@PhDThesis{Pinheiro:2018:ClStEn,
author = "Pinheiro, Henri Rossi",
title = "Cut-off lows in the Southern Hemisphere: climatology, structure
and energetics",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2018",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2018-09-18",
keywords = "Cut-off low, objective identification, reanalysis, climatology,
vertical structure, v{\'o}rtice cicl{\^o}nicos de altos
n{\'{\i}}veis, identifica{\c{c}}{\~a}o objetiva,
rean{\'a}lises, climatologia, estrutura vertical,
energ{\'e}tica.",
abstract = "Annually, subtropical regions are exposed to stormy conditions
caused by mid-upper level cold lows, known as Cut-off Lows (COLs),
a weather system that bring heavy rainfall and flooding in
different parts of the world. It is therefore very important to
understand where and how COLs form, and which factors control
their development. In this thesis, the objective tracking
algorithm, TRACK, is used with different methodologies to study
the COLs in the Southern Hemisphere (SH) with the focus on their
climatology, structure and energetics. The hemispheric
distribution of COLs is obtained by using both vorticity and
geopotential at 300 hPa. This analysis confirms that the peak
activity occurs around the main continents: Australia, South
America and southern Africa. A comparison of COLs between five
different reanalysis products indicates significant improvements
in the agreement between the newer reanalyses ERAI, NCEP-CFSR,
MERRA-2, and JRA-55 compared to the older JRA-25, particularly
with respect to location and intensity. Different features of the
threedimensional structure of COLs are identified through the
composites of the strongest systems, such as the symmetrical
circulation at upper levels and the baroclinic zones across the
edges of the cold core (400-500 hPa) and the warm core (~100 hPa).
Results indicate that the upper-level fronts propagate downstream
throughout the COL life cycle. As a result of the COL formation,
large amounts of stratospheric air are introduced into the
troposphere, modifying the vertical distribution of potential
vorticity and ozone. The precipitation in COLs varies widely
according to the life cycle, reaching a peak 24 hours after the
maximum intensity in vorticity. There is a clear association
between the medium and high cloud cover and precipitation, where
maximum values are found east of the COL centre due to moist
uplift at middle levels and strong divergence at upper levels. The
possible link between intensity/moisture and precipitation
associated with COLs suggests that moisture is important for
controlling the areal coverage of precipitation, while intensity
affects the magnitude of precipitation. The largest precipitation
zones are found for the summer and autumn COLs, though winter and
spring have the strongest COLs. Results confirm earlier findings
that deeper COLs cause more precipitation than shallower COLs. A
new method is proposed to estimate the COL vertical depth,
indicating that COLs are relatively deep in Australia and
southwestern Pacific, where more than 30% of the total number
extend vertically toward the surface. A similar structure was
found for the COLs occurring east of the Andes, where the mountain
effect may contribute to the COL deepening, and the moisture and
heat transport from the Amazon region increasing the
precipitation. The ageostrophic flux convergence (AFC) together
with the baroclinic (BRC) conversion are found to be the primary
mechanisms for the COL development. The AFC is important for the
formation and intensification of the COL, while the BRC conversion
is important to maintain the system. The dissipation of the COLs
occurs due to dispersive fluxes together with other processes such
as friction and latent heat release. The barotropic (BRT)
conversion act to transfer Eddy kinetic energy to zonal flow
kinetic energy during the growth phase, but this is not enough to
prevent the COL intensification. Results show that the COLs
originating in the lee side of the Andes are deeper due to local
effects, which enhance the vertical motion and the system is
intensified mostly due to BRC conversion. RESUMO: Ao longo do ano,
regi{\~o}es subtropicais est{\~a}o sujeitas a tempestades
causadas por baixas frias na troposfera m{\'e}dia e alta,
conhecidas por V{\'o}rtice Cicl{\^o}nicos de Altos
N{\'{\i}}veis (VCANs), um sistema sin{\'o}tico respons{\'a}vel
por provocar chuvas fortes e enchentes em diversas partes do
mundo. Portanto, {\'e} importante entender onde e como os VCANs
se formam, e quais s{\~a}o os fatores que controlam o
desenvolvimento destes sistemas. Nesta tese, um algoritmo de
identifica{\c{c}}{\~a}o objetiva de trajet{\'o}rias, conhecido
como TRACK, {\'e} usado com diferentes metodologias para estudar
os VCANs no Hemisf{\'e}rio Sul (HS), com {\^e}nfase em aspectos
relacionados com a climatologia, estrutura e energ{\'e}tica. A
distribui{\c{c}}{\~a}o espacial dos VCANs no HS {\'e} obtida
usando os campos de vorticidade e geopotencial em 300 hPa. Esta
distribui{\c{c}}{\~a}o confirma que o pico de atividade ocorre
ao redor das principais {\'a}reas continentais: Austr{\'a}lia,
Am{\'e}rica do Sul e sul da {\'A}frica. Uma
compara{\c{c}}{\~a}o dos VCANs entre cinco diferentes produtos
de rean{\'a}lises indica um significativo avan{\c{c}}o em
rela{\c{c}}{\~a}o {\`a} concord{\^a}ncia entre as novas
rean{\'a}lises ERAI, NCEPCFSR, MERRA-2 e JRA-55 em
compara{\c{c}}{\~a}o {\`a} rean{\'a}lise mais antiga JRA-25,
principalmente em rela{\c{c}}{\~a}o {\`a}
localiza{\c{c}}{\~a}o e intensidade dos VCANs. Diferentes
caracter{\'{\i}}sticas da estrutura tridimensional dos VCANs
s{\~a}o identificadas atrav{\'e}s dos compostos dos VCANs mais
intensos, mostrando uma circula{\c{c}}{\~a}o assim{\'e}trica em
altos n{\'{\i}}veis e zonas barocl{\'{\i}}nicas atrav{\'e}s
das bordas do n{\'u}cleo frio (400-500 hPa) e do n{\'u}cleo
quente (~100 hPa). Resultados indicam que as frentes em ar
superior se propagam corrente abaixo atrav{\'e}s do ciclo de vida
dos VCANs. Como resultado da forma{\c{c}}{\~a}o dos VCANs,
elevadas concentra{\c{c}}{\~o}es de ar estratosf{\'e}rico
s{\~a}o introduzidas para o interior da troposfera, modificando a
distribui{\c{c}}{\~a}o vertical da vorticidade potencial e do
oz{\^o}nio. A precipita{\c{c}}{\~a}o nos VCANs varia bastante
ao longo do ciclo de vida, alcan{\c{c}}ando um pico 24 horas
ap{\'o}s a m{\'a}xima intensidade dos VCANs, medida na
vorticidade. H{\'a} uma n{\'{\i}}tida associa{\c{c}}{\~a}o
entre a distribui{\c{c}}{\~a}o espacial de nuvens altas e
m{\'e}dias e a precipita{\c{c}}{\~a}o, onde os m{\'a}ximos
valores s{\~a}o encontrados a leste do centro do VCAN, devido ao
ar {\'u}mido ascendente em n{\'{\i}}veis m{\'e}dios e {\`a}
forte diverg{\^e}ncia em altos n{\'{\i}}veis. Uma
poss{\'{\i}}vel conex{\~a}o entre a intensidade/umidade e a
precipita{\c{c}}{\~a}o associada aos VCANs sugere que a umidade
{\'e} importante para controlar a {\'a}rea de abrang{\^e}ncia
da precipita{\c{c}}{\~a}o, enquanto que a intensidade afeta a
magnitude da precipita{\c{c}}{\~a}o. As zonas mais extensas de
precipita{\c{c}}{\~a}o est{\~a}o associadas aos VCANs que
ocorrem no outono e ver{\~a}o, enquanto que o inverno e a
primavera apresentam os VCANs mais intensos. Os resultados deste
estudo confirmam a forte associa{\c{c}}{\~a}o entre a
profundidade do VCAN e a precipita{\c{c}}{\~a}o associada,
indicando que os VCANs mais profundos produzem mais
precipita{\c{c}}{\~a}o em rela{\c{c}}{\~a}o aos VCANs
confinados na troposfera alta. Um novo m{\'e}todo foi
implementado para estimar a profundidade vertical dos VCAN. Esta
an{\'a}lise mostra que os VCANs s{\~a}o mais profundos na
Austr{\'a}lia e setor oeste do Oceano Pac{\'{\i}}fico Sul, onde
mais de 30% do n{\'u}mero total se estendem verticalmente
at{\'e} a superf{\'{\i}}cie. Uma estrutura semelhante foi
observada nos VCANs que atuam a leste da Cordilheira dos Andes,
onde o efeito montanha pode contribuir para o aprofundamento do
sistema, e o transporte de calor e umidade da regi{\~a}o
Amaz{\^o}nica para o aumento da precipita{\c{c}}{\~a}o. A
converg{\^e}ncia do fluxo ageostr{\'o}fico (AFC termo em
ingl{\^e}s) junto com a convers{\~a}o barocl{\'{\i}}nica xiv
(BRC) constituem os mecanismos mais importantes para o
desenvolvimento dos VCANs. A AFC desempenha um papel importante
para a forma{\c{c}}{\~a}o e intensifica{\c{c}}{\~a}o dos
VCANs, enquanto que a convers{\~a}o BRC {\'e} fundamental para a
manuten{\c{c}}{\~a}o dos VCANs. A dissipa{\c{c}}{\~a}o dos
VCANs ocorre devido aos fluxos dispersivos e a outros processos
como o atrito e a libera{\c{c}}{\~a}o de calor latente
pr{\'o}ximo ao centro dos VCANs. A convers{\~a}o
barotr{\'o}pica (BRT) atua transferindo energia cin{\'e}tica da
perturba{\c{c}}{\~a}o para o estado b{\'a}sico durante a fase
de crescimento dos VCANs, embora esse mecanismo n{\~a}o seja
suficiente para evitar a intensifica{\c{c}}{\~a}o dos VCANs. Os
resultados mostram que os VCANs que se originam a sotavento dos
Andes s{\~a}o mais profundos devido {\`a} a{\c{c}}{\~a}o de
efeitos locais, que aceleram os movimentos verticais e o sistema
{\'e} intensificado atrav{\'e}s da convers{\~a}o BRC.",
committee = "Arav{\'e}quia, Jos{\'e} Antonio (presidente) and Hodges, Kevin
Ivan (orientador) and Gan, Manoel Alonso (orientador) and Juan
Escobar, Gustavo Carlos and Ambrizzi, Tercio and Dias, Pedro Leite
da Silva",
englishtitle = "V{\'o}rtices cicl{\^o}nicos de altos n{\'{\i}}veis:
climatologia, estrutura e energ{\'e}tica",
language = "en",
pages = "239",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/3RNJCL8",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/3RNJCL8",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "23 abr. 2024"
}