Effects of large scale dynamic phenomena of the summer atmospheric circulation over the Aegean basin

Abstract

The topic of this thesis is to study the impact of the large scale phenomena on the summer atmospheric circulation over East Mediterranean. The analysis focuses on the Aegean basin during the summer period (from May to September). This work investigates the teleconnections (Indian summer Monsoon and ENSO; El–Niño Southern Oscillation) which influence the summer atmospheric circulation over East Mediterranean (EMED). For the analysis, Earth System Models data available from the fifth Phase of Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5) in the frame of Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, AR5) are used. In the 5th assessment report (AR5) of IPCC a number of scenarios have been employed in order to study the climate. In this thesis the (a) historical period (1900-2005; historical simulations) and (b) simulations from Representative Concentration Pathways (RCPs) for the future (from 2006 to 2100) are used in order to study the influence of the large scale phenomena on the dominant features of summer atmospheric circulation (the Etesian northerly winds and subsidence) over EMED during past and future. Furthermore, data from European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) for recent-past period (1979-2005) from ERA-Interim and for the past (1900-2000) from the ECMWF twentieth century reanalysis ERA20c as well as observations are analyzed, according to their availability. This thesis focuses on the better understanding of atmospheric circulation mechanisms over the EMED, the Etesian winds regime and the teleconnections between ENSO, Indian Summer Monsoon (ISM) and the EMED atmospheric circulation. Our findings show that during the summer the Etesians and subsidence for EMED and the ascent motion for the Indian Monsoon are the dominant features of the atmospheric circulation. The maximum ascent circulation for the Indian Monsoon is located over the west ISM and Bay of Bengal. The driving mechanism for the Etesian flow is the difference between a high pressure system which is confined in Balkan and a low system in south EMED. This pressure difference defines the pressure gradient over the Aegean. The model simulations can accurate represent the seasonal evolution and frequency of Etesians but they underestimate the wind speed of them. This study also confirms the connection between ISM and EMED showing that the Indian Summer Monsoon acts as a driver for the low, middle and upper components of tropospheric circulation of EMED. Furthermore, we find an association between the ENSO episodes and low pressure system in south EMED showing the influence of the ENSO variability, through the Indian Summer Monsoon, to the EMED. Focusing the analysis between future (2070-2100) and past (1979-2005), according to extreme (RCP8.5) scenario, models simulations show a weakening of large scale monsoon activity and an increase of precipitation over the Indian Summer Monsoon during the last period (2070-2100) of the twenty first century. In line with past, during future the pressure gradient over the Aegean is responsible for the Etesian flow. Finally, the analysis of model simulation shows not clear results for the changes of northerly Etesian winds during the future.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη μελέτη των επιδράσεων δυναμικών φαινομένων μεγάλης κλίμακας στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία της ανατολικής Μεσογείου εστιάζοντας στη λεκάνη του Αιγαίου κατά τη θερινή περίοδο (Μάιος - Σεπτέμβριος). Στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας γίνεται μελέτη φαινομένων τηλεσύνδεσης που επιδρούν στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία της ανατολικής Μεσογείου. Η ανάλυση γίνεται με δεδομένα από προσομοιώσεις Μοντέλων Γήινου Συστήματος (ESMs) που είναι διαθέσιμα στο πλαίσιο της πέμπτης φάσης του προγράμματος Σύγκρισης Συζευγμένων Μοντέλων (CMIP5), το οποίο δρα υποστηρικτικά για το Πόρισμα της Διακυβερνητικής Επιτροπής για τις Κλιματικές Αλλαγές (IPCC, AR5). Στο πλαίσιο του Πορίσματος του IPCC έχει αναπτυχθεί σειρά σεναρίων τα οποία χρησιμοποιούνται για την μελέτη του κλίματος. Η μελέτη εστιάζεται: (α) στην ιστορική περίοδο (historical scenario simulatiuons) για το παρόν-παρελθόν (1900-2005) και (β) προσομοιώσεις των Αντιπροσωπευτικών Συγκεντρώσεων (Representative Concentration Pathways, RCPc) για το μέλλον (2006-2100). Επίσης γίνεται χρήση δεδομένων επανανάλυσης (reanlysis data) από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσμων Μετεωρολογικών Προγνώσεων (ECMWF) για το παρόν (ERA-Interim) και το παρελθόν (ERA20C), καθώς και δεδομένων παρατηρήσεων (observations) ανάλογα με τη διαθεσιμότητα. Στόχοι της διατριβής είναι η συμβολή στην κατανόηση της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας στην ανατολική Μεσόγειο, του φαινομένου των Ετησιών ανέμων και της τηλεσύνδεσης της Νότιας Κύμανσης (El- Niño Southern Oscillation; ENSO) με τον Ινδικό καλοκαιρινό Μουσώνα και την κυκλοφορία της ανατολικής Μεσογείου. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής έδειξαν ότι οι Ετησίες στην κατώτερη και η καθοδική κυκλοφορία στην μέση τροπόσφαιρα είναι τα κύρια χαρακτηριστικά της θερινής ατμοσφαιρικής κυκλοφορία στην ανατολική Μεσόγειο. Στην περιοχή του Ινδικού μουσώνα το κύριο χαρακτηριστικό της κυκλοφορίας είναι οι ανοδικές κινήσεις με την μέγιστη ένταση να εντοπίζεται στο τμήμα του δυτικού Ινδικού καλοκαιρινού Μουσώνα και στον κόλπο της Βεγγάλης. Οι ανοδικές κινήσεις πάνω από τον Ινδικό Μουσώνα, η καθοδική κυκλοφορία στην ανατολική Μεσόγειο και οι Ετησίες άνεμοι παρουσιάζουν ταυτόχρονα μέγιστο την περίοδο Ιουλίου-Αυγούστου. Στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου η βαθμίδα της πίεσης που δημιουργείται από την διαφορά των πιέσεων μεταξύ ενός κέντρου υψηλών πιέσεων στα βόρεια Βαλκάνια και ενός χαμηλού στην νοτιοανατολική Μεσόγειο είναι υπεύθυνη για την πνοή του συστήματος των Ετησιών ανέμων κατά την θερινή περίοδο στο Αιγαίο. Η ανάλυση έδειξε ότι τα μοντέλα είναι ικανά να προσομοιώσουν την εποχική εξέλιξη και συχνότητα των Ετησιών αν και υποεκτιμούν την ταχύτητα του ανέμου. Επιπλέον, η μελέτη επιβεβαιώνει την επίδραση του Ινδικού Μουσώνα στην κατώτερη, μέση και ανώτερη τροποσφαιρική κυκλοφορία της ανατολικής Μεσογείου. Επιπρόσθετα, η ανάλυση έδειξε την επίδραση του ENSO στον Ινδικό καλοκαιρινό Μουσώνα και στο κέντρο χαμηλών πιέσεων που εντοπίζεται στην νότιοανατολική Μεσόγειο ως τμήμα της επέκτασης ενός θερμικού χαμηλού που εκτείνεται από τον δυτικό Ινδικό μουσώνα μέχρι την νοτιοανατολική Μεσόγειο κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Οι εκτιμήσεις για την τελευταία περίοδο του εικοστού πρώτου αιώνα (2070-2100), με βάση το ακραίο σενάριο (RCP8.5), έδειξαν εξασθένηση της κυκλοφορίας μεγάλης κλίμακας και ενίσχυση της βροχόπτωσης στην περιοχή του Ινδικού Μουσώνα. Όπως στο παρελθόν έτσι και στο μέλλον η βαθμίδα της πίεσης στο Αιγαίο φαίνεται πως οδηγεί στην πνοή των Ετησιών ανέμων. Τέλος, η ανάλυση δεν έδειξε ξεκάθαρες μεταβολές για το σύστημα των Ετησιών.