Dynamics and physical processes involving extreme temperatures in the Iberian Peninsula and Iraq

Abstract

The occurrence of heat waves and cold spells has received special attention in recent years due to their impact on human health, ecosystems and economy. In the context of climate change, there is evidence that extreme temperature episodes, and not only the mean temperature, are changing in response to anthropogenic radiative forcing. This thesis focuses in the study of the dynamics and the physical processes leading to temperature extremes in two regions located at the west and the east sides of the Mediterranean Sea: the Iberian Peninsula (IP) and Iraq. The 12–hourly 2–m height maximum/minimum temperatures obtained from the 1º¿1º ERA–Interim database in the period 1994–2013 are used. At each grid point, hot/cold extremes are defined as those events in which T2MAX/T2MIN was above/under its 99.9th/0.1th percentile. The results in both study areas show that there is a positive trend in the occurrence and persistence of both hot and cold events. By using the Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model, the 10-day back-trajectories of the air masses producing the extremes are analysed. Rather than meridional advection, the primary cause behind the occurrence of hot extremes seems to be progressive diabatic warming, which becomes accentuated the days before the episode. The extremes are caused by air masses with long residence times and by recirculation processes during summer days of weak baric gradient. The air masses producing the extreme cold events have faster trajectories. Cold events are mainly associated with advection of air-masses from northeast and north Europe for IP and from Siberia and East Europe for Iraq. In the IP, Principal Component Analysis of the pressure and geopotential fields has also been carried out to identify the associated synoptic scale configurations, showing that advection during cold episodes is induced by the presence of a relative low in the central Mediterranean and a blocking high in the North Atlantic and/or in northeast Europe. We analyse the correlations between temperature extremes and the modes of climatic variability affecting the Mediterranean basin: North Atlantic Oscillation (NAO), Western Mediterranean Oscillation (WeMO), Arctic Oscillation (AO) and East Atlantic Oscillation (EA). In the IP, a significant positive correlation (p < 0.01) is found between the annual average of the extreme hot temperatures and annual WeMO. Significant negative correlation (p < 0.01) is found between the number of cold days and the annual index for NAO. In Iraq, significant positive correlation (p < 0.01) between the annual average of the extreme hot temperatures and annual EA is found. The mechanisms underlying the occurrence of hot extreme temperatures for specific events occurred in IP have been analysed by using both HYSPLIT and the Weather Research and Forecast (WRF) mesoscale model. For the event that occurred on 10 August 2012, that affected the highest number of grid points of the series, the synoptic situation shows an omega blocking system and local recirculation of warm air masses. The analysis of the only hot extreme event recorded just at one single grid point, on 15 August 2012, shows that not synoptic or mesoscale conditions substantially different from those of the neighbours grid point were given.

L'estudi de les causes de les onades de calor i fred ha tingut una atenció especial en els últims anys a causa del seu impacte en la salut humana, els ecosistemes i l'economia. En el context del canvi climàtic, hi ha evidències que mostren que els episodis de temperatura extrema, i no només la temperatura mitjana, estan canviant en resposta al forçament antropogènic. Aquesta tesi se centra en l'estudi de la dinàmica i els processos físics que condueixen a temperatures extremes en dues regions situades a l'oest i l'est del mar Mediterrani: la Península Ibèrica (PI) i Iraq. S'utilitzen les temperatures màximes/mínimes a 2 m d'altura, obtingudes a partir de la base de dades ERA-Interim en el període de 20 anys 1994-2013. En cada punt de la malla que cobreix les dues àrees d’estudi, cada 12 hores (03 i 15 UTC) amb resolució 1ºx1º, es defineixen els extrems càlids/freds com aquells episodis en què T2MAX/T2MIN es troba per sobre/sota del percentil 99.9/0.1. Els resultats en ambdues àrees d'estudi mostren que hi ha una tendència positiva en l'ocurrència i persistència d'episodis tant càlids com freds. Mitjançant l'ús del model Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT), s'analitzen les trajectòries, endarrere en el temps, de 10 dies de durada, de les masses d'aire que produeixen els extrems. La causa principal que explica l'aparició d'extrems càlids sembla estar associada a un escalfament diabàtic progressiu, que s'accentua els dies anteriors a l'episodi, i no pas a l’advecció de masses d’aire des d’àrees més càlides. Els extrems càlids són produïts per masses d'aire amb temps de residència llargs sobre la PI i per processos de recirculació que tenen lloc durant dies d'estiu amb un feble gradient bàric. Les masses d'aire que produeixen dies de fred extrem tenen associades trajectòries més ràpides que les masses d’aire càlides. Els episodis freds a la PI es relacionen principalment amb advecció de masses d'aire procedents del nord-est i el nord d'Europa, i per l’Iraq, procedents de Sibèria i l'Est d’Europa. A la PI també s'ha realitzat l'anàlisi de components principals dels camps de pressió i geopotencial per identificar les configuracions d’escala sinòptica associades; aquestes mostren que l'advecció durant els episodis de fred és induïda per la presència a la Mediterrània central d'una baixa relativa i un alta de bloqueig a l'Atlàntic Nord i/o al nord-est d'Europa. S’analitzen també les correlacions entre l’ocurrència de temperatures extremes i els principals modes de variabilitat climàtica que afecten la conca mediterrània: Oscil·lació de l'Atlàntic Nord (NAO), Oscil·lació de la Mediterrània Occidental (WeMO), Oscil·lació Àrtica (AO) i Oscil·lació de l'Atlàntic Oriental (EA). A la IP es troba una correlació positiva significativa (p <0,01) entre la mitjana anual de les temperatures extremes càlides i l’índex anual de WeMO. També es troba una correlació negativa significativa (p <0,01) entre el nombre de dies freds i l'índex anual de NAO. A Iraq, s’ha obtingut una correlació significativa positiva (p <0,01) entre la mitjana anual de temperatures extremes càlides i l’índex anual de EA. Els mecanismes subjacents a l'aparició de temperatures extremes càlides per a episodis extrems específics ocorreguts a la IP s'han analitzat utilitzant el model a gran escala HYSPLIT i el model mesoescalar Weather Research and Forecast (WRF). Per a l'episodi que es va produir el 10 d'agost de 2012, que va afectar simultàniament al nombre més gran de punts del període, l’estudi sinòptic mostra una situació de bloqueig associada a una configuració ‘omega’, que provoca recirculació de massa d’aire. L’anàlisi de l’únic episodi càlid que va afectar a un sol punt de la malla, el 15 d’agost de 2012, mostra que les condicions sinòptiques i/o mesoescalars no van diferir substancialment de les que es van donar en els punts circumdants al punt de l’extrem càlid.