Analysis of tropopause variability in observations and in an idealized model

Résumé

La tropopausa es la capa que separa la troposfera, dinámicamente activa, de la estratosfera, que es relativamente más estática. A través de ella, se producen intercambios de materia que resultan cruciales para la dinámica estratosférica debido a su bajo espesor óptico. En esta tesis, se explora la validez de la definición actual de la tropopausa y su variabilidad temporal en varias escalas. Para ello, se usan datos de radiosondeo, que tienen una alta resolución vertical pero una cobertura espacial pobre, y datos procedentes de dos reanálisis ¿NCEP/NCAR Reanalysis-1 y ERA-Interim-, que están uniformemente distribuidos espacialmente aunque adolecen de una menor resolución temporal. Para completar el estudio, se utiliza un modelo idealizado (esto es, un modelo en el que la dinámica es simplificada con un esquema de enfriamiento newtoniano y una disipación de momento simple). En la primera parte, se estudia la naturaleza térmica de la zona que rodea la tropopausa. Para ello, la definición térmica de la tropopausa es evaluada usando varios criterios para el gradiente térmico vertical y el perfil vertical de temperatura potencial es evaluado en coordenadas con origen en cada una de dichas tropopausas. Dado que la diferente estratificación entre la troposfera y la estratosfera es el fundamento de la definición térmica de la tropopausa, aquel criterio que maximice dicha diferencia será el que mejor defina la posición de la tropopausa. Del análisis de los datos se deduce que el criterio de 2K km-1 establecido por la WMO de forma empírica es en general el que produce la tropopausa más óptima, si bien funciona mejor en los extratrópicos del Hemisferio Norte que en el resto de latitudes. Del estudio del gradiente de temperatura en las capas adyacentes a la tropopausa se deduce que 2K km-1 corresponde al mínimo de las distribuciones estadísticas de dicho gradiente en la alta troposfera y la baja estratosfera, siendo por tanto el valor del gradiente térmico que se encuentra a mayor distancia de ambas. En la segunda parte se estudia la variabilidad de la tropopausa en la escala estacional y en la escala intra-estacional. En la escala estacional, se sabe que la amplitud del ciclo anual de la tropopausa es muy pequeña en los trópicos y aumenta hacia los polos, donde el ciclo anual de la tropopausa es diferente entre ambos hemisferios. El análisis de los datos de los dos reanálisis confirma que existe un ciclo bianual en latitudes altas del Hemisferio Norte, ausente en el Hemisferio Sur; de la evolución térmica de la alta troposfera y la baja estratosfera, se observa que dicho ciclo se debe a un fuerte calentamiento del vórtice polar norte durante el final del invierno y el principio de la primavera boreal, que produce un hundimiento de la tropopausa en esos meses, y a un mayor calentamiento de la alta troposfera durante el verano boreal, que conduce a una elevación de la tropopausa en ese periodo. Las simulaciones realizadas con el modelo idealizado indican que la diferencia interhemisférica puede ser atribuida al efecto de las ondas de gran escala generadas por la orografía y los contrastes tierra-océano en el Hemisferio Norte. En cuanto a la variabilidad intra-estacional, el principal modo de variabilidad está relacionado con la Oscilación Ártica y el Índice Zonal. El estudio de la dinámica implicada demuestra que las variaciones en la propagación y ruptura de las ondas atmosféricas se relacionan con variaciones en la altura de la tropopausa. Además, las variaciones en la intensidad del vórtice polar también producen cambios en la tropopausa polar. Las simulaciones con el modelo idealizado demuestran que las ondas ¿especialmente las de menor escala- son responsables de las variaciones en la altura de la tropopausa en latitudes medias y subtropicales, mientras que las ondas de mayor escala pueden además tener un efecto indirecto perturbando el vórtice polar y variando la tropopausa polar.