Northern hemisphere blockings and their impacts over the european continent : historical overview and associated mechanisms

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Blocking high pressure systems are large-scale atmospheric circulation patterns with meteorological impacts that vary across regions and seasons, depending on the blocking location, spatial characteristics and temporal length. While blocking episodes are an important component of intra-seasonal and inter-annual variability at mid-latitudes, particularly in Europe, previous studies have mostly focused on characterizing European blocking impacts on either winter or summer seasons. In this thesis, a thorough characterization of Euro-Atlantic blocking occurrence within different longitudinal sectors (Atlantic, European and Russian) was performed, followed by a comprehensive analysis of their seasonal impacts on temperature and on the precipitation regimes of the European continent and specific sub-regions, with particular emphasis on Iberia, and on extreme events. In order to distinguish high-latitude blocking from other common high pressure systems affecting Europe, namely sub-tropical ridges, a novel ridge detection scheme was developed. Ridges do not require a wave-breaking occurrence as blockings do, although they are frequent precursors of wave-breaking, which may lead to blocking. Thus, as an additional novelty, this thesis also characterizes the distinctive seasonal impacts associated with sub-tropical ridges occurring at different longitudinal sectors of the Euro-Atlantic region. Finally, an assessment of the involved mechanisms behind the temperature and precipitation responses to blocking is also carried out. This included for precipitation the role of cyclonic activity (storm-tracks and cut-off lows), moisture transport, and large-scale atmospheric instability, while for temperature the focus was on the role played by horizontal advection, subsidence and imbalances in various radiation budgets. This distinction clarifies that most extreme heat episodes in southern Europe and Mediterranean areas should not be attributed to blockings, but rather to ridges. In central and northern areas of the continent, both regimes are responsible for warm conditions in summer, due to enhanced radiative heating and increased subsidence. During winter, blocking and ridges lead to opposite temperature responses. Blocking reinforces cold northerly advection in its eastern flank, thus promoting European cold winter spells, especially those located in the eastern Atlantic and western Europe, while mild Atlantic flows associated to ridge patterns result in warmer conditions. Regarding the impacts on precipitation, blocking and ridges are associated with a marked northsouth dipole for the three considered longitudinal sectors of occurrence. While blocking patterns force a split of the storm-track, ridges are associated with a stronger zonal flow at higher latitudes. Thus, negative (positive) precipitation anomalies during blocks occur at higher (lower) latitudes. Enhanced atmospheric instability and cyclonic activity south of blocking centers relate very well with increased rainfall in southern Europe, including Iberia, where torrential regimes are more relevant in the precipitation totals. This dipole is reversed during ridges, which lead to dry conditions in southern Europe. The seasonal analysis further reveals that winters characterized by high frequencies of blocking (ridge) occurrence present above (below) average snow covered soils. Blocking/ridge impacts on temperature and precipitation have also additional effects on meteorological and climate extreme events with large socio economic impacts. Thus, the results show a blocking/ridge role at different time-scales in controlling a significant part of wildfire inter annual variability in Mediterranean areas. Meteorological pre-conditioning raises vegetation stress during dry winters, while increased ridge and blocking occurrence in summer fosters meteorological conditions which are prone to fire ignition and spread. Finally, outputs from state-of-the-art General Circulation Models raise the challenge to develop further these automated schemes for blocking/ridges detection, as their representation in climate models is crucial to understand impacts towards the later decades of the 21st century. Summing up, the main novelties and achievements of this thesis are: 1) the clear disentanglement between blocks and ridges; 2) the seasonal analyses of specific regional impacts resulting from different locations of blocking/ridge structures; 3) the detailed analysis of dynamical/physical forcing mechanisms associated to each considered weather pattern.Apesar de não existir uma definição unanimemente aceite para o conceito de bloqueio atmosférico, este pode ser descrito como uma supressão do fluxo zonal devido à presença de um sistema de alta pressão. Esta circulação anticiclónica, normalmente localizada nas latitudes onde se observa a corrente de jato polar, apresenta uma dimensão espacial de larga-escala, é geralmente quase-estacionária, e tem um tempo de vida útil entre vários dias a várias semanas. Os sectores orientais dos oceanos Atlântico e Pacífico são geralmente as regiões de ocorrência preferencial de bloqueios no Hemisfério Norte. A ocorrência de bloqueios atmosféricos está diretamente associada a condições prolongadas de tempo seco e estável nas regiões diretamente localizadas sob o sistema de altas pressões. O seu posicionamento geralmente origina uma divisão em dois ramos da corrente de jato. Esta perturbação do habitual padrão zonal resulta em alterações significativas das condições meteorológicas a outras latitudes (tanto meridional como setentrional) distintas da zona diretamente afetada pela posição central do bloqueio. Torna-se necessária assim uma compreensão mais detalhada da climatologia associada aos bloqueios atmosféricos centrados no setor Euro-Atlântico, com especial ênfase aos impactos específicos associados às diferentes localizações que os seus centros de ação possam ter. Apesar de serem um fenómeno que ocorre à escala sinóptica, os bloqueios podem implicar impactos climáticos muito distintos à escala regional, ou mesmo local. Desta forma, um dos principais objetivos desta tese centra-se na elaboração de uma climatologia completa da sua ocorrência, e na respetiva caracterização dos impactos climáticos regionais resultantes da ocorrência de bloqueios em diferentes sectores longitudinais: Atlântico (ATL; 30W-0W), Europeu (EUR; 0E-30E) e Russo (RUS; 30E-60E). Tendo-se verificado na literatura uma certa confusão entre bloqueio de alta latitude e outros sistemas comuns de alta pressão que afetam a Europa, nomeadamente as cristas sub-tropicais, foi considerado prioritário obter um novo catálogo de cristas de alta pressão para o setor Euro-Atlântico. Desta forma, um segundo objetivo central da tese foi o do desenvolvimento de um novo algoritmo automático de deteção de cristas sub-tropicais, que permita assim realizar uma clara distinção fenomenológica e dos impactos destes dois padrões atmosféricos (bloqueios versus cristas). Assim, a compreensão das condições sinópticas e dos mecanismos físicos envolvidos em cada um destes padrões é também tema central desta tese. No caso da precipitação, esta análise de mecanismos incluiu o papel da atividade ciclónica (storm-tracks e cut-off lows), do transporte de humidade e da instabilidade atmosférica em larga escala. Para avaliar os impactos na temperatura analisou-se a contribuição da advecção horizontal, da subsidência e das alterações nos vários balanços radiativos. A desagregação bloqueios-cristas permite distinguir fenomenologias por vezes confundidas na literatura, nomeadamente aquando da análise de episódios de calor extremo no sul da Europa. Verifica-se dos resultados obtidos que, devido a uma clara distinção no posicionamento latitudinal dos centros de ação entre bloqueios e cristas, as respostas na temperatura associadas a cada padrão são também bem distintas, sendo estas diferenças particularmente notáveis no inverno. De uma forma geral, nesta estação, os bloqueios (essencialmente os centrados nos sectores ATL e EUR) resultam em valores das temperaturas do ar bastante abaixo da média, provocadas pela advecção de ar frio de latitudes mais elevadas ao longo do flanco este dos anticiclones. Em oposição, as cristas originam anomalias positivas na temperatura na maior parte do continente europeu, essencialmente como resultado do transporte de massas de ar de origem Atlântica, e de uma redução do arrefecimento radiativo, associado ao aumento da nebulosidade. Durante o verão, ambos os padrões atmosféricos estão associados a temperaturas acima da média em vastas áreas da Europa central e do norte. Em contrapartida, nas regiões mais a sul, e em particular na área da bacia do Mediterrâneo, as cristas controlam a ocorrência de dias extremamente quentes (usualmente identificados como ondas de calor). No verão é também de salientar o papel dominante do aquecimento radiativo solar (sob condições de céu limpo) como principal impulsionador destas anomalias positivas de temperatura em dias de ocorrência de bloqueio/crista, particularmente para os sistemas localizados sobre áreas continentais. Relativamente aos impactos nos regimes de precipitação, existe um claro dipolo norte-sul ao analisar as anomalias associadas a dias de bloqueio/crista. A ocorrência de bloqueios leva a uma redução da precipitação na metade norte do continente Europeu (em algumas áreas superior a 50%) devido ao bloqueio dos sistemas depressionários de médias-latitudes (e do correspondente transporte de humidade) provenientes do Atlântico. No entanto, esta configuração sinóptica leva a um aumento da precipitação (relativamente à média) nas zonas mais a sul, fundamentalmente relacionado com o desvio do storm-track nesta direção, e a um consequente aumento da instabilidade atmosférica e da convecção. Este padrão resulta numa clara mudança nas distribuições de regimes de precipitação nos países do sul da Europa, e demonstra também a ligação entre bloqueios atmosféricos e os regimes de precipitação torrencial na área do Mediterrâneo. Em padrões de fluxo zonal intenso as anomalias da precipitação são no geral opostas às encontradas durante bloqueios, originando um deficit de precipitação no sul da Europa. No contexto dos vários regimes possíveis de fluxo zonal forte, as cristas sub-tropicais estão associadas a condições particularmente secas nos países do sul da Europa. Isto naturalmente também se aplica à Península Ibérica, onde os totais anuais de precipitação dependem largamente da atividade frontal de origem Atlântica (em particular nos meses de inverno), sendo esta afastada da região durante a ocorrência de cristas nos sectores ATL e EUR. Neste contexto, mostra-se crucial o recurso a bases de dados de alta-resolução com uma densidade de estações muito mais elevada, permitindo uma análise regional mais detalhada para o domínio da Península Ibérica. Os bloqueios centrados em latitudes elevadas, em particular os que ocorrem no sector ATL, são responsáveis por invernos com maior cobertura de neve no continente Europeu (até cerca de 50% mais dias com a superfície coberta de neve na Europa central), devido a uma maior frequência de dias frios sob os fluxos de norte associados à circulação anticiclónica. Por outro lado, a ocorrência de cristas nos sectores ATL e EUR (que estão associadas a dias de inverno bastante amenos) impõe uma frequência muito mais baixa de dias com neve no solo. Foi também concluído que os padrões de bloqueio/crista exercem um efeito regulador importante na variabilidade inter-anual de incêndios florestais. Mostra-se que o feedback existente entre a ocorrência destes padrões atmosféricos, a ocorrência de secas, e os incêndios florestais, acontece a diferentes escalas temporais. Nos meses antecedentes à época de incêndios, uma frequência superior ao normal de cristas (bloqueios) é responsável por valores de precipitação abaixo (acima) da média no sul da Europa, aumentando a vulnerabilidade da vegetação. Durante a própria época de incêndios, este padrão atmosférico está associado a condições anomalamente quentes e secas que promovem a ignição e fácil propagação do fogo. Finalmente, no contexto das alterações climáticas, verificou-se que nas últimas décadas a frequência de cristas sub-tropicais aumentou bastante no sul da Europa. As projeções futuras dos Modelos de Circulação Geral sugerem uma expansão para norte das altas pressões subtropicais (associadas à expansão da célula de Hadley). Por outro lado, não existem sinais dinâmicos de alterações muito significativas na frequência e localização dos bloqueios de alta latitude no sector Euro-Atlântico, exceto uma ligeira tendência de deslocamento para nordeste na sua região preferencial de ocorrência. Pretende-se como trabalho futuro utilizar também uma abordagem dinâmica (não apenas baseada em campos de anomalia) para o algoritmo de deteção de cristas, que permitirá uma maior confiança na extrapolação para cenários futuros

Merging the MODIS and RUCL Monthly Snow-Cover Records

Monthly time series from two satellite snow-cover records are merged to study the construction of a climate-data record for the Northern Hemisphere, and its limitations