Συνοπτική και Δυναμική Ανάλυση των Αφρικανικών Ανατολικών Κυμάτων = Synoptic and Dynamic Analysis of the African Easterly Waves.

Περίληψη

Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η συνοπτική και δυναμική ανάλυση των χαρακτηριστικών των Αφρικανικών Ανατολικών Κυμάτων (African Easterly Waves, AEWs) και του περιβάλλοντός τους στην τροπική Βόρεια Αφρική και τον Ατλαντικό ωκεανότο 2019, καθώς και ενός συγκεκριμένου AEW του ίδιου έτους που μετασχηματίστηκε στον ισχυρό κυκλώνα Dorian. Αυτός αποτέλεσε τον πιο καταστροφικό και ισχυρό κυκλώνα της χρονιάς και των νήσων Μπαχάμα με πάνω από 74 θανάτους και ζημιές κόστους 4.68 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Το έτος 2019 επιλέχθηκε καθώς βρίσκεται στο 5% των πιο ενεργών ετών από το 1851 όσον αφορά τηδραστηριότητα τροπικών κυκλώνων στον Βόρειο Ατλαντικό. Σχηματίστηκαν 18 ονομασμένοι τροπικοί κυκλώνες εκ των οποίων 6 έγιναν κυκλώνες (hurricanes) και 3 αναβαθμίστηκαν σε ισχυρούς κυκλώνες (major hurricanes). Το 67% των κυκλώνων και όλοι οι ισχυροί κυκλώνες προήλθαν από AEWs. Για τη μελέτη των παραπάνω χρησιμοποιήθηκαν κυρίως τα 5ης γενιάς δεδομένα αναδρομικής ανάλυσης (reanalysis), ERA5 από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF). Οι μέσες συνθήκες που επικράτησαν στον Ατλαντικό ήταν ιδιαίτερα ευνοϊκές με θερμές επιφανειακές θαλάσσιες θερμοκρασίες (28-30οC) και χαμηλή κατακόρυφη διάτμηση του οριζόντιου ανέμου (<10m/s) κυρίως στο 2ο μισό της κυκλωνικής περιόδου (Αύγουστος-Οκτώβριος) μεταξύ της στάθμης των 850 και 200 hPa. Τα AEWsπαρουσιάστηκαν με την αναμενόμενη περίοδο 2.5-6 ημερών και ήταν αρκετά πιο ενισχυμένα στο δυτικό από ότι στο κεντρικό τμήμα της τροπικής Βόρειας Αφρικής. Δείχθηκε ότι στην περιοχή ενδιαφέροντος υπήρξε αντιστροφή της μεσημβρινής βαθμίδας του δυναμικού στροβιλισμού στο επίπεδο του AEJ, ικανοποιώντας το κριτήριο Charney-Stern. Οπότε, παρατηρήθηκαν 2 περιοχές ανάπτυξης εκατέρωθεν του Αφρικανικού Ανατολικού Αεροχειμάρρου (African Easterly Jet, AEJ): στη νότια πλευρά του AEJ κοντά στο επίπεδό του (600-700 hPa) και στη βόρεια πλευρά του (στη βαροκλινική ζώνη στα νότια όρια της Σαχάρας) πιο κοντά στην επιφάνεια.Λαμβάνοντας υπ’όψιν μόνο ξηρές διαδικασίες δείχθηκε ότι η ανάπτυξη των AEWs το 2019 οφείλεται στη βαροτροπική αστάθεια νότια του AEJκαι στη βαροκλινική αστάθεια βόρεια. Τα AEWsαποτέλεσαν διαταραχές τύπου Rossby-κυμάτων με δυτική μετάδοση και η περιοχή γένεσής τους βρέθηκε στις 20-30οΑ. Στην ανάλυση της περίπτωσης (case study) του AEWαπό το οποίο προήλθε ο κυκλώνας Dorianδείχθηκε η σημασία της επιφανειακής θερμοκρασίας της θάλασσας και της κατακόρυφης διάτμησης του ανέμου στον Ατλαντικό. Όταν αυτές οι παράμετροι έφτασαν σε ευνοϊκές τιμές για κυκλογένεση, το AEW εξελίχθηκε ραγδαία από μια αρχικά αδρανή κατάσταση στις 19-22 Αυγούστου 2019 σε τροπική ύφεση και στη συνέχεια σε τροπική καταιγίδα και κυκλώναDorian μέσα σε 3 ημέρες. Ο κυκλώνας Dorianείχε τη δομή ενός τυπικού κυκλωνικού συστήματος θερμού πυρήνα. Επισημαίνεται η σημαντική υποεκτίμηση της έντασης του Dorian, κατά 55 hPa, στα δεδομένα ERA5 (πιθανώς λόγω της χωρικής τους ανάλυσης) και η ύπαρξη σημαντικής καθυστέρησης 3 ημερών στην εμφάνιση της ελάχιστης πίεσης του Dorianστα ERA5 σε σχέση με την πραγματικότητα.

The aim of this master thesis was the synoptic and dynamic analysis of the characteristics of the African Easterly Waves (AEWs) and their environment over tropical North Africa and the Atlantic Ocean in 2019, as well as the study of the specific AEW during the same year whichwas transformed into major hurricane Dorian. He came to be the most destructive and powerful hurricane in the history of the Bahamas causing over 74 deaths and 4.68 billion dollars’ worth of damage. The year 2019 was chosen as it lies within 5% of the most active tropical cyclone years in the north Atlantic since 1851. During the year a total of 18 named tropical cyclones were formed, 6 of which became hurricanes and 3 of those turned to major hurricanes. Sixty-seven % of hurricanes and all of major hurricanes were formed as a result of the AEWs. For the majority of this thesis ERA5 reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) were used. The average conditions over the Atlantic Ocean were very favourable with warm sea surface temperatures (SSTs, 28-30oC) and particularly low values of vertical wind shear (<10 m/s) between 850 and 200 hPa especially during the 2nd half of the hurricane season (August-October). A typical AEW regime was found with a 2.5-6 day period while they were more intense in the west than in the central part of tropical central Africa. The meridional potential vorticity gradient was found to be reversed at the area of interest close to the African Easterly Jet (AEJ) satisfying the Charney-Stern criterion for instability. Two areas of AEW development were found on either side of the AEJ: at 600-700 hPa south of the AEJ as well as at the baroclinic zone at the north. Taking into account nothing but dry processes, it was also shown that the AEW development in 2019 is attributed to barotropic instability south of the AEJ and to baroclinic instability in the north. The AEWs were shown to have propagated westwards in a typical Rossby-wave-like pattern with their place of origin at 20-30oE. The case study for the AEW responsible for hurricane Dorian showed the importance of the SSTs and the vertical wind shear parameters in the Atlantic. The AEW developed rapidly from an inert state during 19-22 of August 2019 to a tropical depression at the very moment they reached favourable conditions for cyclogenesis. Within 3 days it transformed into a tropical storm and finally to hurricane Dorian. The hurricane’s structure was that of a typical warm core cyclone. It is also pointed out that the ERA5 reanalysis data underestimated Dorian’s minimum pressure by 55 hPa (possibly due to their spatial resolution) and by a temporal delay of 3 days in comparison to the actual measurements.