Subsynoptic characterization of tropopause fold structure with glogal data anlyses and mesoscale WRF simulations

Abstract

In this work, a subsynoptic characterization of tropopause fold structures is derived from one-year of global, high resolution GFS (Global Forecasting System, 0.3 degrees) data analyses and 10 years of daily WRF (Weather Reasearch and Forecasting) mesoscale simulations at 30 km resolution initialized with the Japanese 25-year Re-Analysis (JRA-25, 1.125 degrees). The dynamical tropopause, defined as a constant potential vorticity surface (2 PVU), is an important meteorological concept that under adiabatic and frictionless conditions acts as a material barrier between the troposphere and the stratosphere. Deformations of this layer such as foldings have a relevant influence on midlatitude weather systems and are a major mechanism of extratropical stratosphere-troposphere exchange. In the vicinity of these stratospheric intrusions, large vertical and horizontal gradients of Potential Vorticity (PV) are found, so that high resolution data is required for a direct characterization of these structures.

Based on a geometric definition of tropopause folds, a novel objective algorithm has been developed and applied over the 6-hour meteorological fields to unambiguously detect the presence of a folded dynamical tropopause. The methodology applied requires no assumptions on the dynamical origin of the folding, and it registers the main geometric features of each individual folded grid structure such as its horizontal dimensions, depth of penetration, thickness or the gap relative to the upper tropopause.

The application of the fold detection algorithm has served to characterize the geographical distribution of folding features on a global basis using one year of GFS data, and on a regional basis using a more robust 10-year WRF climatology over Southwest Europe. The analysis corroborates the differences between subtropics and extratropics in tropopause fold characteristics and formation, and serves to identify the main synoptic upper-level scenarios that drive the intensification of these structures. The geographical distribution and annual variability of stratospheric intrusions detected with the GFS analyses are in line with existing climatologies, supporting the competence of the fold searching algorithm, but providing a more detailed portrait through the higher resolution of the GFS data. The 10-year WRF tropopause fold climatology shows a general good agreement with the one-year GFS observations, although WRF tropopause fold frequencies appear to be lower on average. This can be partly attributed to interannual variability, and partly to underestimation of the total folded area simulated by WRF relative to that observed by GFS, as revealed in individual tropopause fold case studies.

Additionally, a product that uses a combination of geometric tropopause fold parameters has been generated (Stratosphere-Troposphere Transport Folding Index, STTFI) to estimate the regions of the globe where the largest amounts of stratospheric air are most likely to be irreversibly transferred into the troposphere due to deep tropopause fold intrusions. Despite its simplicity, the STTFI reproduces the most important features captured in existing Stratosphere-Troposphere Transport (SST) climatologies based on Lagrangian trajectory techniques.

Finally, a detailed evaluation on the WRF model ability to simulate tropopause folds has been performed over an entire year (December 2007 - November 2008), with an eye at establishing the role of resolution enhancements at improving their simulation. Qualitative and quantitative comparisons between WRF results and both the initial JRA data and the GFS analyses have been performed over tropopause fold frequencies and individual tropopause fold events. The comparison demonstrates that the WRF forcing is in general able to forecast the main mesoscale features of the tropopause folds, significantly improving their representation with respect to the JRA coarse description of the initial state, particularly at midlatitudes. However, it has been observed that a poor definition of the initial conditions can be an important obstacle in tropopause fold performance, particularly under certain circumstances (e.g. rapidly traveling perturbations entering the domain) in some specific areas (e.g. close to the border of the simulation domain).

En aquesta tesi s'ha realitzat una anàlisi i una caracterització detallada sobre les estructures de plegament de la tropopausa (Tropopause Foldings en la literatura anglesa) utilitzant, per un costat, un any de dades globals de relativa alta resolució (0.3 graus) d'anàlisis del model GFS (Global Forescating System), i per l'altra, 10 anys de dades de simulacions numèriques diàries realitzades amb el model de mesoescala WRF (Weather Research and Forecasting) amb una resolució aproximada d'uns 30 km i inicialitzades amb les dades JRA-25 (Japanese 25-year ReAnalysis) que tenen una resolució grollera d'1.125 graus.

La tropopausa és una capa fina de l'atmosfera que separa la troposfera de l'estratosfera, dues capes molt diferents en la seva estructura tèrmica, condicions dinàmiques i composició química. A la troposfera, per exemple, la temperatura disminueix amb l'altitud, els moviments verticals i la barreja hi són relativament freqüents, i l'aire pot contenir grans quantitats de vapor d'aigua mentre que l'ozó n'és generalment escàs. En canvi, a l'estratosfera la temperatura augmenta amb l'altitud, els moviments són bàsicament horitzontals, i l'aire està estratificat per capes, pobres en vapor d'aigua i relativament riques en concentració d'ozó, provinent de la capa d'ozó que es troba precisament en els primers 25 km de l'estratosfera. Per tant, la tropopausa representa una zona de transició i canvis abruptes entre aquestes dues capes, cosa que fa que jugui un paper molt important en l'intercanvi de substàncies i que presenti una gran sensibilitat a possibles canvis atmosfèrics.

Tenint en compte les característiques dinàmiques, es pot definir la tropopausa com una superfície de valor constant de vorticitat potencial, típicament la superfície de 2 PVU (unitats de vorticitat potencial, on 1 PVU = 10' m2 s-1 K kg-1). D'aquesta manera l'aire troposfèric queda definit per valors baixos de vorticitat potencial (PV < 2) i l'estratosfèric per valors alts (PV > 2). Sota condicions de conservació adiabàtiques i sense fricció, aquesta tropopausa dinàmica actua com a una barrera física entre les dues capes. Deformacions importants d'aquesta superfície, com per exemple els plegaments de tropopausa, poden tenir una gran influència en el desenvolupament de fenòmens meteorològics a la troposfera i poden ser un dels mecanismes més importants d'intercanvi i transport de substàncies entre la troposfera i l'estratosfera als extratròpics. Aquests plegaments de tropopausa o intrusions estratosfèriques es caracteritzen per la presència de forts gradients de vorticitat potencial, especialment a les zones properes que limiten amb els seus contorns. Per aquest motiu és de suposar que per a una bona detecció i caracterització d'aquestes estructures, és necessària una bona resolució horitzontal i vertical de les dades.

S'ha creat un algoritme objectiu per a la detecció d'aquests plegaments basant-se només en una definició purament geomètrica d'aquestes estructures i, per tant, sense fer cap suposició d'entrada sobre el seu origen dinàmic. D'aquesta manera l'algoritme, aplicat sobre els camps tridimensionals de les principals variables meteorològiques, és capaç de detectar la presència d'una tropopausa dinàmica plegada, i d'enregistrar-ne les seves principals característiques geomètriques com són: les dimensions horitzontals, el gruix de la intrusió, la profunditat de penetració o l'amplitud de l'arc (distància vertical entre les dues tropopauses que defineixen la presència d'un plegament).

L'algoritme s'ha aplicat primerament sobre un any (desembre 2007 - novembre 2008) de dades d'anàlisi globals del model GFS amb el que s'ha pogut fer una caracterització geogràfica completa de plegaments de tropopausa per a l'hemisferi nord i sud. Els resultats, per una banda, es corresponen molt bé amb les climatologies existents, el que corrobora el bon funcionament de Seguidament, l'algoritme també s'ha aplicat sobre els 10 anys de simulacions realitzades amb el model de mesoescala WRF i s'ha construït una climatologia de plegaments molt més robusta sobre una regió força extensa del sud-oest d'Europa, amb la Península Ibèrica al centre del domini. Aquesta climatologia mostra una bona concordança amb els resultats

obtinguts durant un any d'estudi amb les dades GFS, tot i que les freqüències de plegaments observades són en general més petites. Aquesta disminució és deguda, per una banda, a la variabilitat interanual, i per l'altra, a una subestimació generalitzada de l'àrea total detectada en els diferents casos de plegaments de tropopausa simulats amb el model WRF respecte dels observats amb les dades GFS.

Tant l'anàlisi global com la climatologia regional corroboren les diferències entre els subtròpics i els extratròpics en la formació i característiques dels plegaments de tropopausa, i serveixen per a identificar els principals escenaris sinòptics que governen la intensificació d'aquests fenòmens.

També s'ha generat un producte que utilitza una combinació dels diferents paràmetres geomètrics dels plegaments de tropopausa per a estimar les regions on és més probable que grans quantitats d'aire estratosfèric siguin transferides irreversiblement a la troposfera degut als casos més intensos de plegaments de tropopausa (STTFI: Stratosphere-Troposphere Transport Folding Index). Tot i la simplicitat del producte, l'STTFI reprodueix molt bé els trets més importants observats a les climatologies existents de transport estratosfera-troposfera basades en tècniques més complicades de trajectòries lagrangianes.

Finalment, s'ha efectuat una avaluació detallada sobre la capacitat del model WRF per a simular plegaments de tropopausa, i amb l'objectiu d'avaluar també la importància dels increments en la resolució de les dades a l'hora de millorar la representació dels plegaments de tropopausa. S'han realitzat comparacions durant un any sencer (desembre 2007 - novembre 2008), tant qualitatives com quantitatives, dels resultats del WRF amb, per una banda, les dades de baixa resolució JRA utilitzades com a inicialització de les simulacions, i per l'altra banda, amb les dades GFS que tenen una resolució semblant a la de les simulacions WRF. A part de comparar les freqüències de plegaments i les seves característiques estacionals, també s'ha analitzat un ampli ventall de diferents casos d'estudi individuals. Els resultats demostren que el model WRF és en general capaç de pronosticar els principals trets mesoescalars dels plegaments de tropopausa, millorant significativament la seva representació en comparació amb la descripció més grollera que ofereixen les dades d'inicialització JRA, especialment a les latituds mitjanes. Tot i aquesta millora significativa, s'ha observat que una definició pobra de les condicions inicials pot ser un obstacle important per a un complet desenvolupament de les intrusions estratosfèriques, especialment en algunes circumstàncies (p.e. pertorbacions ràpides entrant en el domini de simulació) i en algunes regions concretes (p.e. prop dels límits del domini).