Variabilidade climática da circulação atmosférica à escala global

Doutoramento em FísicaApresenta-se um estudo da Variabilidade Climática da Circulação Atmosférica Global para os meses de Dezembro, Janeiro e Fevereiro, baseado numa análise simultânea dos campos do geopotencial e do movimento horizontal, através de uma expansão daquele campos numa base de modos normais das equações primitivas linearizadas. Numa primeira parte (Capítulo 3), procedeu-se à análise da Variabilidade Climática simulada por um conjunto de 10 integrações paralelas e independentes da versão VII.1 do AGCM da Universidade de Melbourne, todas forçadas pelos mesmos campos observados das SSTs e da cobertura de gelos oceânicos, durante o período de Janeiro de 1979 a Dezembro de 1988. A fim de se reduzir a dimensionalidade dos dados de base, os campos do vento horizontal e do geopotencial foram expandidos nos modos normais da atmosfera de referência do modelo, permitindo realizar uma filtragem consistente dos campos de massa e do movimento da atmosfera. Através de uma análise de variância realizada sobre os coeficientes da expansão nos modos normais, a variabilidade da circulação foi decomposta nas suas componentes livre e forçada. Os modos de variabilidade da Circulação Global foram identificados através de uma análise em componentes principais complexas (CPCA), também realizada sobre os coeficientes da expansão nos modos normais. Os padrões de variabilidade forçada foram obtidos realizando a CPCA sobre os valores médios das 10 simulações para cada mês de cada ano, sendo os padrões de variabilidade livre identificados realizando a CPCA sobre os desvios dos valores simulados para cada mês em relação aos respectivos valores médios das 10 simulações. Com este método de análise, os padrões de teleconexão do Pacífico/América do Norte (PNA) e da Oscilação do Atlântico Norte (NAO) surgiram como padrões de variabilidade livre da Circulação Global. No caso da variabilidade forçada, realçam-se dois padrões, um para a componente barotrópica e outro para a quarta componente baroclínica, ambos relacionados com o efeito global devido às anomalias das SSTs associadas ao "ciclo" El Niño/Oscilação Austral. Numa segunda parte (Capítulo 4), procedeu-se ao estudo da variabilidade da Circulação Global representada pelas reanálises do National Centers for Environmental Prediction (NCEP), referentes ao período de Janeiro de 1973 a Dezembro de 1996. Os campos do geopotencial e do vento horizontal foram agora expandidos na base de modos normais da atmosfera de referência das reanálises. Igualmente através de uma CPCA realizada sobre os coeficientes da expansão e tomando os resultados das simulações como referência, calcularam-se os padrões de variabilidade da atmosfera reanalisada. Os resultados obtidos com as reanálises permitiram validar os das simulações, revelando igualmente padrões de variabilidade global associados à PNA e à NAO. Identificaram-se também padrões semelhantes aos do forçamento simulado, associados com as anomalias das SSTs no Pacífico tropical. Por fim, dada a maior resolução vertical da atmosfera reanalisada, foi ainda possível investigar a variabilidade da circulação da baixa estratosfera, bem como a sua conexão com a circulação troposférica. O modo de maior variabilidade da circulação global da baixa estratosfera descreve as flutuações de intensidade do vortex polar, durante o Inverno do Hemisfério Norte, e apresenta correlação significativa com as projecções das anomalias da circulação troposférica sobre um padrão característico da NAO. O segundo modo de variabilidade da circulação estratosférica estabelece uma associação entre a fase da QBO equatorial e a fase de um padrão de anomalias da circulação estratosférica extratopical, dominado pela contribuição do número de onda zonal s = 1. O estudo efectuado demonstra, de forma conclusiva, que a expansão da circulação atmosférica numa base de modos normais constitui um método, não só adequado, mas sobretudo útil para o estudo da variabilidade global da circulação, residindo essa utilidade no facto de as estatísticas da circulação poderem, assim, ser estabelecidas com base nas variáveis primitivas da circulação global e não apenas em informação proveniente de uma variável 'proxy' da circulação, tal como, por exemplo, o campo do geopotencial aos 500 hPa.A study on Climatic Variability of the Atmospheric Global Circulation for the months of December, January and February is presented, based on a simultaneous analysis of the geopotential and horizontal motion fields, by means of an expansion on a base of normal modes of the linearized primitive equations. In a first part (Chapter 3), an analysis is presented of the Climatic Variability simulated by a set of ten parallel and independent integrations of the Melbourne University AGCM (version VII.1). All simulations were forced by the same observed SST and Sea Ice fields for the period of January 1979 to December 1988. In order to reduce the dimensionality of the simulated data set, the geopotential and horizontal wind fields were expanded on the normal modes of the model's reference atmosphere, allowing a dynamically consistent filtering of both wind and mass fields. By means of an analysis of variance, performed over the normal mode expansion coefficients, circulation variability was then partitioned into its internal and SST-forced components. Modes of variability of the Global Circulation were identified by means of a Complex Principal Component Analysis (CPCA) that was also performed on the normal mode expansion coefficients. The forced variability patterns were obtained performing the CPCA on averaged values of the 10 simulations, that were computed for each month of each year (ensemble means). On the other hand, the internal (free) patterns of variability were obtained performing the CPCA on the deviations of monthly individual simulations from respective ensemble averages (that were used to compute the forced patterns). Based on described method, teleconnection patterns of Pacific/North America (PNA) and North Atlantic Oscillation (NAO) appear as free variability patterns of the Global Circulation. In the case of the forced variability, two conspicuous patterns were revealed, one for the barotropic and the other for the fourth baroclinic component, both related with the global effect due to the SST anomalies associated with the El Niño/Southern Oscillation 'cycle'. In a second part (Chapter 4), a study is presented of the variability of the Global Circulation based on National Centers for Environmental Prediction (NCEP) re-analysis data, respecting to the period from January 1973 to December 1996. The geopotencial and horizontal wind fields were, in this case, expanded on the normal modes of the re-analysis reference atmosphere. Variability patterns of the re-analyzed atmosphere were then calculated by means of a CPCA performed on the expansion coefficients and using previous results from simulations as a guideline. Obtained results for the re-analysis allowed to validate those obtained from the simulations, as they also revealed global variability patterns associated with PNA and NAO patterns. Circulation patterns associated with the SST anomalies in the tropical Pacific were also obtained that revealed to be in close agreement with those respecting to the forced simulated circulation. Finally, given the greater vertical resolution of the re-analyzed atmosphere, it was also possible to investigate the variability of the low stratospheric circulation, as well as its connection to the tropospheric circulation. It was found that the largest variability mode of the low stratospheric global circulation describes the intensity fluctuations of the cyclonic polar vortex in northern winter, being significantly correlated with the projections of the tropospheric circulation anomalies onto a characteristic pattern of the NAO. The second mode of variability of the stratospheric circulation allowed to establish a connection between the phase of equatorial QBO and the phase of a pattern of extratropical stratospheric circulation anomalies, dominated by a contribution due to zonal wavenumber s = 1. Performed study conclusively demonstrates that projecting the atmospheric circulation onto a base of normal modes is not only an appropriate method, but lays the grounds for studying Climatic Variability of the Global Circulation. Usefulness of such a method resides on the fact that computed statistics are based on the very primitive variables of global circulation, therefore not simply relying on information provided by a 'proxy' variable of circulation, such as the 500 hPa geopotential field