MEDICANES: meteorological environments and risk assessment in the present and future climate

Abstract

Medicanes are a rare and physically unique type of Mediterranean cyclone. They show similarities with tropical cyclones with regard to their development (based on the thermodynamical disequilibrium between the warm sea and the overlying troposphere) and the kinematic and thermodynamical properties (medicanes are intense vortices with a warm core and even a cloud-free-eye). Although medicanes are smaller and the characteristic wind speeds are lower, the severity of the winds can cause substantial damage on islands and coastal areas. The special characteristics of medicanes make their detection di cult: only with high resolution meteorological analyses and dense maritime observations that task would be possible. For this reason, an alternative method using satellite images and restricted criteria about the disturbance symmetry, size and lifespan, has been applied leading to the detection of 12 medicanes from 1982 to 2003. To improve the medicane forecast capability or even to assess the potential risk of these storms in future climates, it is necessary to characterize the special conditions of the synoptic-scale meteorological environments that are needed for their development and maintenance. By comparing these environments against the bulk of intense Mediterranean cyclonic situations, high values of mid-tropospheric relative humidity, signi cant diabatic contribution to the surface level equivalent potential temperature tendency, and low values of tropospheric wind shear, are revealed as important parameters involved in medicane genesis, as in tropical cyclones. An empirical genesis index previously derived for the tropical regions is also tested in this thesis, and it is revealed as a possible discriminative parameter of the precursor environments. Despite their small size, mesoscale runs of medicane situations at moderate horizontal resolutions (7.5 km) made with MM5 are able to simulate the formation of a subsynoptic cyclone and the general trajectory of the disturbance, and for most of the cases a warm-core axi-symmetrical structure becomes evident in the simulations. In addition, a sensitivity analysis examining the role of the sea surface heat uxes is conducted: latent and sensible heat uxes from the Mediterranean are switched o during the simulations to explore the e ects of these factors on the medicane trajectories and deepening rate. Results show di erent roles of the surface heat uxes on medicane properties (intensi cation and track) depending on their magnitude and spatial distribution over the Mediterranean Sea. In this way, three distinct evolution patterns have been identi ed using the database of twelve events. In the context of the growing concern about how climate change will a ect the number and intensity of hurricanes, two di erent analysis for medicanes have been conducted in this thesis: an oriented dynamical downscaling and a direct detection of storms in a high-resolution global climate model. On one hand, the oriented dynamical downscaling consists in projecting the previous empirical genesis index into four di erent global climate models, with spatial resolutions about 200 km, and analyze (simulate) just the areas with elevated medicane risk values. On the other hand, an independent study using a direct detection and tracking of warm-core cyclones is applied to a high resolution global climate model (spatial resolution about 25 km). Both methods predict a decreasing trend in medicane occurrence, and indicate the south-east of Italy and the Gulf of Lion as the areas with higher probability of medicane development in future scenarios. With regard to future changes in medicane intensity, there seems to be signs of an enhanced risk of violent storms.

Els medicanes són un tipus de cicló poc freqüent, i amb certes particularitats, que es dóna al Mediterrani. Els medicanes tenen similituds amb els ciclons tropicals referents al seu desenvolupament (basat en el desequilibri termodinàmic entre mar-atmosfera) i les propietats cinemàtiques i termodinàmiques (els medicanes són vòrtexs intensos amb nucli càlid i, algunes vegades, ns i tot poden tenir un ull lliure de núvols). Malgrat els medicanes són més petits i els seus vents associats són més febles que als ciclons tropicals, la força dels seus vents poden causar importants danys a illes i zones costeres. Les característiques especials dels medicanes fan que la seva detecció sia difícil: sols disposant de dades d'anàlisi meteorològiques a molta alta resolució i una xarxa densa d'observacions marítimes, aquesta tasca es podria dur a terme. Per aquest motiu, en aquesta tesi s'ha utilitzat un mètode alternatiu utilitzant imatges de satèl ·lit i aplicant criteris restrictius basats en la simetria de la pertorbació, la mida i la durada. D'aquesta manera s'han detectat 12 medicanes durant el període comprès des de 1982 a 2003. Una bona caracterització dels ambients meteorològics precursors dels medicanes ens pot ajudar a entendre els mecanismes de gènesi i millorar les prediccions. En aquesta tesi es comparen els valors de diverses variables meteorològiques d'interès en els medicanes amb els ambients d'altres ciclons intensos sobre la Mediterrània. En aquest sentit, valors elevats de la humitat relativa a nivells mitjos, la contribució diabàtica a la tendència local de temperatura potencial equivalent super cial, i valors baixos de la cisalla de vent entre nivells baixos i alts, pareixen paràmetres importants relacionats amb la gènesi dels medicanes, com també ho són dels ciclons tropicals. Un índex empíric de gènesi, provinent d'estudis sobre les regions tropicals, també ha estat avaluat en aquesta tesi i es presenta com un possible paràmetre discriminant dels ambients precursors. Malgrat la mida petita dels medicanes, s'ha comprovat que simulacions amb l'MM5 amb resolucions espacials de 7.5 km poden representar la formació de ciclons subsinòptics i les seves trajectòries, i per a la majoria dels casos també l'estructura simètrica amb nucli càlid. A més, s'ha realitzat una anàlisi de sensitivitat examinant el paper dels uxos de calor en la superfície de la mar: s'han desactivat l'intercanvi de calor latent i sensible sobre la Mediterrània durant les simulacions per estudiar els efectes d'aquests factors sobre les trajectòries i la intensi cació dels medicanes. Els resultats mostren tres patrons de comportament diferents sobre aquestes propietats dels medicanes identi cats prèviament, depenent de la magnitud i la distribució espacial dels uxos. En relació a la creixent preocupació sobre com afectarà el canvi climàtic a la freqüència i intensitat dels huracans, s'han realitzat dues anàlisis independents referent als medicanes: regionalitzacions dinàmiques de manera dirigida, i detecció directa sobre un model climàtic global a alta resolució. Per una part, les regionalitzacions dinàmiques consisteixen en determinar les zones d'alt risc mitjançant l'índex empíric descrit anteriorment i simular sols aquests ambients amb un model de mesoscala (aquest es força amb quatre models climàtics globals de resolucions espacials de l'ordre de 200 km). Per altra part, la detecció directa es realitza sobre un model climàtic global a una resolució aproximada de 25 km. En ambdós casos, els resultats mostren una reducció en la freqüència dels medicanes i assenyalen el sud-est d'Itàlia i el golf de Lleó com les zones amb major probabilitat de desenvolupament de medicanes en escenaris de clima futur. Referent als canvis d'intensitat en el futur, pareix que hi ha indicis d'augment del risc de tempestes violentes.