Dynamics of cyclones and precipitation over the Middle East

Abstract

Precipitation is one of the most important, and also difficult to predict, elements of climate. This difficulty is associated with the transport of moisture through weather fronts that change their pathway, shape and intensity at different spatial and temporal scales. Despite this difficulty, a proper rainfall prediction is necessary both to quantify the resources and infrastructures necessary to bring water to farm fields and cities and to anticipate the occurrence of extreme precipitation episodes that may cause human death and huge economic losses. The main objective of this dissertation is to investigate the influence of weather systems on the patterns and amount of precipitation over Iraq, from its variability at different temporal scales (daily to inter-decadal) to the contribution of severe precipitation events to total rainfall and the mechanisms underlying these extreme episodes. With this objective, we use monthly (1938-2016) and daily (2005-2016) precipitation records from a meteorological station in the city of Baghdad, ran by the Iraqi Meteorological and Seismology Organization. Additionally, we use the temperature, humidity, geopotential height, horizontal and vertical velocity, horizontal divergence, relative vorticity and potential vorticity fields from the ERA-Interim global atmospheric reanalysis, available four times a day on a 0.75º × 0.75º latitude-longitude grid from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). These data, downloaded for a domain extending from 0°E to 60°E and from 10°N to 60°N, are then used to calculate the equivalent potential temperature, precipitable water, moisture flux, moisture flux convergence, Q-vector divergence, relative vorticity and potential vorticity advection, as well as several instability indices (K, CAPE, SWEAT and LI). In Chapter 2 we focus on the analysis of the monthly rainfall data for the 1938-2016 period. The mean annual precipitation is 135.8 ± 61.9 mm/yr and the mean monthly precipitation is 11.3 ± 18.7 mm. Despite the linear trend for the entire period is small, there are decades (1950s and 1960s) of relatively high mean-annual precipitation and other ones (1990s and 2000s) with substantially lower values. The monthly rainfall time series also shows the existence of substantial inter-annual variations, with annual precipitation values ranging between 29.3 and 307.7 mm (2012 and 1974, respectively). The seasonal cycle changes substantially between arid and wet years, with December-February receiving most during the arid years, and November-April collecting most precipitation during the wet years. The inter-annual changes in precipitation show no correlation with a global index for El Niño-Southern Oscillation. In Chapter 3 we analyse a 12-year time series of daily data (2005-2016) from the Baghdad meteorological station. We identify the contribution of cut-off lows to precipitation: 38 events contributed to 43.4% of the total precipitation over Baghdad. Cut-off lows occur all year long but those happening between October and December account for one-third of the total annual precipitation. In Chapter 4 we have considered the dynamics behind the 18-20 November 2013 extreme rainfall episode, the largest one since 1980. The middle and upper atmospheric conditions resulted from the development of an omega block into a Rex block. The eastern part of the cyclonic structure of the Rex block was experiencing horizontal divergence and the associated upward motions reached all the way from 1000 to 250 hPa. Simultaneously, the lower atmosphere (1000 to 700 hPa) exhibited intense southerly cool winds that brought large amounts of moisture into central Iraq. Finally, in Chapter 5 we again combine the daily Baghdad rainfall data with the ERA-Interim analysis to explore the weather patterns associated with the 20 extreme precipitation events for the 2005-2016 period. These events brought 805.2 mm (51.3%) of the total precipitation to the Baghdad station.

La precipitación es uno de los elementos climáticos más importantes y difíciles de predecir. La dificultad se asocia con el transporte de humedad por medio de los frentes meteorológicos que cambian su camino, forma e intensidad en diferentes escalas espaciales y temporales. A pesar de esta dificultad, es necesaria una predicción adecuada de la lluvia para cuantificar los recursos y las infraestructuras necesarias para llevar el agua a los campos agrícolas y las ciudades, y también para anticipar la ocurrencia de episodios de precipitación extrema que pueden causar muertes humanas y grandes pérdidas económicas. El objetivo principal de esta disertación es investigar la influencia de los sistemas climáticos en los patrones y la intensidad de la precipitación en Iraq, desde su variabilidad a diferentes escalas temporales (desde diarias hasta interdecadal) hasta la contribución de los eventos de precipitación severa a la precipitación total y los mecanismos subyacentes a estos episodios extremos. Con este objetivo, utilizamos registros de precipitación mensual (1938-2016) y diaria (2005-2016) provenientes de una estación meteorológica en la ciudad de Bagdad, dirigida por la organización de meteorología y sismología iraquí. Esta estación se encuentra en las grandes llanuras centrales de Iraq, (33.33°N, 44.43°E) y 34 m de elevación, donde la variabilidad topográfica es casi inexistente. Utilizamos además la temperatura, humedad, altura geopotencial, velocidad horizontal y vertical, divergencia horizontal, vorticidad relativa y campos de vorticidad potencial provenientes del análisis atmosférico global ERA-Interim, disponible cuatro veces al día en una malla de 0.75º×0.75º de latitud-longitud, provenientes del Centro Europeo de Pronósticos Meteorológicos de Medio Alcance (ECMWF). Estos datos, descargados para un dominio que se extiende de 0° a 60°E y de 10°N a 60°N, se usan para calcular la temperatura potencial equivalente, el agua precipitable, el flujo de humedad, la convergencia del flujo de humedad, la divergencia del vector Q , la vorticidad relativa y la advección de vorticidad potencial, así como varios índices de inestabilidad (K, CAPE, SWEAT y LI). El cuerpo del trabajo se divide en cuatro secciones diferentes. Después de un capítulo introductorio, en el Capítulo 2 nos enfocamos en el análisis de los datos mensuales de lluvia para el período 1938-2016. Para la mayor parte de nuestro análisis usamos años naturales, desde el 1 de julio hasta el 30 de junio, para que los años estén lógicamente separados por la temporada seca de verano. La precipitación media anual es de 135.8 ± 61.9 mm/año y la precipitación media mensual es de 11.3 ± 18.7 mm (aumentando a 17.1 ± 20.9 mm si ignoramos los meses secos de junio a agosto). A pesar de que la tendencia lineal para todo el período es pequeña, hay décadas (1950 y 1960) de precipitación anual media relativamente alta (150-170 mm/año) y otras (1990 y 2000) con valores sustancialmente menores (100-120 mm/año). La serie temporal de lluvias también muestra la existencia de variaciones interanuales sustanciales, con valores de precipitación anual que oscilan entre 29,3 y 307,7 mm (2012 y 1974, respectivamente). La función de densidad de probabilidad de la precipitación anual nos permite definir los años áridos/húmedos (precipitación anual inferior/superior a los percentiles 25/75) con valores medios de 64.6 y 220.1 mm/año, respectivamente. El ciclo estacional cambia sustancialmente entre los años áridos y húmedos, con diciembre-febrero recibiendo la mayoría de las precipitaciones (10-15 mm/mes, con diciembre presentando la mayor variabilidad) durante los años áridos, y noviembre-abril recogiendo la mayoría de las precipitaciones (30-40 mm/mes, con marzo, abril y noviembre altamente variables) durante los años lluviosos. Los cambios interanuales en las precipitaciones no muestran correlación con un índice global de El Niño-Oscilación del Sur. En el Capítulo 3 analizamos una serie temporal de 12 años de datos diarios (2005-2016) de la estación meteorológica de Bagdad. Para este período, la precipitación anual fue de 130.8 ± 67.1 mm/año, con valores anuales que varían entre 29.3 y 278.1 mm en solo dos años (2012 y 2014, respectivamente). A partir de los datos de ERA-Interim, y con la ayuda de un algoritmo numérico, identificamos la contribución de los cut-off lows a la precipitación: 38 eventos (14 con precipitaciones superiores a 20 mm) contribuyeron al 43-4% de la precipitación total sobre Bagdad. Los cut-off lows ocurren todo el año, pero aquellos que tienen lugar entre octubre y diciembre representan un tercio de la precipitación anual total. Encontramos que la mayoría de las variaciones interanuales en las precipitaciones están asociadas a estos cut-off lows, con su contribución aumentando desde 31,3 mm durante los tres años secos a 512,3 mm durante los tres años húmedos (un aumento en un factor de 16). En el Capítulo 4 hemos considerado cuidadosamente la dinámica detrás del episodio de lluvia extrema del 18-20 de noviembre de 2013, el mayot desde 1980. Las condiciones de la atmósfera media y alta resultaron del desarrollo de un bloque omega hacia un bloque Rex, con la parte oriental de la estructura ciclónica del bloque Rex experimentando intensa divergencia horizontal y fuertes movimientos ascendentes entre 1000 y 250 hPa. Simultáneamente, la atmósfera inferior (de 1000 a 700 hPa) exhibía intensos vientos fríos del sur que traían grandes cantidades de humedad al centro de Iraq. Estos aires húmedos fueron el resultado de una evaporación sustancial del agua, y la consecuente liberación de calor, desde el Mar Rojo hacia la atmósfera, como lo demuestra el enfriamiento simultáneo de sus aguas superficiales. Finalmente, en el Capítulo 5, nuevamente combinamos los datos diarios de precipitaciones de Bagdad con el análisis ERA-Interim para explorar los patrones climáticos asociados con los 20 eventos de precipitación extrema para el período 2005-2016. Estos eventos trajeron 805.2 mm (51.3%) de la precipitación total a la estación de Bagdad, distribuidos de la siguiente manera: 7 eventos relacionados con las condiciones del bloque Rex (causando la precipitación más alta, 324.1 mm o 40.3% de la precipitación total del evento extremo), 7 episodios relacionados con cut-off lows (252.6 mm o 31.4%), 2 casos relacionados con jet streaks (95.3 mm o 11.8%) y 4 eventos relacionados con upper-air troughs (133.2 mm o 16.5%). Brevemente caracterizamos las condiciones sinópticas durante estos 20 episodios, con una descripción más detallada de un caso de cut-off low, jet streak y upper-air trough.