The land-atmosphere coupling and climate extremes in Africa
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| Data de Publicação: | 2017 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/31201 |
Resumo: | Tese de mestrado, Ciências Geofísicas (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017 |
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The land-atmosphere coupling and climate extremes in AfricaCORDEXAcoplamentoOndas de calorSPEIMagnitudeTeses de mestrado - 2017Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e EnergiaTese de mestrado, Ciências Geofísicas (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Soil moisture is one of the most important variables of the climate system as it constrains evapotranspiration, affecting the water and energy balances at the surface, mainly over transition areas between humid and dry climates. An analysis of the energy and moisture balance, heat waves and droughts for the Africa Coordinated Regional Downscaling Experiment (Africa-CORDEX) is performed in present climate and used to evaluate heat and moisture projections for the future. Two different RCM sets from Africa-CORDEX were exploited. One is driven by ERA-Interim reanalysis (1990-2008) and the other by Atmosphere-Ocean Global Circulation Models (AOGCMs) from the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5, 1960-2100), featuring the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) RCP4.5 and RCP8.5 scenarios, and focused in two periods (1971-2000 and 2071-2100). Multi-Model ensembles means were produced, for better assessing changes for the future, as well as the relationship between the fluxes partitioning and heat waves. Precipitation, Soil Moisture, Latent and Sensible Heat Fluxes, Mean, Maximum and Minimum Temperatures are also assessed and validated against observationally based databases (CRU, GPCC, FLUXNET and GLEAM) for seasonal and climatological time-scales. Overall, models display a good agreement with observations, except for some cases where strong biases are found over large areas of Africa. The multi-model ensemble is found to perform better than individual models. However, the few observations over Africa, limit the validation of individual variables and different metrics. The 10 days non-overlapping mean correlations between latent and sensible heat fluxes and, between latent and maximum temperatures are used to assess the seasonal coupling strength. Also, the Bowen ratio and the Evaporative Fraction are computed in order to evaluate the different climate evolutions and coupling for each model. Overall, all models can represent the strong soil moisture-temperature coupling regions, where those areas coincide with transition zones identified on both Bowen ratio and Evaporative Fraction. However, differences are found for individual RCMs meaning that each model represents its own reality. These strong coupling regions also correspond to regions of more heat wave events in present climate. Nonetheless, in present climate, soil moisture-temperature feedback not influence heat wave event duration, which seems to be controlled by the synoptic conditions. In future, more heat waves are expected in Africa due to an increase of mean surface temperature, but also due to changes in the spatial distribution of strong coupling regions. Drought is assessed for both Hindcast and CMIP5 simulations (Historic, RCP8.5 and RCP4.5) with the SPEI index. In the future, for both scenarios, all models agree with longer and more intense droughts over Africa. Additionally, a new coupling metric is introduced, for monthly time-scales, which considers the positive temperature extremes and the negative latent heat flux extremes. In areas where negative soil moisture anomalies influence the flux partitioning, leading to a surface increase of temperature, this metric correlate well with lower mean SPEI values for a determined period.A humidade do solo é uma das variáveis mais importantes no contexto do acoplamento terra-atmosfera. Em certas regiões, a humidade do solo é a principal variável que constringe a evapotranspiração, afetando o balanço energético à superfície, podendo assim afetar a temperatura na baixa troposfera. Em regiões onde anomalias negativas de humidade do solo influenciem a temperatura, eventos de seca podem levar a situações em que anomalias da temperatura sejam muito superiores áquilo que seriam em condições normais e a intensificação de eventos de onda de calor. Neste trabalho, efetua-se uma comparação entre as regiões de forte e fraco acoplamento com a distribuição espacial do número e duração média de eventos de ondas de calor, bem como uma caracterização presente e futura de secas sobre o continente africano, tendo como base modelos regionais retirados do portal do Coordinated Regional Downscaling Experiment (Africa-CORDEX) para a região de África. Duas simulações foram consideradas, uma onde os modelos regionais são forçados pela reanálise ERA-Interim (simulação Hindcast) de 1990 a 2008, e outra onde os modelos regionais são forçados por modelos de circulação global (Atmosphere Ocean Coupled Circulation Models, AOGCMs) de 1960 a 2100. O forçamento dos AOGCMs foi obtido a partir do portal do projeto de Intercompação de modelos fase 5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5), considerando dois senários de forçamento radiativo no final do século XXI do IPCC: RCP 4.5 e RCP 8.5. Neste ultimo caso, a simulação é dividida em dois períodos: Historic (1971-2000) para caracterizar o clima presente, e Future (RCP4.5 e RCP8.5 ambos no período 2071-2100) para caracterizar o clima futuro. A análise para o clima presente é feita principalmente com Historic, onde a simulação Hindcast é usada para validar as diferentes métricas consideradas, e para o RCP8.5, onde neste caso, anomalias entre RCP8.5 e Historic são consideradas. Ambos os cenários apresentam resultados semelhantes, mas a amplitude das diferenças para o RCP8.5 é superior. Todas as variáveis consideradas neste trabalho (precipitação, humidade do solo, fluxos de calor latente e sensível e ainda temperaturas médias, máximas e mínimas) foram avaliadas e validadas, à escala sazonal e também à escala climatológica, em relação a bases de dados construídas baseadas em observações (CRU, GPCC, FLUXNET e GLEAM). A validação é feita tendo como base mapas sazonais e climatológicos de viés para a precipitação e temperaturas, e mapas sazonais de viés para as outras variáveis. Diagramas de Taylor foram também considerados. Estes diagramas são úteis, pois permitem avaliar um modelo, em relação a uma referência, em termos de desvio padrão, correlação e erro médio quadrático para médias sazonais e climatológicas. De um modo geral, com algumas exceções, todos os modelos conseguem caracterizar o clima médio e sazonal de África. No entanto alguns modelos, em certas regiões apresentam anomalias elevadas relativamente às observações. O acoplamento entre a humidade do solo e temperatura é avaliado sazonalmente para África, considerando as correlações entre calor latente e sensível e entre calor latente e temperatura máxima, calculadas a partir de médias de 10 dias não sobrepostas. De modo geral, todos os modelos são capazes de representar as principais zonas de forte acoplamento, apresentando diferenças nas distribuições espaciais destas regiões, e que comparando com a razão de Bowen e Fração Evaporativa, correspondem a zonas de transição entre climas húmidos e áridos (i.e., climas tipo mediterrâneo). Para as ondas de calor, foi calculado o número médio de eventos normalizado pelo número de anos de cada modelo, e ainda a duração média das ondas de calor. Ambas as métricas foram determinadas para todos os períodos. No clima presente, não existe qualquer relação entre a duração média de eventos com as zonas de forte e fraco acoplamento, onde a duração é controlada principalmente pelas condições sinóticas. No entanto, existe uma relação entre o número de ondas de calor com as zonas de forte acoplamento, onde mais eventos são espectáveis de ocorrer nestas zonas em relação à média. No futuro, num cenário de alterações climáticas e com o incremento do balanço de radiação à superfície, tanto o calor latente como o calor sensível também aumentam, de modo a manter o balanço energético à superfície, o que consequentemente leva a um aumento da temperatura à superfície. No entanto, previsões de alterações nos padrões e frequência de precipitação a nível global e aumento da capacidade de retenção de água pela atmosfera, devido ao incremento da temperatura, podem levar a uma redução geral da humidade do solo, especialmente em zonas de forte acoplamento. Esta diminuição da água disponível provoca uma anomalia negativa permanente da evapotranspiração em relação às condições presentes, levando a um subsequente aumento do fluxo de calor sensível e consequente aumento da temperatura. Para além disso, no futuro, uma expansão das regiões de forte acoplamento é previsível, onde em algumas situações, zonas que no presente são consideradas de fraco acoplamento, periodicamente ou permanentemente poderão passar a ser consideradas de regiões de forte acoplamento. Nas áreas consideradas de forte acoplamento, no presente, onde a evapotranspiração não é muito elevada, no futuro transformar-se-ão em zonas áridas ocorrendo um desacoplamento da superfície. Para além disso, no futuro, um aumento significativo na frequência e duração de ondas de calor é esperado por toda a África, exceto nas zonas mais áridas. Este aumento deve-se essencialmente ao incremento da temperatura média, mas também devido ao aumento da média e variabilidade da temperatura, provocadas pelo diferente balanço entre os fluxos. A caracterização dos eventos de secas é feita para cada período usando o índice SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index), de modo a determinar o número de meses, fração da área com diferentes intensidades (moderada, severa e extrema) e duração média de cada evento de seca. O índice SPEI para ambos os cenários RCP, é calibrado com os valores referentes ao período Historic. No futuro, apesar dos modelos exibirem diferentes resultados entre si, todos apontam no sentido de um aumento da duração e intensidade de eventos de seca. Para além da análise feita anteriormente, uma nova medida para o acoplamento entre a humidade do solo e temperatura é introduzida aqui. Esta nova métrica resulta da soma, num determinado número de meses, da multiplicação diária entre extremos positivos da temperatura máxima e extremos negativos do fluxo de calor latente, sendo comparável com os valores médios do SPEI para esses meses. Esta métrica é avaliada para períodos de ondas de calor no continente Africano, já estudadas anteriormente. Magnitudes elevadas desta métrica correspondem a situações em que anomalias negativas da humidade do solo, efetivamente influenciam a temperatura à superfície durante ondas de calor, para uma região específica. Nessa região, existe alguma correspondência com valores negativos médios do índice SPEI. No entanto em zonas de fraco acoplamento, eventos de seca muito intensos e duradouros podem provocar situações onde a evapotranspiração passe a ser restringida pela humidade do solo e não pela energia disponível.Cardoso, Rita Margarida Antunes de PaulaSoares, Pedro Miguel Matos, 1972-Repositório da Universidade de LisboaCareto, João António Martins2018-01-29T16:02:06Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/31201TID:201879093enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:24:30Zoai:repositorio.ul.pt:10451/31201Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:46:43.731080Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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