alísios e nas regiões subtropicais. Num dos modelos o ciclo diurno de w aos 700 hPa é praticamente inexistente em qualquer das posições ao longo da secção. A intensidade e direção do vento na baixa troposfera mostrou variações diurnas características. A distribuição vertical de RH, CF, e conteúdo em água líquida das nuvens (CLW), mostrou alguma variabilidade diurna em todos os modelos analisados, especialmente abaixo dos 600 hPa na área de convecção profunda. Os modelos não concordam na altura do ciclo diurno em que simulam os valores máximos destas variáveis. Verificou-se, em geral, uma melhor concordância entre a variação diurna de CF e CLW nos estratocúmulos e nos cúmulos pouco profundos do que na ITCZ. Há, na região subtropical num dos modelos, CF simulada sem CLW associada. Em relação às anomalias médias diurnas de LTS, TCC, e precipitação (observações deste parâmetro foram obtidas de dados TRMM [Tropical Rainfall Measuring Mission]), os modelos tendem a concordar no primeiro parâmetro, mas diferem uns dos outros, e em relação às observações, nos outros dois.(e.g., na ITCZ, a TCC do ISCCP apresenta dois máximos relativos, sendo o mais pronunciado o que ocorre cerca das 16:00h locais, enquanto que nos modelos e análises, o pico de TCC mais importante dá-se tipicamente de madrugada). Nos estratocúmulos o ISCCP (TCC) tem a menor variação diurna, sendo a esse respeito, ultrapassado pelos modelos. De qualquer maneira, é nessa região que se verifica uma maior concordância entre modelos, análises e observações na altura do ciclo diurno em que se dá o máximo de TCC. No que diz respeito à taxa de precipitação, a maior parte dos resultados mostra um pico relativamente bem definido em todas as localizações ao longo da secção, mas apresentam, para os modelos, uma fraca amplitude diurna na ITCZ comparativamente aos dados TRMM. Finalmente, foi investigada a ligação, durante o ciclo diurno, entre a LTS e a cobertura nebulosa nos estratocúmulos para o caso particular de um modelo com um esquema de parametrização que associa os dois, tendo-se argumentado sobre a existência de um certo grau de “inércia” na resposta da cobertura nebulosa subtropical em relação às variações diurnas de LTS. Do mesmo modo, e uma vez que a resposta (positiva) das nuvens à estabilidade estática do ambiente pareceu ser mais eficaz para a altura do ciclo diurno em que o valor de TCC era o mais baixo, inferiu-se qualitativamente sobre uma possível dependência dessa resposta no valor apresentado pela cobertura nebulosa. Até que ponto estará a “Scinércia” (ou “inércia dos estratocúmulos [Sc]” em relação à LTS) relacionada com a estrutura da humidade da (média) troposfera, foi uma questão deixada para investigação futura. Dois pontos, para concluir. Primeiro, este trabalho mostra bem como os atuais modelos de previsão numérica do tempo e do clima ainda apresentam uma deficiente representação das nuvens e de processos relacionados. Segundo, a abordagem proposta pelo projeto GPCI provou ser útil na caracterização dos principais problemas dos modelos, e na definição de possíveis linhas de investigação futura, quer ao nível da modelação, quer na frente observacional.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/37214/2007)