Analysis of the extratropical stratosphere-troposphere circulation coupling using a 3D normal mode approach

Tese de doutoramento em Física (Meteorologia), apresentada à Universidade de Lisboa através da Faculdade de Ciências, 2008The annular nature of the leading patterns of the Northern Hemisphere winter extratropical circulation variability is analysed by means of a Principal Component Analysis (PCA) of tropospheric geopotential height fields followed by lagged correlations of relevant Principal Components with the stratospheric polar vortex strength as well as with a proxy of midlatitude tropospheric zonal mean zonal momentum anomalies. Results suggest that two processes, occurring with a time scale separation of about two weeks, contribute for the Northern Annular Mode (NAM) spatial structure. Polar vortex anomalies appear to be associated with midlatitude tropospheric zonal momentum anomalies leading the vortex. Zonal mean zonal wind anomalies of the same sign lagging the vortex are then observed in the troposphere at high latitudes. Tropospheric variability patterns which seem to respond to the polar vortex variability have a hemispheric scale. A dipolar structure may be observed only over the Atlantic basin that resembles the North Atlantic Oscillation pattern (NAO), but with the node line shifted northward. The association between zonal symmetric components of the tropospheric and stratospheric circulations is further confirmed by a PCA on the barotopic component of the Northern winter atmospheric circulation. Results show that a zonally symmetric component of the middle and lower tropospheric circulation variability exists at high latitudes. At the middle latitudes obtained results suggest that the zonally symmetric component, as identified in other works, is artificially overemphasized by the usage of PCA on single isobaric tropospheric levels. The 3-Dimensional normal mode expansion of the atmospheric general circulation was also used to relate the variability of the stratospheric polar vortex to the energy variability of the forcing planetary waves. Positive (negative) anomalies of the energy associated with the first two baroclinic modes of planetary Rossby waves with zonal wavenumber 1 are followed by downward progression of negative (positive) anomalies of the vortex strength. The analysis of the correlations between individual Rossby modes and the vortex strength further contributed to confirm the result from linear theory that the waves which force the vortex are those associated with the largest zonal and meridional scales.Nas últimas décadas assistiu-se a um interesse crescente pelo estudo da interacção entre a troposfera e a estratosfera extratropicais. A atenção dedicada a este tema justifica-se, em boa parte, pela relação existente entre a variabilidade estratosférica e os modos anulares na troposfera. Cada vez mais se tem maior evidência de que os processos dinâmicos na estratosfera desempenham um papel significativo na variabilidade climática da troposfera através de uma larga gama de escalas temporais. Com efeito, as relações estatísticas entre a intensidade do vórtice polar e a circulação troposférica estendem-se até à superfície, podendo tornar-se úteis para a previsão do tempo à escala mensal [Baldwin e Dunkerton 2001], bem como para uma melhor compreensão da variabilidade climática. O acoplamento dinâmico estratosfera-troposfera tem influência na variabilidade climática da circulação troposférica [Perlwitz e Graf 1995; Thompson e Wallace 1998; Castanheira e Graf 2003], tendo Perlwitz e Graf [1995] mostrado que anomalias da circulação estratosférica exercem influência sobre os regimes de circulação da troposfera e posteriormente sugerido que a reflexão de ondas planetárias desempenhava papel importante [Perlwitz e Graf 2001a]. Outros autores [Hines 1974; Geller e Alpert 1980; Schmitz e Grieger 1980; Perlwitz e Harnik 2003] têm igualmente sugerido a reflexão descendente da energia das ondas pela estratosfera de volta à troposfera como constituindo um mecanismo pelo qual a estratosfera pode afectar a troposfera. Nas latitudes elevadas do Hemisfério Norte, a variabilidade da estratosfera édominada por intensificações e desacelerações esporádicas do vórtice polar, que ocorrem com escalas temporais da ordem de semanas a meses durante o Inverno [Holton e Mass 1976; Yoden 1990; Scott e Haynes 1998]. O forçamento troposférico da variabilidade estratosférica é então explicado pela propagação vertical de ondas, que transferem momento e energia para a estratosfera. Contudo, os mecanismos dinâmicos pelos quais a troposfera reage a variações da estratosfera não estão ainda bem compreendidos. Muitos estudos recentes do acoplamento dinâmico entre a estratosfera e a troposfera enfatizam a dinâmica do escoamento médio zonal relacionada com os Modos Anulares [Baldwin e Dunkerton 1999; 2001; Kuroda e Kodera 1999; Kodera et al. 2000; Christiansen 2001; Ambaum e Hoskins 2002; Black 2002; Polvani e Kushner 2002; Plumb e Semeniuk 2003]. Acresce que as observações, em particular, mostram que anomalias elevadas na intensidade do vórtice polar estratosférico descem à baixa estratosfera, sendo seguidas por regimes meteorológicos troposféricos anómalos semelhantes ao Modo Anular do Hemisfério Norte (NAM) [Baldwin e Dunkerton 1999; 2001; Thompson et al. 2002]. O fenómeno de aquecimento súbito estratosférico (SSWs - Sudden Stratospheric Warmings) domina a variabilidade da circulação estratosférica durante o Inverno do Hemisfério Norte, tendo-se que os SSWs envolvem interacções entre o escoamento zonal da estratosfera polar e as ondas planetárias de propagação ascendente, principalmente com números de onda zonal 1 e 2 [Andrews et al. 1987]. Durante um SSW as temperaturas estratosféricas polares aumentam e o escoamento médio zonal enfraquece dramaticamente num curto intervalo de tempo. Com este enfraquecimento do escoamento zonal, a circulação estratosférica torna-se extremamente assimétrica e o vórtice estratosférico polar é afastado do pólo. Nos casos mais dramáticos, as temperaturas podem subir cerca de 50 K, e o escoamento estratosférico circumpolar pode reverter em apenas alguns dias [Limpasuvan et al. 2004]. Nesta conformidade, procede-se ao estudo da natureza anular dos principais padrões de variabilidade da circulação extratropical durante o Inverno do Hemisfério Norte e apresentam-se resultados que evidenciam a separação entre as componentes anular e não anular da variabilidade da circulação atmosférica do Hemisfério Norte. Efectua-se uma Análise em Componentes Principais dos campos troposféricos da altura do geopotencial, procedendo-se, em seguida, a um estudo das correlações desfasadas das Componentes Principais relevantes com a intensidade do vórtice polar estratosférico e com um proxy das anomalias das médias zonais do vento zonal nas latitudes médias da troposfera. Os dados utilizados consistem em reanálises do European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF ERA-40) [Uppala et al. 2005]. Os resultados sugerem que os processos, que contribuem para a estrutura espacial do NAM, ocorrem em duas fases distintas, separadas por cerca de duas semanas. Anomalias das médias zonais do vento zonal nas latitudes médias da troposfera precedem, em cerca de uma semana, anomalias, de igual sinal, na intensidade do vórtice polar. Posteriormente às anomalias do vórtice polar, observam-se anomalias, de igual sinal, no vento médio zonal, na troposfera em latitudes elevadas. Estes resultados sugerem, pois, que o padrão dominante da variabilidade troposférica (o NAM), abundantemente referido na literatura, representa variabilidade associada a uma mistura de processos desfasados no tempo. Os padrões de variabilidade troposféria, que surgem como resposta à variabilidade do jacto polar boreal, apresentam uma escala hemisférica embora contenham uma estrutura dipolar, localizada apenas sobre a bacia Atlântica. Embora esse dipolo se assemelhe ao padrão da NAO, a linha nodal surge deslocada para Norte. A natureza dinâmica da AO e da NAO é ainda investigada através de uma nova abordagem que combina os métodos tradicionais multivariados, como a Análise em Componentes Principais, com um procedimento de filtragem dinâmica baseado na análise tridimensional de modos normais da circulação global da atmosfera, cuja utilização se justifica na medida em que proporciona uma filtragem dos dados determinada pela própria natureza termohidrodinâmica do escoamento atmosférico. Com efeito, para além da decomposição da análise de Fourier em número de onda zonal, o esquema de modos normais permite ainda uma separação nas escalas espaciais meridional e vertical e, sobretudo, assegura uma decomposição do campo da circulação nas suas componentes rotacional e divergente. Os dados utilizados consistem em reanálises do National Centers for Environmental Prediction National Center for Atmospheric Research (NCEP-NCAR; Kalnay et al. 1996; Kistler et al. 2001). Analisam-se as variabilidades anular e não anular da circulação extratropical durante o Inverno do Hemisfério Norte, tendo-se que os resultados obtidos mostram que metade da variabilidade mensal da circulação barotrópica, com simetria zonal, do Hemisfério Norte, representada pela primeira EOF, é estatisticamente distinta da variabilidade remanescente. A correlação dos índices NAM da baixa estratosfera com as séries temporais diárias das anomalias da circulação projectadas sobre a primeira EOF é elevada (r > 0.7), evidenciando o facto de que a variabilidade anular se estende desde a estratosfera até à troposfera. A realização de uma Análise em Componentes Principais à variabilidade residual do campo da altura do geopotencial aos 500-hPa definida como a variabilidade remanescente após subtracção do campo da altura do geopotencial aos 500-hPa projectado sobre o índice NAM da baixa estratosfera revela também um padrão com uma componente zonalmente simétrica nas latitudes médias. Contudo, esta componente zonalmente simétrica surge na segunda EOF da variabilidade residual e corresponde a dois dipolos independentes sobre os oceanos Pacífico e Atlântico. Estes resultados evidenciam a existência, nas latitudes elevadas, de uma componente zonalmente simétrica da variabilidade da circulação da baixa e média troposferas. Nas latitudes médias, a componente zonalmente simétrica da variabilidade da circulação a existir é, pois, artificialmente enfatizada pela utilização da Análise em Componentes Principais em níveis isobáricos troposféricos únicos. O acoplamento dinâmico estratosfera-troposfera foi também estudado através da análise da energia associada às ondas planetárias. A expansão em modos normais tridimensionais da circulação geral da atmosfera proporciona a separação da energia total (cinética + potencial disponível) da atmosfera entre energia associada a ondas planetárias ou de Rossby e a ondas gravítico-inerciais, com estruturas verticais barotrópica ou baroclínicas. A análise, aqui efectuada, distingue-se das análises tradicionais, pois o forçamento estratosférico é diagnosticado em termos das anomalias da energia total associada a ondas tridimensionais, em vez das anomalias dos fluxos de calor e de momento associados a componentes de Fourier obtidas através de uma decomposição unidimensional da circulação atmosférica. No contexto da dinâmica da interacção entre as ondas e o escoamento médio e através do estudo das correlações desfasadas entre a intensidade do jacto polar e a energia das ondas, investigou-se a forma como o vórtice polar oscila em função da energia total das ondas de Rossby. Foi também analisada a forma como ambas as escalas, zonal e meridional, dos modos de Rossby interagem com a intensidade do vórtice. Os resultados indicam que um aumento da energia total é acompanhado por um aumento da propagação de ondas de número de onda zonal 1 para a estratosfera, que desaceleram o jacto. A análise da correlação entre os modos de Rossby individuais e a intensidade do vórtice confirmam ainda os resultados da teoria linear que indicam que as ondas que forçam o vórtice polar são as associadas com as maiores escalas zonal e meridional. Finalmente, efectuaram-se análises de compósitos aos dois tipos de fenómenos de aquecimentFundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), (SFRH / BD / 32640 / 2006

Moko disease of banana (Ralstonia solanacearum).

Bactéria. Sintomas.bitstream/item/114831/1/PaDIL-Mokodiseaseofbanana-Ralstoniasolanacearum.pd

Quantum theory of intersubband polarons

We present a microscopic quantum theory of intersubband polarons, quasiparticles originated from the coupling between intersubband transitions and longitudinal optical phonons. To this aim we develop a second quantized theory taking into account both the Fr\"ohlich interaction between phonons and intersubband transitions and the Coulomb interaction between the intersubband transitions themselves. Our results show that the coupling between the phonons and the intersubband transitions is extremely intense, thanks both to the collective nature of the intersubband excitations and to the natural tight confinement of optical phonons. Not only the coupling is strong enough to spectroscopically resolve the resonant splitting between the modes (strong coupling regime), but it can become comparable to the bare frequency of the excitations (ultrastrong coupling regime). We thus predict the possibility to exploit intersubband polarons both for applied optoelectronic research, where a precise control of the phonon resonances is needed, and also to observe fundamental quantum vacuum physics, typical of the ultrastrong coupling regime

Structure formation in the presence of dark energy perturbations

We study non-linear structure formation in the presence of dark energy. The influence of dark energy on the growth of large-scale cosmological structures is exerted both through its background effect on the expansion rate, and through its perturbations as well. In order to compute the rate of formation of massive objects we employ the Spherical Collapse formalism, which we generalize to include fluids with pressure. We show that the resulting non-linear evolution equations are identical to the ones obtained in the Pseudo-Newtonian approach to cosmological perturbations, in the regime where an equation of state serves to describe both the background pressure relative to density, and the pressure perturbations relative to the density perturbations as well. We then consider a wide range of constant and time-dependent equations of state (including phantom models) parametrized in a standard way, and study their impact on the non-linear growth of structure. The main effect is the formation of dark energy structure associated with the dark matter halo: non-phantom equations of state induce the formation of a dark energy halo, damping the growth of structures; phantom models, on the other hand, generate dark energy voids, enhancing structure growth. Finally, we employ the Press-Schechter formalism to compute how dark energy affects the number of massive objects as a function of redshift.Comment: 21 pages, 8 figures. Matches published version, with caption of Fig. 6 correcte

Attitudes towards and effects of the use of video games in classroom learning with specific reference to literacy attainment

The first part of this study shows that there is increased support for using video games in the classroom from different stakeholders, namely students, teachers and parents. The potential role that video games can play in the classroom learning process needs to be more well defined. There is a dire need for research work under experimental conditions which measures tangibly the effectiveness of videogame use in classroom learning. The experimental study described here seeks to address this need and focuses on the very important area of literacy attainment. The Experimental Group of students which used the videogame in the classroom obtained significant gains on a number of English as a Second Language items when compared to the other group of students which followed their regular programme. This study makes a claim for teachers to be supported in their endeavours to harness video games as a teaching and learning tool. However, the role of teachers in this process requires redefinition. It calls also for the concerns of teachers to be addressed if they are to feel they can play a significant role in the adoption of video games in classroom learning.peer-reviewe

Physical approximations for the nonlinear evolution of perturbations in dark energy scenarios

The abundance and distribution of collapsed objects such as galaxy clusters will become an important tool to investigate the nature of dark energy and dark matter. Number counts of very massive objects are sensitive not only to the equation of state of dark energy, which parametrizes the smooth component of its pressure, but also to the sound speed of dark energy as well, which determines the amount of pressure in inhomogeneous and collapsed structures. Since the evolution of these structures must be followed well into the nonlinear regime, and a fully relativistic framework for this regime does not exist yet, we compare two approximate schemes: the widely used spherical collapse model, and the pseudo-Newtonian approach. We show that both approximation schemes convey identical equations for the density contrast, when the pressure perturbation of dark energy is parametrized in terms of an effective sound speed. We also make a comparison of these approximate approaches to general relativity in the linearized regime, which lends some support to the approximations.Comment: 15 pages, 2 figure

Panama disease of banana (Fusarium oxysporum f.sp. cubense).

Sintomas. Identificação. Fungo.bitstream/item/184735/1/S8427.pd

Characterisation of synoptic conditions and cyclones associated with top ranking potential wind loss events over Iberia

Intense extra-tropical cyclones are often associated with strong winds, heavy precipitation and socio-economic impacts. Over southwestern Europe, such storms occur less often, but still cause high economic losses. We characterise the largescale atmospheric conditions and cyclone tracks during the top-100 potential losses over Iberia associated with wind events. Based on 65 years of reanalysis data,events are classified into four groups: (i) cyclone tracks crossing over Iberia on the event day (“Iberia”), (ii) cyclones crossing further north, typically southwest of the British Isles (“North”), (iii) cyclones crossing southwest to northeast near the northwest tip of Iberia (“West”), and (iv) so called “Hybrids”, characterised by a strong pressure gradient over Iberia due to the juxtaposition of low and high pressure centres. Generally, “Iberia” events are the most frequent (31% to 45% for top-100 vs.top-20), while “West” events are rare (10% to 12%). 70% of the events were primarily associated with a cyclone. Multi-decadal variability in the number of events is identified. While the peak in recent years is quite prominent, other comparably stormy periods occurred in the 1960s and 1980s. This study documents that damaging wind storms over Iberia are not rare events, and their frequency of occurrence undergoes strong multi-decadal variability