A modeling study of teleconnections and their tropical sources
Authors: Μανωλά Ίρις 
Published: March 2022

Η ατμόσφαιρα είναι σύστημα εξαιρετικά ευμετάβλητο και η κατάσταση στην οποία βρίσκεται είναι πολύ σημαντική για την εξέλιξη της ζωής και την ευημερία στη γη. Από τις αέναες αλλαγές των εποχών, μέχρι τα πιο απρόβλεπτα ακραία καιρικά φαινόμενα, όσο περισσότερο ξεδιπλώνουμε τα μυστικά των μηχανισμών των φυσικών διαδικασιών που διέπουν αυτό το ευαίσθητο αλλά πανίσχυρο σύστημα, τόσο περισσότερο μπορούμε να επωφεληθούμε και να βελτιώσουμε τις μακροπρόθεσμες καιρικές προβλέψεις και να κατανοήσουμε καλύτερα τις κλιματικές αλλαγές. Η ατμόσφαιρα συχνά αντιδρά έντονα σε αλλαγές της κατάστασης της και κάποιες φορές μια τοπική διαταραχή μπορεί να μεταβάλλει τα καιρικά συστήματα ακόμα και στις πιο απομακρυσμένες περιοχές. Κάποια από αυτά τα συστήματα είναι μεγάλης κλίμακας, εμμένουν και επαναλαμβάνονται και ονομάζονται “τηλεσυνδέσεις”. Οι εξωτροπικές τηλεσυνδέσεις μπορούν να κατανοηθούν με όρους ατμοσφαιρικών κυμάτων μεγάλης κλίμακας στο πεδίο των ταχυτήτων, όπως είναι τα κύματα Rossby. Οι τηλεσυνδέσεις των τροπικών ζωνών, εκτός από κύματα Rossby, περιλαμβάνουν επίσης ατμοσφαιρικά και ωκεάνια κύματα Kelvin και ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ωκεανών και ατμόσφαιρας. Ο κύριος στόχος αυτής της διατριβής είναι η καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων των τροπικών πηγών κυμάτων Rossby και των επιπτώσεων τους στις τροπικές και εξωτροπικές ζώνες, εστιάζοντας σε τηλεσυνδέσεις που σχετίζονται άμεσα ή έμμεσα με τον Ινδικό Ωκεανό, καθώς μελέτες δείχνουν ότι ακόμα και ο καιρός στην Ευρώπη μπορεί να επηρεαστεί από μεταβολές στον Ινδικό Ωκεανό. Η διάδοση των κυμάτων Rossby στην ατμόσφαιρα επηρεάζεται έντονα απο την παρουσία του αεροχειμάρρου, ο οποίος μπορεί να λειτουργεί σαν κυματοδηγός και να μεταφέρει ταχύτατα την ενέργεια του κύματος γύρω απο το ημισφαίριο. Οι αεροχείμαρροι είναι στενές ζώνες ισχυρών δυτικών ανέμων που βρίσκονται στην ανώτερη τροπόσφαιρα και των δύο ημισφαιρίων, κυρίως στις εξωτροπικές περιοχές. Οι αεροχείμαρροι έχουν ζωνικό χαρακτήρα, ο οποίος όμως διαταράσσεται από την παγίδευση κυμάτων Rossby κατά μήκος τους, δημιουργώντας στα μέσα γεωγραφικά πλάτη καμπυλώσεις γνωστές ως ράχες υψηλών πιέσεων ή ως κοίλα, δηλαδή ζώνες χαμηλού βαρομετρικού. Οι καμπυλώσεις αυτές επηρεάζουν έντονα τον καιρό μας, καθώς “ανακατεύουν” τις αέριες μάζες και τα καιρικά συστήματα. Παρόλα αυτά δεν έχουν όλοι οι αεροχείμαρροι την ίδια δυνατότητα να παγιδεύουν κύματα Rossby το ίδιο αποτελεσματικά. Τότε λοιπόν ποια είναι τα χαρακτηριστικά του αεροχειμάρρου που τον κάνουν πιο αποτελεσματικό Rossby κυματοδηγό; Ο απλούστερος τρόπος να προσεγγίσουμε το παραπάνω πρόβλημα είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα μοντέλο μονής επιφάνειας που να περιγράφει το δυναμικό σύστημα μια βαροτροπικής ατμόσφαιρας, δηλαδή μιας ατμόσφαιρας που η πυκνότητα του αέρα εξαρτάται μόνο από την πίεση και που οι ισοβαρικές επιφάνειες είναι επίσης και ισόθερμες. Εφαρμόσαμε τη βαροτροπική εξίσωση του στροβιλισμού σε συνθήκες ανώτερης τροπόσφαιρας και εξετάσαμε συστηματικά την ικανότητα ιδεατών αεροχειμάρρων να παγιδεύουν και να οδηγούν την ενέργεια των κυμάτων Rossby. Οι ιδεατοί αεροχείμαρροι είχαν Γκαουσιανό μεσημβρινό προφίλ, ενώ κάθε φορά διέφεραν στο πάχος, την ταχύτητα και το γεωγραφικό πλάτος τοποθέτησης τους. Η δημιουργία της ενέργειας των κυμάτων Rossby έγινε από σταθερές ιδεατές (υπο)τροπικές πηγές στροβιλισμού. Το συμπέρασμα της έρευνας υποδεικνύει ότι ο αεροχείμαρρος γίνεται πιο αποτελεσματικός κυματοδηγός όσο γίνεται πιο στενός και πιο γρήγορος. Η απόκριση γίνεται μέγιστη όταν το κύμα μεταφέρεται γύρω απο ολόκληρο το ημισφαίριο και ο σταθερός ζωνικός κυματαριθμός είναι ακέραιος. Ο ζωνικός κυματαριθμός παίρνει μικρότερες τιμές όσο ο αεροχείμαρρος γίνεται ταχύτερος ή όσο αυτός μεταφέρεται προς βορειότερα γεωγραφικά πλάτη. Το να βρούμε στοιχεία απο παρατηρήσεις στην ατμόσφαιρα που να αποδεικνύουν τα παραπάνω λεγόμενα δεν αποδείχτηκε εύκολη υπόθεση, καθώς η αναλογία μεταξύ σήματος και θορύβου είναι ιδιαίτερα μικρή. Παρόλα αυτά υπάρχουν κάποιες παρατηρησιακές ενδείξεις που στηρίζουν τη συσχέτιση μεταξύ κύματος και ζωνικής κυκλοφορίας. Μεταξύ των πιο σημαντικών εξωτροπικών τηλεσυνδέσεων βρίσκουμε την Κύμανση του Βορείου Ατλαντικού (ΝΑΟ). Το ΝΑΟ είναι ένα μεγάλης κλίμακας βόρειο-νότιο δίπολο επιφανειακής ατμοσφαιρικής πίεσης που σχετίζεται με αλλαγές στη θέση και την ισχύ του αεροχειμάρρου και με μετατοπίσεις της τροχιάς των καταιγίδων. Ανάλογα με την κατάσταση του δίπολου το ΝΑΟ βρίσκεται στην θετική ή την αρνητική του φάση. Η θετική φάση αντιστοιχεί σε ένα ισχυρότερο αεροχείμαρρο και περισσότερες καταιγίδες που κινούνται προς την κεντρική και Βόρεια Ευρώπη, ενώ η αρνητική φάση αντιστοιχεί σε ένα πιο αδύναμο αεροχείμαρρο, ενώ η τροχιά των καταιγίδων εκτρέπεται προς τη Νότια Ευρώπη. Κατά τη διάρκεια της θετικής φάσης οι χειμώνες στην Κεντρική και Βόρεια Ευρώπη και στις Νοτιοανατολικές ΗΠΑ είναι πιο ήπιοι και υγροί, ενώ οι χειμώνες στη Νότια Ευρώπη, το Βορειοανατολικό Καναδά και τη Γροιλανδία είναι πιο ψυχροί και ξηροί. Τα αντίθετα καιρικά φαινόμενα παρατηρούνται κατά την αρνητική φάση του ΝΑΟ. Η τροποποίηση του αεροχειμάρρου σε κάθε φάση επιδρά στις κυματοδηγικές του ικανότητες και ως εκ τούτου επηρεάζει τη δημιουργία και τα χαρακτηριστικά διάδοσης των κυμάτων Rossby. Η μεταβλητότητα του ΝΑΟ οφείλεται κατά κύριο λόγο σε εξωτροπικά δυναμικά συστήματα, όπως για παράδειγμα το σπάσιμο των ατμοσφαιρικών κυμάτων που σχετίζονται με εξωτροπικά καιρικά συστήματα. Επηρεάζεται όμως και απο κύματα Rossby που έχουν δημιουργηθεί σε μικρότερα και μεταδίδονται προς τα μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Σε αυτή τη διατριβή ερευνούμε την επίδραση των τροπικών και εξωτροπικών σημάτων στην μεταβλητότητα του ΝΑΟ. Σκοπεύουμε να προσδιορίσουμε την επιρροή των τροπικών και των εξωτροπικών δυνάμεων στη δημιουργία των σχηματισμών του ΝΑΟ. Παρόλο που η μεταβλητότητα του ΝΑΟ ποικίλει σε χρονικές κλίμακες, εμείς εστιάζουμε στην κλίμακα των 10 −60 ημερών. Σε αυτή την κλίμακα υπάρχουν μηχανισμοί που δημιουργούν το χαρακτηριστικό διπολικό σχηματισμό. Εστιάζουμε στις τροπικές πηγές κυμάτων Rossby και στην εξωτροπική δραστηριότητα των στροβίλων. Η τροπική και εξωτροπική ώθηση στροβιλισμού που σχετίζεται με το ΝΑΟ προέρχεται απο δεδομένα “reanalysis” και υποβάλλεται σε ένα ιδεατό βαροτροπικό μοντέλο. Η ώθηση του στροβιλισμού έχει εξαγεί ανάστροφα, λύνοντας την εξίσωση του βαροτροπικού στροβιλισμού, χρησιμοποιώντας σύνθεση δεδομένων ανέμου απο το ΝΑΟ. Και τα δυο ήδη ώθησης (τροπικής και εξωτροπικής) εισήχθηκαν στο βαροτροπικό μοντέλο στα τροπικά και στα εξωτροπικά γεωγραφικά πλάτη αντίστοιχα. ΄Ενα σημαντικό αποτέλεσμα ήταν ότι η δράση των τροπικών μειώνει την ένταση του ΝΑΟ, σαν αποτέλεσμα αρνητικής ανταπόκρισης που δημιουργείται στους εξωτροπικούς. Η άμβλυνση είναι μεγαλύτερη, περίπου 30%, κατά την αρνητική φάση του ΝΑΟ. Κατα τη θετική φάση είναι κατα 50% περίπου μικρότερη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η εξίσωση του βαροτροπικού στροβιλισμού μπορεί να αναπαραστήσει το δυναμικό σύστημα και των τροπικών αλλά και των εξωτροπικών δυνάμεων που δημιουργούν τους σχηματισμούς του ΝΑΟ. Το επιστημονικό ενδιαφέρον για τον Ινδικό Ωκεανό (ΙΩ) μεγαλώνει καθώς πληθαίνουν οι αποδείξεις για τη σπουδαιότητα της μεταβλητότητας του ΙΩ στην εξέλιξη όχι μόνο του κλίματος των γύρω περιοχών, αλλά ακόμα και απομακρυσμένων περιοχών στην υδρόγειο, καθώς αλλαγές στη θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας μπορούν να επηρεάσουν την ατμοσφαιρική σύγκληση και την ατμοσφαιρική κυκλοφορία και να επιδράσουν στις τροπικές και τις εξωτροπικές τηλεσυνδέσεις. Η ατμόσφαιρα και τα ωκεάνια ρεύματα του ΙΩ είναι περίπλοκα και υφίστανται ισχυρές εποχιακές μεταβολές, και γι'αυτό το λόγο η μοντελοποίηση της μεταβλητότητας του αποτελεί πρόκληση. ΄Ενα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό είναι η “ράχη” του θερμοκλινούς του ωκεανού στα βορειοανατολικά της Μαδαγασκάρης, όπου κρύα νερά απο τα βαθύτερα στρώματα της θάλασσας ανεβαίνουν κοντά στην επιφάνεια, και συναντάται με το όνομα “ο θόλος των Σε¨υχέλλων” (SD). Μεταβολές στον επιφανειακό ανέμο ή η έλευση ανοδικών και καθοδικών ωκεάνιων κυμάτων μπορούν να μεταβάλουν το βάθος του θερμοκλινούς. Οι μεταβολές αυτές μπορούν εύκολα να επηρεάσουν την ατμοσφαιρική θερμοκρασία στην επιφάνεια της θάλασσας, και αυτό με τη σειρά του μπορεί να οδηγήσει σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ωκεανού και ατμόσφαιρας στην περιοχή. Σκοπός μας είναι να εξετάσουμε την αντίδραση του συζευγμένου συστήματος ωκεανού-ατμόσφαιρας στην εμφάνιση ενός ρηχού SD περιστατικού, χρησιμοποιώντας το πλήρως συζευγμένο κλιματικό μοντέλο τελευταίας τεχνολογίας, EC-Earth. Ξεκινάμε εξετάζοντας την ικανότητα του μοντέλου EC-Earth να αναπαραστήσει επιτυχώς το πολύπλοκο σύστημα του ΙΩ και στη συνέχεια μελετούμε την επίδραση των μεταβολών του SD στο γενικότερο κλιματικό σύστημα. Για την εξέταση του μοντέλου EC-Earth η μέση κλιματική κατάσταση προσομοιώσεων 40 ετών συγκρίθηκε με παρατηρήσεις. Το μοντέλο έτρεχε κάτω απο σταθερές συνθήκες του έτους 2000 (ηλίου, αερολειμμάτων και αερίων του θερμοκηπίου). Η χωρική κατανομή του ανέμου, της βροχόπτωσης, της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας, καθώς επίσης και η θερμική δομή του ωκεανού προσομοιώθηκαν αρκετά ρεαλιστικά καθ΄ όλη τη διάρκεια του έτους. Παρατηρήθηκαν ασυμφωνίες, αλλά τα σημαντικά χαρακτηριστικά αναπαραστήθηκαν σωστά, συμπεριλαμβανομένου και του θόλου των Σευχελλών, που παρουσίασε παρομοίως ισχυρή συσχέτιση με τις παρατηρήσεις μεταξύ του βάθους του θερμοκλινούς και των κυμάνσεων της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας. Τα παραπάνω οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι το μοντέλο EC-Earth μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο για την έρευνα της αντίδρασης του συζευγμένου συστήματος ωκεανού και ατμόσφαιρας στην εμφάνιση ενός ρηχού SD περιστατικού. Την αντίδραση σε ένα SD περιστατικό εξετάσαμε μέσω δύο συλλογικών (ensemble) πειραμάτων 40 μελών το κάθε ένα, όπου το ένα σύνολο ήταν ελεγχόμενο και το άλλο είχε δεχτεί ώθηση. Στο πρώτο σύνολο των ελεγχόμενων προσομοιώσεων το συζευγμένο σύστημα ξεκινά το μήνα Νοέμβρη, με το SD να βρίσκεται σε ουδέτερη φάση, και προσομοιώνει τους επόμενους 26 μήνες. Το κάθε μέλος της προσομοίωσης εξελίσσεται λίγο διαφορετικά, καθώς εισάγονται τυχαίες αναταράξεις την πρώτη μέρα εκκίνησης της προσομοίωσης. Το δεύτερο σύνολο διαφέρει απο το πρώτο μόνο στην εισαγωγή τύρβης ανέμου πάνω στην περιοχή του θόλου των Σευχελλών, με σκοπό το θερμοκλινές να γίνει πιο ρηχό κατά τους πρώτους 2 μήνες της προσομοίωσης. Εξετάζοντας τις διαφορές μεταξύ των δύο αυτών συνόλων μπορούμε να μελετήσουμε την αντίδραση του συζευγμένου συστήματος σε τοπικό και απομακρυσμένο επίπεδο. Παρατηρήθηκε ισχυρή πτώση της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας, που δημιούργησε μειωμένη ατμοσφαιρική αστάθεια και συνεπώς μείωση της βροχόπτωσης. Βόρεια του SD το ισημερινό θερμοκλινές για να προσαρμοστεί αναγκάζεται να βυθιστεί, γεγονός που δημιουργεί ένα ζεύγος ωκεάνιων κυμάτων Rossby που κινούνται καθοδικά προς τα δυτικά και θερμαίνουν τον Δυτικού-Ισημερινού ΙΩ, καθώς επίσης και ένα καθοδικό κύμα Kelvin που κινείται προς τα ανατολικά. Ο συνδυασμός της θερμής και ψυχρής ανωμαλίας στον Ισημερινό και πάνω απο την SD περιοχή αντίστοιχα μετατοπίζουν βόρεια τη διατροπική ζώνη σύγκλισης, όπου τον Ιανουάριο εκτείνεται μέχρι την Κεντρική-Ανατολική Αφρική, επηρεάζοντας εκεί τη βροχόπτωση. Η ανώμαλη θέρμανση του Δυτικού Ισημερινού πυροδοτεί φαινόμενα ατμοσφαιρικής σύγκλισης, με αποτέλεσμα μια ανωμαλία τύπου κυττάρου Walker, προκαλώντας μειωμένη ατμοσφαιρική αστάθεια πάνω από την Ινδονησία και τη θερμή λεκάνη του Δυτικού Ειρηνικού, και ψυχρότερες θερμοκρασίες στην ίδια περιοχή λόγω ισχυρότερων επιφανειακών ανέμων. Η ατμοσφαιρική σύγκλιση πάνω απο τη θερμή λεκάνη του Δυτικού Ειρηνικού μετατοπίζεται ανατολικά και εγείρει ένα ωκεάνιο κύμα Kelvin. Το κύμα διασχίζει τον Ειρηνικό ωκεανό και οδηγεί κατά τον Απρίλιο σε άνοδο της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της θάλασσας στον Ανατολικό Ισημερινό Ειρηνικό. Εκεί, εξ΄ αιτίας της θερμικής ανωμαλίας δημιουργείται ατμοσφαιρική αστάθεια, που όμως είναι σχετικά αδύναμη και εξανεμίζεται τον επόμενο μήνα. Αυτό συμβαίνει επειδή η σύζευξη ωκεανού και ατμόσφαιρας τη συγκεκριμένη εποχή είναι σχετικά αδύναμη και δεν υποστηρίζει ασταθείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ ωκεανού και ατμόσφαιρας. Ως αντίδραση στις αλλαγές στην ατμοσφαιρική αστάθεια πάνω απο τον Ισημερινό ΙΩ ατμοσφαιρικά κύματα Rossby εγείρονται και γίνονται ορατά στους κυματοδηγούς των χειμερινών ημισφαιρίων. Καθώς οι παραπάνω μεταβολές εξαρτώνται από την κατάσταση της ατμόσφαιρας, τα χαρακτηριστικά τους θα διέφεραν εάν το SD περιστατικό συνέβαινε σε άλλη στιγμή του έτους. Προτείνουμε την επανάληψη πειραμάτων σαν και αυτό χρησιμοποιώντας διαφορετικά κλιματικά μοντέλα, ώστε να εξεταστεί η εξάρτηση των αποτελεσμάτων από τα μοντέλα. Επίσης προτείνουμε την επανάληψη τέτοιων SD περιστατικών σε διαφορετικές περιόδους του ετήσιου κύκλου, ώστε να διερευνηθεί η πιθανότητα πυροδότησης ενός φαινομένου Ελ Νίνιο-Νότιας Ταλάντωσης (ENSO) μέσω απομακρυσμένης απόκρισης του Ειρηνικού ωκεανού.