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Publicação
The Madeira tip-jet and variability of extratropical water vapor pumping in the Atlantic basin
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Resumo(s)
O Aeroporto da Madeira é frequentemente afetado por eventos de vento intenso, que causam problemas nas operações de aeronaves. Esta situação levou ao estabelecimento de certos valores críticos de intensidade do vento médio e de rajadas, a partir dos quais o aeroporto encerra. A elevada frequência desses eventos deve-se em grande parte ao facto de o aeroporto se situar numa das extremidades da ilha da Madeira: nos extremos ocidental e oriental da ilha, ocorre a formação de jatos de baixa altitude, denominados tip jets. Um tip jet forma-se quando o escoamento encontra uma barreira de formato elíptico e ocorre aceleração em torno da extremidade da barreira. No caso da Madeira, o vento sopra predominantemente de nordeste, devido à localização da ilha em relação à circulação associada ao Anticiclone dos Açores, pelo que os jatos estendem-se para sudoeste a partir dos extremos da ilha.
As análises feitas em todo este trabalho restringem-se aos meses de junho a setembro (JJAS), uma vez que nessa época do ano as perturbações nas operações do aeroporto são particularmente relevantes, tendo em conta o tráfego aéreo associado ao turismo. Por outro lado, pretendia-se estudar a relação dos ventos locais com mecanismos de larga escala, e nos meses de verão há uma menor frequência de estruturas transientes, como depressões, que pudessem complicar esse estudo.
Recorreu-se ao modelo Weather Research and Forecasting (WRF) para representar o padrão típico do escoamento de superfície na região da Madeira, onde estão claramente presentes os dois tip jets e a esteira que existe entre eles. Estabeleceu-se a relação entre esse padrão espacial e a variabilidade da frequência de eventos de vento intenso observados em 13 estações meteorológicas distribuídas pela ilha da Madeira. Consideraram-se nesta fase do trabalho os dados para os meses JJAS dos anos 2009-2017, uma vez que este era o período máximo comum para o qual todas as estações tinham dados disponíveis. As estações situadas nos dois extremos da ilha registam frequências de ventos fortes mais elevadas, em todos os anos, do que as que se situam em zonas da ilha onde o efeito da formação dos tip jets não se sente.
Compararam-se os resultados obtidos com a simulação do WRF de resolução horizontal mais fina com os de outras de menor resolução e ainda com os da reanálise ERA5 (5th generation European Centre for Medium Range Weather Forecasting reanalysis), de resolução inferior à das simulações do WRF. Deste modo, foi possível avaliar o valor acrescentado do uso de simulações de alta resolução na reprodução da variabilidade espacial do vento na Madeira. Concluiu-se que a simulação de alta resolução é aquela que melhor permite reproduzir a referida variabilidade entre as estações.
Pretendia-se ainda averiguar se o aumento que se verificara na frequência de condições de fecho do aeroporto, nos anos de 2016 e 2017, calculada a partir de dados das estações meteorológicas, correspondia à realidade. Nesses anos, a frequência de condições de vento intenso foi superior a todos os anos desde 2009. Na verdade, verificam-se as mesmas características da evolução temporal dessa frequência nos resultados obtidos com o modelo WRF, e em certas estações também na ERA5.
Usando dados da reanálise ERA5, calculou-se a intensidade do vento de larga escala numa secção zonal a norte da ilha da Madeira (isto é, a montante, em relação à direção do vento predominante). Mostrou-se que existe uma forte ligação entre o vento a montante e as condições de vento observadas no aeroporto, um resultado consistente com a ideia de que as segundas são em grande parte uma resposta ao primeiro, através do efeito do tip jet. Assim, é possível usar os dados de baixa resolução da ERA5 para obter uma variável que serve de proxy para estudar a variabilidade do vento local. O uso dessa variável proxy permite estender o estudo ao período para o qual existem dados da ERA5, isto é, todos os anos desde 1979. Isto constitui uma grande vantagem, uma vez que apenas existem observações para um período mais limitado, e executar simulações de alta resolução para longos períodos de tempo é computacionalmente dispendioso. O resto do trabalho focou-se por isso em dados da ERA5 para os meses JJAS no período 1979-2017. Verificou-se que a série temporal do vento a norte da Madeira não apresenta tendência estatisticamente significativa, pelo que o mesmo deve ser verdade em relação à frequência de condições de vento intenso no aeroporto que levem ao seu encerramento.
Exploraram-se, subsequentemente, mecanismos de larga escala que pudessem controlar a variabilidade do vento a norte da Madeira. Para fazer esse estudo à escala intra-sazonal, recorreu-se a um método que consistiu em comparar mapas condicionais: para certos campos horizontais da ERA5, calculou-se a média dos 10% dos dias do período em estudo com maior intensidade do vento a norte da Madeira, e a média dos 10% dos dias com menor intensidade do vento.
Mostrou-se que a variabilidade do vento a montante da Madeira — e, por isso, do vento no aeroporto —, tanto à escala interanual como intra-sazonal, se relaciona fortemente com a localização e a intensidade do Anticiclone dos Açores: o vento a montante é tanto mais forte quanto maior a intensidade do Anticiclone e quanto maior a sua extensão para leste. A influência da extensão para leste deve-se à intensificação, no ramo oriental do anticiclone, do gradiente zonal de pressão à superfície, o qual acelera o escoamento para sul.
Explorou-se uma ligação, a escalas intra-sazonais, entre o referido vento a montante e a Oscilação de Madden-Julian (MJO). Trata-se de um fenómeno que envolve a propagação para leste de células de convecção profunda tropical, com uma periodicidade da ordem das dezenas de dias. A conjetura de que essa ligação exista baseia-se, por um lado, na observação de diferenças nos padrões espaciais de convecção profunda nos trópicos, nos mapas condicionados pela intensidade do vento a norte da Madeira; por outro lado, existem, na série temporal do vento a norte da Madeira, oscilações com períodos associados à MJO. Usou-se ainda um índice da MJO, o qual tem associada uma fase que indica aproximadamente em que faixa de longitudes ao longo dos trópicos se encontra, em cada dia, a zona de convecção profunda. Verificou-se que a distribuição de frequência das fases é diferente quando se considera todo o período em estudo ou apenas os 10% dos dias com vento a norte da Madeira mais forte ou mais fraco.
Estudou-se ainda a ligação entre o vento a norte da Madeira e a variabilidade da humidade na alta troposfera (upper-tropospheric humidity, UTH). Um trabalho anterior mostrou que a UTH, tanto nas regiões tropicais como subtropicais, é controlada em parte pela fase da MJO. Os mapas condicionados mostram que os dias com vento mais intenso na Madeira correspondem, em média, a valores mais baixos da UTH numa certa região subtropical, resultado que está de acordo com a relação entre a fase da MJO e a UTH observada no referido estudo anterior. Por fim, sugere-se que os mesmos processos que controlam a variabilidade do vento a norte da Madeira podem influenciar também a quantidade de vapor de água exportada dos trópicos para a bacia do Atlântico Norte, através da circulação associada à célula de Hadley. Os mapas condicionados da componente meridional do transporte de vapor no Atlântico mostram que existem diferenças no padrão espacial das regiões onde esse fluxo ocorre para norte ou para sul.
The Madeira Airport operations are often disrupted by strong wind events. This is largely due to the airport’s location on one of the edges of the island, where there is acceleration of the prevailing northerly flow, with jet streams (called tip jets) forming downstream of the edges. The present work focuses on the months of June to September, when airport disruptions due to strong winds are most frequent and have the greatest impacts for Madeira’s tourism-based economy. The Weather Research and Forecasting (WRF) model was used to generate a limited-area simulation covering the Madeira Island region over the 2009-2017 period. The simulation was forced by the European Centre for Medium Range Weather Forecasting (ECMWF) fifth-generation reanalysis (ERA5) and, thus, a relatively good degree of synchronization with the “real atmosphere” was expected. Indeed, the simulation was shown to reproduce the summer wind variability observed in 13 weather stations distributed throughout the island. Additionally, the added value of high-resolution simulations was demonstrated for the Madeira wind simulation, by comparing between three WRF simulation domains with different spatial resolutions (9 km, 3 km, and 1 km) and, also, with the coarser-resolution (0.25º) ERA5 reanalysis. Furthermore, the relatively long WRF simulation allowed the characterization the typical pattern of the near-surface air flow in the Madeira region and relate it to the variability in frequency of strong wind events. The results showed a strong link between the wind conditions observed at the airport and the strength of the large-scale, predominantly northerly wind upstream of the island computed from ERA5 data. In this sense, the coarse-resolution dataset may be used as a proxy for the variability of the local winds. Subsequently, the inter-annual and intra-seasonal variability of the upstream wind was shown to be tightly related to the location and strength of the Azores High. Additionally, a link between the intra-seasonal variability and the Madden-Julian Oscillation (MJO) was explored, based, on the one hand, on the emergence of distinct deep tropical convection spatial patterns in composite maps conditioned on the wind speed upstream of Madeira, and, on the other, on the existence of oscillations in the time series with periods typically associated with the MJO. Finally, it is suggested that the processes which control the variability of the upstream wind might have an influence on the spatial pattern of north-south vapour transport over the North Atlantic.
The Madeira Airport operations are often disrupted by strong wind events. This is largely due to the airport’s location on one of the edges of the island, where there is acceleration of the prevailing northerly flow, with jet streams (called tip jets) forming downstream of the edges. The present work focuses on the months of June to September, when airport disruptions due to strong winds are most frequent and have the greatest impacts for Madeira’s tourism-based economy. The Weather Research and Forecasting (WRF) model was used to generate a limited-area simulation covering the Madeira Island region over the 2009-2017 period. The simulation was forced by the European Centre for Medium Range Weather Forecasting (ECMWF) fifth-generation reanalysis (ERA5) and, thus, a relatively good degree of synchronization with the “real atmosphere” was expected. Indeed, the simulation was shown to reproduce the summer wind variability observed in 13 weather stations distributed throughout the island. Additionally, the added value of high-resolution simulations was demonstrated for the Madeira wind simulation, by comparing between three WRF simulation domains with different spatial resolutions (9 km, 3 km, and 1 km) and, also, with the coarser-resolution (0.25º) ERA5 reanalysis. Furthermore, the relatively long WRF simulation allowed the characterization the typical pattern of the near-surface air flow in the Madeira region and relate it to the variability in frequency of strong wind events. The results showed a strong link between the wind conditions observed at the airport and the strength of the large-scale, predominantly northerly wind upstream of the island computed from ERA5 data. In this sense, the coarse-resolution dataset may be used as a proxy for the variability of the local winds. Subsequently, the inter-annual and intra-seasonal variability of the upstream wind was shown to be tightly related to the location and strength of the Azores High. Additionally, a link between the intra-seasonal variability and the Madden-Julian Oscillation (MJO) was explored, based, on the one hand, on the emergence of distinct deep tropical convection spatial patterns in composite maps conditioned on the wind speed upstream of Madeira, and, on the other, on the existence of oscillations in the time series with periods typically associated with the MJO. Finally, it is suggested that the processes which control the variability of the upstream wind might have an influence on the spatial pattern of north-south vapour transport over the North Atlantic.
Descrição
Tese de mestrado, Ciências Geofísicas (Meteorologia e Oceanografia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019
Palavras-chave
Vento Tip jet Anticiclone dos Açores Convecção tropical Oscilação de Madden-Julian Teses de mestrado - 2019