Συμβολή στη μελέτη της εκρηκτικής κυκλογένεσης στη Μεσόγειο

Abstract

In this dissertation explosive cyclogenesis in Mediterranean was studied for the first time on a climatological basis with the use of objective methods for the specification of the surface tracks and their vertical extension in the middle and upper troposphere. It was examined the spatial and temporal distribution of the frequency and other diagnostic parameters of the explosive cyclones and their trends, as well. It was also studied the kinematic characteristics of these depressions from cyclogenesis until their cyclolysis. Moreover it was examined the effect of the spatial resolution of mean sea level pressure in the characteristics of the surface explosive cyclones and compared with the respective of the ordinary depressions in Mediterranean. Finally it was examined the dynamic and thermodynamic mechanisms in the lower and upper troposphere which favor the appearance of the phenomenon analyzing the interaction between the baroclinic and the respective diabatic processes. In this dissertation it was used the algorithm for the detection of the cyclonic centers and their tracks and the respective algorithm of the detection of the vertical structure of the depressions, which were developed at the University of Melbourne and were properly modified for Mediterranean, which constitutes a closed maritime basin with complex topography. As input data were used the ERA40 files of the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ECMWF) for the 1962-2001 time period, with spatial resolution of 2.5x2.5 and 1x1, respectively.Explosive cyclones in Mediterranean represent a relatively rare phenomenon which appears mainly over maritime surfaces during winter in the Western and Central Mediterranean, with maximum during December, without statistically significant trend of their frequency for the period of study. The areas of maximum frequency include the northern strongly baroclinic maritime – coastal regions of Mediterranean from the Balearic Islands up to the Adriatic and the Tyrrhenian Sea, while secondary maxima appear in the Ionian and the Aegean Seas as well as in the area of NW. Africa. Explosive cyclones of greater spatial scale and depth appear in the region between Sicily, Tyrrhenian and Ionian Sea and the area of Syrte, while the depressions of smaller spatial scale and Laplacian appear in the northern maritime - coastal regions of Mediterranean, with the effect of orography to play a significant role in the generation and identification from datasets of high spatial resolution, of such strong cyclones of smaller scale in the above regions. The comparison of the explosive cyclone samples based on data of higher and lower spatial resolutions from the same assimilation model and specifically the ERA-40 model, proved the clear effect of the spatial resolution in the detection of the explosive cyclone tracks and the necessity for the application of high resolution datasets in areas with complex topography and appearance of smaller spatial and temporal scale cyclones, like the Mediterranean basin.The comparison of the explosive towards the ordinary cyclogenesis in Mediterranean showed that, contrary to the explosive cyclones, the frequency of the ordinary cyclones is maximized during spring, while present smaller duration of lifetime and track lengths, as well as smaller mean deepening rates. It was proved that the explosive cyclones constitute cyclonic systems with a well-organized vertical structure, while their baroclinic character is verified. It was also proved that for the majority of the surface cyclones, the 500hPa cyclones were formed before the surface cyclones, while about 80% of the explosive cyclone track steps extended to the lower troposphere, implying that the upper level dynamics contributes to the explosive cyclogenesis. Nevertheless, a significant percentage of the surface cases were formed before the respective at 500hPa, implying a tendency for antecedent surface cyclogenesis and stressing at the same time the low level dynamics, such as the surface thermal fluxes, the diabatic heating, the low static stability and the orography. The extended analysis of the dynamic and thermodynamic characteristics of the low and upper troposphere and the comparison of these characteristics between the Mediterranean subregions showed a tendency for stronger upper level baroclinic structure in Western and Central Mediterranean areas, along with the existence of a jet-streak. The upper level baroclinicity is verified for the cases in EM too, although weaker than the two other areas. The intrusion of dry and cold stratospheric air in the upper troposphere was verified for all regions. Moreover, it was observed the existence of cold environment in the low troposphere in the Western and Central Mediterranean, while on the contrary in EM the pre-existed environment is warm and moist. Nevertheless, in all areas was shown the effect of latent heat release due to water vapor condensation, which for the Western and Central Mediterranean constitutes a factor which warms and makes dynamically unstable the relatively colder environment in the lower troposphere. Enhancement of sensible and latent heat release observed in almost all the Mediterranean subareas during the time of explosive cyclogenesis, while this enhancement was more intense in the area of Eastern Mediterranean. The approach of the relationship between the surface explosive cyclogenesis in Mediterranean with the appearance of the 500hPa blocking situations, showed that a ridge of a blocking form is located mainly to the west of the respective surface cyclones position during the time of explosive cyclogenesis, proving the upper level dynamics on the basis of the generation of upper level cyclonic downstream development on the eastern flanks of the ridge. Finally it is concluded that explosive cyclogenesis in Mediterranean results from the interaction between baroclinic and diabatic processes.

Στη συγκεκριμένη διατριβή μελετήθηκε για πρώτη φορά η εκρηκτική κυκλογένεση στη Μεσόγειο σε κλιματολογική βάση με τη χρήση αντικειμενικών μεθόδων για τον προσδιορισμό των επιφανειακών τροχιών αλλά και της κατακόρυφης δομής αυτών στη μέση και ανώτερη τροπόσφαιρα. Εξετάστηκε η χωρική και χρονική κατανομή της συχνότητας και άλλων διαγνωστικών παραμέτρων των εκρηκτικών υφέσεων, όπως και οι τάσεις τους. Επίσης μελετήθηκαν τα κινηματικά χαρακτηριστικά των υφέσεων αυτών από την κυκλογένεση μέχρι την κυκλοδιάλυσή τους. Eπιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της χωρικής διακριτότητας των δεδομένων πίεσης μέσης στάθμης θάλασσας στα χαρακτηριστικά των επιφανειακών εκρηκτικών υφέσεων τα οποία και συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα των συνηθισμένων υφέσεων στη Μεσόγειο. Τέλος, διερευνήθηκαν οι δυναμικοί και θερμοδυναμικοί μηχανισμοί στην κατώτερη και την ανώτερη τροπόσφαιρα οι οποίοι ευνοούν την εμφάνιση του φαινομένου, αναλύοντας την αλληλεπίδραση των βαροκλινικών και των αντίστοιχων διαβατικών διαδικασιών. Στη διατριβή αυτή χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος εντοπισμού κυκλωνικών κέντρων και τροχιών, όπως και ο αντίστοιχος αλγόριθμος εντοπισμού της κατακόρυφης δομής των υφέσεων, που αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης και τροποποιήθηκαν κατάλληλα για τη Μεσόγειο, που αποτελεί μια κλειστή θαλάσσια λεκάνη με πολύπλοκη τοπογραφία. Ως δεδομένα εισόδου χρησιμοποιήθηκαν τα αρχεία ERA-40 του Ευρωπαϊκού Κέντρου Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων (ECMWF) για τη χρονική περίοδο 1962-2001, με χωρική διακριτότητα 2.5x2.5 και 1x1, αντίστοιχα.Οι εκρηκτικές υφέσεις στη Μεσόγειο αντιπροσωπεύουν ένα σχετικά σπάνιο φαινόμενο το οποίο παρουσιάζεται κυρίως πάνω θαλάσσιες επιφάνειες κατά τη διάρκεια του χειμώνα στη Δυτική και την Κεντρική Μεσόγειο, με μέγιστο τον Δεκέμβριο, χωρίς στατιστικά σημαντική τάση μεταβολής της συχνότητάς τους για την υπό μελέτη περίοδο. Οι περιοχές μεγίστης εμφάνισης περιλαμβάνουν τις βόρειες ισχυρά βαροκλινικές θαλάσσιες - παράκτιες περιοχές της Μεσογείου από τις Βαλεαρίδες Νήσους εως την Αδριατική και το Τυρρηνικό πέλαγος, ενώ δευτερεύοντα μέγιστα εμφανίζονται στο Ιόνιο και το Αιγαίο Πέλαγος καθώς και στην περιοχή της ΒΔ. Αφρικής. Εκρηκτικές υφέσεις μεγαλύτερης χωρικής κλίμακας και βάθους παρουσιάζονται στην περιοχή μεταξύ Σικελίας, Τυρρηνικού και Ιονίου Πελάγους και στην περιοχή των Σύρτεων, ενώ οι υφέσεις μικρότερης χωρικής κλίμακας και έντασης παρουσιάζονται στις βόρειες θαλάσσιες – παράκτιες περιοχές της Μεσογείου, με την επίδραση της ορογραφίας να παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία και αναγνώριση από χρονοσειρές υψηλής χωρικής διακριτότητας, τέτοιων ισχυρών χαμηλών μικρότερης χωρικής κλίμακας στις παραπάνω περιοχές.Η σύγκριση των δειγμάτων εκρηκτικών χαμηλών με βάση δεδομένα υψηλότερης και χαμηλότερης χωρικής διακριτότητας από το ίδιο μοντέλο (assimilation model) και συγκεκριμένα το μοντέλο του ERA-40, κατέδειξαν την καθαρή επίδραση της χωρικής διακριτότητας στην ανίχνευση των εκρηκτικών κυκλωνικών τροχιών και την απαίτηση για εφαρμογή χρονοσειρών υψηλής διακριτότητας σε περιοχές με περίπλοκη τοπογραφία και εμφάνιση χαμηλών μικρότερης χωρικής και χρονικής κλίμακας, όπως η λεκάνη της Μεσογείου. Η σύγκριση της εκρηκτικής έναντι της συνηθισμένης κυκλογένεσης στη Μεσόγειο έδειξε ότι, σε αντίθεση με τις εκρηκτικές υφέσεις, η συχνότητα των συνηθισμένων υφέσεων μεγιστοποιείται κατά τη διάρκεια της άνοιξης, ενώ παρουσιάζουν μικρότερη διάρκεια ζωής και μήκος τροχιών, όπως επίσης και μικρότερους μέσους ρυθμούς πτώσης της πίεσης. Αποδείχθηκε ότι οι εκρηκτικές υφέσεις αποτελούν κυκλωνικά συστήματα με καλά οργανωμένη κατακόρυφη δομή, ενώ επιβεβαιώνεται ο βαροκλινικός χαρακτήρας τους. Αποδείχθηκε επίσης ότι για την πλειοψηφία των επιφανειακών χαμηλών, τα χαμηλά στα 500hPa σχηματίστηκαν πριν από τα επιφανειακά χαμηλά, ενώ περισσότερο από το 50% των χρονικών βημάτων των επιφανειακών εκρηκτικών τροχιών εκτείνονταν εως τα 500hPa, υποδεικνύοντας ότι η δυναμική των ανωτέρων στρωμάτων συνεισφέρει στην εκρηκτική κυκλογένεση. Παρόλα αυτά ένα σημαντικό ποσοστό των επιφανειακών περιπτώσεων σχηματίστηκαν πριν τα αντίστοιχα στα 500hPa, υπονοώντας μια τάση για πρόδρομη επιφανειακή κυκλογένεση και τονίζοντας ταυτόχρονα τη δυναμική των κατωτέρων στρωμάτων όπως οι επιφανειακές θερμικές ροές, η διαβατική θέρμανση, η χαμηλή στατική ευστάθεια και η ορογραφία. Η εκτεταμένη ανάλυση των δυναμικών και θερμοδυναμικών χαρακτηριστικών της κατώτερης και της ανώτερης τροπόσφαιρας, αλλά και η σύγκριση των χαρακτηριστικών αυτών μεταξύ των υποπεριοχών της Μεσογείου κατέδειξε τάση για ισχυρότερη ανώτερη βαροκλινική δομή στις περιοχές της Δυτικής και Κεντρικής Μεσογείου μαζί με ύπαρξη αεροχειμάρρου. Η βαροκλινικότητα των ανωτέρων στρωμάτων επιβεβαιώνεται και στις περιπτώσεις της Αν. Μεσογείου επίσης, αν και είναι ασθενέστερη σε σχέση με τις υπόλοιπες δύο περιοχές. Η εισβολή ξηρού και ψυχρού στρατοσφαιρικού αέρα στην ανώτερη τροπόσφαιρα επιβεβαιώθηκε για όλες τις περιοχές. Επίσης, παρατηρήθηκε η ύπαρξη ψυχρού περιβάλλοντος στην κατώτερη τροπόσφαιρα στη Δυτική και Κεντρική Μεσόγειο, ενώ αντίθετα στην Ανατολική το προϋπάρχον περιβάλλον είναι θερμό και υγρό. Ωστόσο, και στις τρεις περιοχές καταδείχθηκε η επίδραση της έκλυσης λανθάνουσας θερμότητας λόγω συμπύκνωσης των υδρατμών, η οποία για τη Δυτική και την Κεντρική Μεσόγειο αποτελεί παράγοντα που θερμαίνει και καθιστά δυναμικά ασταθές το σχετικά ψυχρότερο περιβάλλον στην κατώτερη τροπόσφαιρα. Ενίσχυση των ροών αισθητής και λανθάνουσας θερμότητας παρατηρήθηκε σχεδόν σε όλες τις υποπεριοχές της Μεσογείου κατά τη χρονική στιγμή της εκρηκτικής κυκλογένεσης, ενώ η ενίσχυση αυτή ήταν πιο έντονη στην περιοχή της Αν. Μεσογείου. Η προσέγγιση της συσχέτισης της επιφανειακής εκρηκτικής κυκλογένεσης στη Μεσόγειο με την εμφάνιση καταστάσεων εμποδισμού στη στάθμη των 500hPa, έδειξε ότι η έξαρση τύπου εμποδισμού εντοπίζεται κατά κύριο λόγο δυτικά από την αντίστοιχη θέση των επιφανειακών χαμηλών κατά τη διάρκεια της εκρηκτικής κυκλογένεσης, αποδεικνύοντας τη δυναμική των ανωτέρων στρωμάτων στη βάση της δημιουργίας κυκλωνικής κυκλοφορίας (downstream development) στα ανατολικά κράσπεδα της έξαρσης. Τελικά συμπεραίνεται ότι η εκρηκτική κυκλογένεση στη Μεσόγειο προκύπτει από την αλληλεπίδραση των βαροκλινικών με τις διαβατικές διεργασίες.