Transiciones tropicales en el Atlántico Norte: génesis y simulaciones numéricas

Abstract

Tropical Transition (TT) is the process by which a baroclinic cold-core cyclone loses its asymmetry and gradually acquires typical characteristics of warm-core symmetrical tropical cyclones, ending up as a purely tropical cyclone.

Due to the multiple societal impacts associated with TTs, these cyclone transition processes have received increased attention from the scientific community and forecasters in recent decades. This dissertation aims to analyze TTs in the North Atlantic under the present climate by studying their genesis and evolution using atmospheric reanalysis databases and numerical simulations, to improve the general knowledge of cyclones that have undergone these transition processes.

The different studies that compose this dissertation have focused on the elaboration of a climatology of TTs. The kinetic energy associated with these atmospheric systems has been studied by analyzing the energy spectrum associated with both reanalysis and simulations of various TTs. In addition, the effective resolution of several limited-area models when simulating these systems has been analyzed by comparing it with that obtained from the reanalysis database. The numerical models used for the simulation of TTs were WRF-ARW and HARMONIE AROME. Finally, the verification of TTs simulations performed by these models has been carried out using several traditional and object-based techniques.

In this dissertation, the synoptic environments of cyclones that have undergone a TT process in the North Atlantic have been analyzed using the ERA5 reanalysis database, differentiating between the central and the eastern North Atlantic. The results obtained indicate that TTs in the North Atlantic are characterized by an anticyclonic blocking pattern northward of a surface low with increasing geopotential thickness, showing the development of the warm core. Cyclones in the eastern North Atlantic transition into an environment more hostile to tropical cyclogenesis than the central North Atlantic.

The kinetic energy spectrum curve in the ERA5 atmospheric reanalysis has been analyzed in different latitudinal bands in the Northern Hemisphere and a limited-area domain in the North Atlantic. The results show that ERA5 can correctly reproduce the kinetic energy spectrum at the synoptic scale, without correctly in mesoscale regions. Because of this handicap, several tropical cyclones that have undergone a TT process have been numerically simulated to analyze and evaluate the importance of each of the terms by an energy budget. The obtained results indicate that the HARMONIE-AROME model shows a higher numerical dissipation filtering, while the WRF-ARW model tends to over-energize the spectrum. The kinetic energy is mainly dominated by the terms associated with strong updrafts and moist convective processes in the energy cascade and other energy transfer processes.

The HARMONIE-AROME and WRF-ARW models have been verified in the area of TTs using traditional and object-oriented methods. Both models show very similar results in the evaluation of the trajectory of the simulated TTs and a general overestimation of the maximum wind speed at 10 m in both models. The brightness temperature and the three-hour cumulative precipitation fields were evaluated using object-oriented verification methods (SAL and FSS). The HARMONIE-AROME (WRF-ARW) model resolves precipitation better in the pre (post)-TT phase. However, the WRF-ARW (HARMONIE-AROME) model resolves the brightness temperature better compared to SEVIRI-MSG in the pre (post)-TT phase. Therefore, based on the results obtained, it is difficult to determine the optimum numerical model resolving the cyclones that have undergone a TT process.

Una transición tropical (TT) es el proceso por el cual un ciclón baroclino de núcleo frío pierde su asimetría y gradualmente adquiere características típicas de ciclones tropicales de núcleo cálido y simétricos, finalizando en un ciclón tropical puro. Es justamente el proceso opuesto a una transición extratropical.

Dados los impactos asociados a TTs que afectan a la sociedad en múltiples aspectos, estos procesos de transición de ciclones han recibido gran atención por la comunidad científica y los pronosticadores en las últimas décadas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo analizar la génesis y evolución de TTs en el Atlántico Norte en clima presente utilizando bases de datos de reanálisis atmosféricos y simulaciones numéricas para mejorar el conocimiento general sobre ciclones que han experimentado estos procesos de transición.

Los diferentes estudios que componen esta tesis doctoral se han centrado, en primer lugar, en la elaboración de una climatología de TTs. Se ha estudiado la energía cinética asociada a esos sistemas atmosféricos analizando el espectro energético asociado tanto a reanálisis como a simulaciones de diversas TTs. Además, se ha analizado la resolución efectiva que presentan varios modelos de área limitada al simular estos sistemas comparándola con la resolución obtenida de base de datos de reanálisis. Los modelos numéricos que se han utilizado para la simulación TTs han sido el WRF-ARW y el HARMONIE-AROME. Finalmente, se ha llevado a cabo la verificación de simulaciones de TTs realizadas por dichos modelos mediante diversas técnicas tradicionales y por objetos.

En esta tesis doctoral se han analizado los ambientes sinópticos de ciclones que han experimentado un proceso de TT en el Atlántico Norte utilizando la base de reanálisis ERA5, diferenciando entre el Atlántico central y oriental. Los resultados obtenidos indican que las TTs en el Atlántico Norte están caracterizadas por un patrón de bloqueo anticiclónico al norte de una baja en superficie con incremento de espesor geopotencial evidenciando el desarrollo del núcleo cálido. Los ciclones en el Atlántico Norte oriental transicionan en ambientes más hostiles para la formación de ciclones tropicales que en el Atlántico Norte central.

Se ha analizado la curva del espectro de la energía cinética turbulenta en el reanálisis atmosférico ERA5 en distintas bandas latitudinales del hemisferio norte y en el Atlántico Norte. Los resultados muestran que ERA5 es capaz de reproducir apropiadamente el espectro de energía cinética a escala sinóptica, sin reproducir correctamente las densidades energéticas en rangos mesoescalares. Debido a este hándicap, se han simulado numéricamente varios ciclones tropicales que han experimentado un proceso de TT para analizar y evaluar la importancia de cada uno de los términos que componen la tendencia del espectro. Los resultados obtenidos indican que el modelo HARMONIE-AROME (WRF-ARW) muestra un mayor filtrado disipación numérica (sobreenergiza). La energía cinética está principalmente gobernada por los términos asociados a fuertes ascensos y procesos convectivos húmedos en la cascada de energía y otros procesos de transferencia de energía.

La verificación llevada a cabo de las simulaciones de TTs realizadas por los modelos HARMONIE-AROME y WRF-ARW muestra unos resultados muy similares en la evaluación de la trayectoria de las TTs simuladas y una sobreestimación general en ambos modelos en la velocidad máxima del viento a 10 m. El modelo HARMONIE-AROME (WRF-ARW) reproduce con mayor exactitud la precipitación en la fase previa (posterior) de la TT. No obstante, el modelo WRF-ARW (HARMONIE-AROME) presenta más eficiencia al simular la temperatura de brillo en comparación con los datos observacionales del SEVIRI-MSG en la fase previa (posterior) de la TT. Por lo tanto, es difícil establecer qué modelo numérico tiene más eficiencia al simular los ciclones con proceso de TT.