Dynamical processes associated with summer precipitation intraseasonal variability over South America

Esta tesis presenta un estudio sobre la variabilidad intraestacional observada en la precipitación y la convección durante el verano en la región de Sudamérica. Se encontró que la variabilidad intraestacional, caracterizada como aquella con períodos de entre 10 y 90 días es significativa en la región, con máximos de varianza explicada en el sector este del continente. El principal modo de actividad en estas escalas temporales es el llamado en la literatu- ra patrón SASS (South American See-Saw), y está caracterizado por una estructura dipolar entre las anomalías de convección en la región de la Zona de Convergencia del Atlántico Sur (SACZ) y el sector comprendido por el noreste de Argentina, Sur de Paraguay y Uruguay y el extremo sur de Brasil (SESA). En esta tesis se confirmó que la actividad intraestacional del SASS, que se identifica a partir de un análisis de funciones ortogonales empíricas de la radiación de onda larga filtrada, es máxima en dos bandas específicas: una asociada a períodos de entre 10 y 30 días, que es la que explica mayor porcentaje de la varianza, y otra con períodos de entre 30 y 90 días. Asimismo, los resultados de esta tesis muestran que el SASS es también el patrón dominante para esas dos bandas de variabilidad. El ́índice temporal obtenido en cada caso reveló ́que en la banda 10-30 días, el SASS presenta picos de actividad significativos cercanos a períodos de 15 días y 22 días, mientras que en la banda 30-90 días el SASS presenta actividad con períodos cercanos a 44, 57 y 35 días. Se recurrió al cálculo de mapas de regresión y de indicadores energéticos para profundizar el entendimiento de la dinámica de gran escala asociada a cada una de las bandas de actividad. Estos cálculos permitieron confirmar que la banda asociada a períodos de entre 30 y 90 días parece estar asociada con la actividad de la oscilación de Madden-Julian (MJO), a través de trenes de onda de Rossby que conectan el Continente Marítimo con Sudamérica. La banda de per ́odos entre 10 y 30 días en cambio, no parece estar dominada por un modo convectivo tropical. Se observó que los trenes de onda que se obtienen en los mapas de regresión para el SASS de tal banda parecen tener un origen más subtropical, y podrían estar excitados por cambios en las zonas de divergencia/convergencia en la vecindad de la corriente en chorro de latitudes medias. Se estudió la ocurrencia de eventos intensos de actividad del SASS, tanto positivos (asociados a convecci ́ n intensa en SESA e inhibida en la zona de la SACZ), como nega tivos (asociados a la situación opuesta). Los eventos positivos tienen una duración media de 6.9 días y los negativos de 6.6 días, y no parecen tener meses preferenciales para su ocurrencia durante la estación cálida. Los resultados también confirmaron una predominancia de la variabilidad con períodos más cortos, con un promedio de duración de 5.6 días tanto para los eventos positivos como para los negativos. El estudio de la relación entre la ocurrencia de eventos extremos de precipitación diaria y la actividad del patrón SASS mostró que existe una tendencia muy clara a una mayor ocurrencia de extremos de precipitación en las estaciones ubicadas en la región SESA (SACZ) durante la fase positiva (negativa) del SASS e incluso mayor durante los eventos positivos (negativos) de actividad intensa del SASS. Se evaluó también la habilidad de los modelos climáticos del conjunto WCRP CMIP3 para representar las principales características de la variabilidad intraestacional sobre Sudamérica. Se observó que la mayoría de los modelos logra representar la predominancia de esta variabilidad sobre el sector este del continente. Asimismo se encontró que todos los modelos presentaron un patrón dominante con estructura dipolar, con varianzas explicadas similares a la observada. La mayoría de los modelos sin embargo representan en forma deficiente la variabilidad temporal asociada con el SASS. Se realizaron simulaciones idealizadas para estudiar la influencia de la convección en el Pacífico ecuatorial oeste sobre la variabilidad intraestacional en Sudamérica utilizando un modelo global y considerando diferentes forzantes en la región tropical. Las mismas revelaron que la elección de un forzante localizado sobre la región ecuatorial del Continente Marítimo con amplitud variable en la escala intraestacional es fundamental para reproducir la predominancia de un modo tropical, con estructura de onda 1 y una celda de Walker asociada, frente a la actividad de otros modos libres excitados en la banda tropical. Asimismo, la presencia de un forzante con un efecto promedio localizado sobre la región ecuatorial del Continente Marítimo genera las condiciones en el estado básico que favorecen la aparición de trenes de ondas de Rossby con propagación meridional que conectan esa región tropical con Sudamérica. Se concluye que para lograr reproducir un modo tropical con propagación zonal y estructura de onda 1 con máxima amplitud en las inmediaciones de 120 E, que se asemeje a la MJO, es necesario incluir un forzante con propagación hacia el este y con amplitud modulada en función de la longitud.This thesis presents a study on the intraseasonal variability observed in precipitation and convection during summer over South America. It was found that intraseasonal vari- ability, which is characterized by periods between, is significant within the region, with maximum explained variance in the Eastern sector. The leading mode of activity on these timescales is known as SASS pattern (South American Seesaw) and its main feature is a dipolar structure of convective anomalies be- tween the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) and the sector encompassing North- eastern Argentina, Southern Paraguay, Uruguay and Southernmost Brazil (SESA). This thesis confirmed that the intraseasonal variability related to the SASS, which is isolated through an empirical orthogonal function analysis of filtered outgoing longwave radia- tion, shows two distinctive activity bands: the first ranges between 10 and 30 days, and explains the highest percent of variance, while the second ranges between 30 and 90 days. Furthermore, this study shows that the SASS is also the leading pattern in both of the pre- viously mentioned variability periods. The temporal index obtained for the 10 to 30 days band exhibits significant peaks of around 15 and 22 days, whereas the index for the 30 to 90 days band presents peaks at periods close to 44, 57 and 35 days. With the aim of further understanding the large-scale dynamical processes related to each activity band, regression maps and energy indicators were examined. The analysis allowed verifying that the 30 to 90 days band is associated with the activity of the Madden-Julian oscillations (MJO) through the activity of Rossby wave trains that connect the Maritime Continent with South America. In contrast, the 10 to 30 days period band does not seem to be re- lated with the activity of a tropical convective mode. Furthermore, the analysis showed that the wave trains observed in the analysis for thees shorter timescales seem to have a subtropical origin, and they could be excited by changes in the divergence/convergence regions within the mid-latitude jet stream. The occurrence of extreme events of SASS activity, both positive (associated with intense convection in SESA and inhibited in the SACZ) and negative (associated with the opposite situation), were also studied. Positive and negative events showed a mean length of 6.9 and 6.6 days, respectively, and they do not appear to occur preferentially in any months long the warm season. Results also confirmed the dominance of the activity with shorter periods, with a mean length of 5.6 days for both positive and negative events. A study of the relationship between the occurrence of extreme daily precipitation events and the activity of the SASS showed a clear trend towards a higher frequency of precipitation extremes at stations within SESA (SACZ) during the positive (negative) phase of the SASS, and even a greater frequency during the positive (negative) events of intense SASS activity. Climate models from the WCRP CMIP3 ensemble were analyzed to assess their abili- ty to reproduce the main features of the intraseasonal variability of convection over South America. Results showed that most models represent correctly the region of maximum activity, in the Eastern portion of the continent. Moreover, all models depicted a dipo- lar structure as their leading pattern, with explained variances similar to those observed. Nevertheless, most models were unable to reproduce accurately the temporal variability associated with SASS. A set of idealized numerical experiments were simulated using an baroclinic global model, to assess the relevance of different tropical forcings at generating teleconnection patterns linking tropical convection with South America. The results showed that a lo- calized forcing over the Equatorial region of the Maritime Continent with a time-varying amplitude is required for reproducing the dominance of a tropical mode, with wave num- ber 1 and an associated Walker cell, over the activity of other active free modes in the tropical band. Furthermore, a source with a mean localized effect positioned in the vici- nity of 120◦ E is able to generate certain basic state features that promote the activity of Rossby wave trains with meridional propagation, linking that region with South America. Consequently, the presence an Eastward propagating forcing, with longitude-modulated amplitude is necessary to reproduce a tropical mode with zonal propagation, wave number 1 and maximum amplitude around 120◦ E, resembling the life-cycle of the MJO.Fil:González, Paula L. M.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina