El efecto de los flujos de calor en la superficie sobre la evolución de las tormentas en la trayectoria de tormentas del Atlántico Norte – The Social Metwork

Andrea Marcheggiani – a.marcheggiani@pgr.reading.ac.uk

Los procesos diabáticos se consideran típicamente como una fuente de energía para los sistemas meteorológicos y como un factor principal que contribuye al mantenimiento de las trayectorias de las tormentas en latitudes medias (ver Hoskins y Valdes 1990 para una lectura clásica, pero también revisiones más recientes, por ejemplo, Chang et al. . 2002). Sin embargo, los intercambios de calor en la superficie no actúan necesariamente como combustible para la evolución de los sistemas meteorológicos: los efectos de los flujos de calor en la superficie y su acoplamiento con el flujo de la troposfera inferior pueden ser perjudiciales para la energía potencial disponible para el crecimiento de los sistemas. De hecho, la magnitud y el signo de sus efectos dependen de las diferentes escalas temporales (por ejemplo, sinópticas, estacionales) y de duración (por ejemplo, globales, zonales, locales) en las que se desarrollan estos efectos.

El efecto de los flujos de calor en la superficie
Figura 1: Compuestos para valores fuertes (ac) y débiles (df) de la covarianza entre el flujo de calor y anomalías temporales de temperatura.

Los flujos de calor surgen en respuesta a los desequilibrios térmicos que intentan neutralizar. En la atmósfera, los desequilibrios térmicos primarios que se observan se corresponden con el gradiente de temperatura meridional causado por el calentamiento diferencial ecuador-polos del Sol, y los contrastes de temperatura en la interfase aire-mar que se derivan esencialmente de las diferentes capacidades caloríficas de los océanos y la atmósfera.

En el contexto del esquema energético de la atmósfera, que fue formulado por primera vez por Lorenz (1955) y comúnmente conocido como ciclo de energía de Lorenz, el transporte meridional de calor (o energía estática seca) está asociado con la conversión de energía potencial zonal disponible en remolino. energía potencial disponible, mientras que los procesos diabáticos en la superficie coinciden con la generación de energía potencial disponible de remolino.

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Figura 2: Retrato de fase de la covarianza FT y baroclinicidad media. Las líneas de corriente indican la circulación promedio en el espacio de fase (grosor de línea proporcional a la velocidad de fase). El punto sombreado en negro en la esquina superior izquierda indica el tamaño del núcleo gaussiano utilizado en el proceso de suavizado. El sombreado de color indica la cantidad de puntos de datos que contribuyen al promedio del kernel

El signo de la contribución de los intercambios de calor superficiales a la evolución de los sistemas meteorológicos no es unívoco, ya que depende del marco específico que se utilice para evaluar sus efectos. A nivel mundial, se ha estimado que tienen un efecto positivo en el balance de energía potencial (Peixoto y Oort, 1992), mientras que a nivel local el panorama es menos claro, ya que calentar donde hace frío y enfriar donde hace calor conduciría a una reducción de la temperatura. varianza, que es esencialmente energía potencial disponible.

La primera parte de mi doctorado se centró en evaluar el papel de los intercambios de calor aire-mar locales en la evolución de los sistemas sinópticos. En esa medida, construimos un marco híbrido donde la covarianza espacial entre las anomalías temporales del flujo de calor sensible F y la temperatura del aire de la troposfera inferior T se toma como una medida de la intensidad del acoplamiento térmico aire-mar. Las anomalías temporales, indicadas por un número primo, se definen como desviaciones de una media móvil de 10 días para que podamos concentrarnos en la variabilidad sinóptica (Athanasiadis y Ambaum, 2009). El dominio espacial en el que calculamos la covarianza espacial se extiende desde 30°N hasta 60°N y desde 30°W hasta 79,5°W, que corresponde a la región de extensión de la Corriente del Golfo, y para centrarnos en la interacción aire-mar, excluimos los puntos de la cuadrícula. cubierto por tierra o hielo.

Esto nos deja con una serie temporal para la covarianza espacial F’—T’, a la que también nos referimos como índice FT.

Se encuentra que el índice FT es siempre positivo y se caracteriza por estallidos frecuentes de actividad intensa (o picos). El análisis compuesto, que se muestra en la Figura 1 para la presión media a nivel del mar (a,d), la temperatura a 850 hPa (b,e) y el flujo de calor sensible en la superficie (c,f), indica que los picos del índice FT (paneles a—c) corresponden con una actividad meteorológica intensa en el dominio espacial considerado (recuadro punteado en la Figura 1), mientras que se observa que un patrón meteorológico más asentado es típico cuando el índice FT es débil (paneles d—f).

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Figura 3: Retratos de fase para media espacial T (a) y fracción de área de sector frío (b). El sombreado en (a) representa la diferencia entre la tendencia de fase y el valor medio de T, como se indica junto a la barra de color. Las flechas resaltan la dirección de la circulación, promediada por núcleo utilizando el núcleo gaussiano que se muestra en la esquina superior izquierda de cada panel.

Examinamos la relación dinámica entre el índice FT y la baroclinicidad media del área, que es una medida de la energía potencial disponible en el dominio espacial. Para ello, construimos un espacio fase de índice FT y baroclinicidad y estudiamos la circulación media trazada por la serie temporal para las dos variables dinámicas. El retrato de fase resultante se muestra en la Figura 2. Para obtener detalles técnicos sobre el análisis del espacio de fase, consulte Novak et al. (2017), mientras que para más ejemplos de su uso ver Marcheggiani y Ambaum (2020) o Yano et al. (2020). Observamos que, en promedio, la baroclinicidad se reduce fuertemente durante los eventos de fuerte covarianza F’—T’ y se recupera principalmente cuando la covarianza es débil. Esto apunta a la idea de que los eventos de fuerte acoplamiento térmico entre la superficie y la troposfera inferior se asocian en promedio con una reducción de la baroclinicidad, actuando así como un sumidero de energía en la evolución de las tormentas y, más en general, en las trayectorias de las tormentas.

Tras la investigación de los mecanismos impulsores que conducen a una fuerte covarianza espacial F’—T’, encontramos que los aumentos en las varianzas y la correlación son igualmente importantes y que parece ser una característica más general de los flujos de calor en la atmósfera, como resultados más recientes parecen indicar (que es el enfoque de la segunda parte de mi tesis doctoral).

En el caso de los flujos de calor en la superficie, la dinámica del sector frío juega un papel fundamental en impulsar el aumento de la correlación: cuando el aire frío se advecta sobre la superficie del océano, la variación del flujo se amplifica en respuesta a los marcados contrastes de temperatura en la interfaz aire-mar como la El campo de temperatura de la superficie del océano presenta un mayor grado de variabilidad espacial vinculada a la presencia tanto de la Corriente del Golfo a gran escala como de remolinos oceánicos a mesoescala (hasta 100 km).

La creciente importancia relativa del sector frío en la fase de intensificación de la covarianza espacial F’—T’ también se puede revelar observando los retratos de fase para la temperatura del aire y la fracción de área del sector frío, que se muestra en la Figura 3. Estos retratos de fase díganos cómo varían estos campos en diferentes puntos en el espacio de fase del flujo de calor superficial y las desviaciones estándar espaciales de la temperatura del aire (que corresponden a los ejes horizontal y vertical, respectivamente). Temperaturas más bajas y una fracción de área de sector frío más grande caracterizan el aumento en la covarianza, mientras que la tendencia opuesta se observa en la etapa de descomposición.

Los flujos de calor en la superficie finalmente desencadenan un aumento en la variación de la temperatura, que dentro de la capa límite atmosférica sigue un perfil vertical casi adiabático que es característico de la capa mixta (Stull, 2012).

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Figura 4: Diagrama del efecto de la altura de la capa límite atmosférica sobre la modulación del flujo de calor en la superficie: correlación de temperatura.

Los flujos de calor más fuertes en la superficie están asociados con una capa límite más profunda que alcanza niveles más altos en la troposfera: esto podría explicar el aumento observado en la correlación a medida que las temperaturas del aire en la troposfera inferior se acoplan más fuertemente con la superficie, mientras que se produce una menor correlación con la superficie cuando la capa límite es poco profunda y el flujo de calor superficial es débil. La figura 4 muestra un diagrama simple que resume los mecanismos descritos anteriormente.

En conclusión, demostramos que los flujos de calor en la superficie localmente pueden tener un efecto amortiguador en la evolución de los sistemas meteorológicos de latitudes medias, ya que la covariación del flujo de calor en la superficie y la temperatura del aire en la troposfera inferior se corresponde con una disminución en la energía potencial disponible.

Los resultados indican que la mayor parte de este intercambio de calor termodinámicamente activo se realiza dentro del sector frío de los sistemas meteorológicos, específicamente a medida que la capa límite atmosférica se profundiza y ejerce una influencia más profunda sobre la circulación troposférica.

Referencias

  • Athanasiadis, PJ y Ambaum, MHP: Contribuciones lineales de diferentes escalas de tiempo a la teleconectividad, J. Climate, 22, 3720– 3728, 2009.
  • Chang, EK, Lee, S. y Swanson, KL: Storm track dynamics, J. Climate, 15, 2163–2183, 2002.
  • Hoskins, BJ and Valdes, PJ: Sobre la existencia de huellas de tormentas, J. Atmos. Sci., 47, 1854–1864, 1990.
  • Lorenz, EN: Energía potencial disponible y mantenimiento de la circulación general, Tellus, 7, 157–167, 1955.
  • Marcheggiani, A. y Ambaum, MHP: El papel de la covarianza entre el flujo de calor y la temperatura en la evolución de los sistemas meteorológicos, Weather and Climate Dynamics, 1, 701–713, 2020.
  • Novak, L., Ambaum, MHP y Tailleux, R.: Estabilidad marginal y comportamiento depredador-presa dentro de las trayectorias de las tormentas, QJ Roy. Meteorol. Soc., 143, 1421–1433, 2017.
  • Peixoto, JP y Oort, AH: Física del clima, Instituto Americano de Física, Nueva York, NY, EE. UU., 1992.
  • Stull, RB: Características medias de la capa límite, en: Introducción a la meteorología de la capa límite, Springer, Dordrecht, Alemania, 1–27, 1988.
  • Yano, J., Ambaum, MHP, Dacre, H. y Manzato, A.: Una descripción dinámica del sistema de precipitación sobre los trópicos y las latitudes medias, Tellus A: Meteorología dinámica y oceanografía, 72, 1–17, 2020.

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