Response of the tropical convergence zones to extratropical thermal forcing

Abstract

Paleoclimatic data, 20th century observations and numerical simulations have all suggested the capability of the extratropics to trigger global teleconnection patterns and drive changes in the distant tropical regions mediated through atmospheric and ocean processes. The emerging general picture is that the Inter Tropical Convergence Zone (ITCZ) tends to shift toward the warmer hemisphere at the same time that the atmospheric energy transport is modified to favour the transport of energy to the colder hemisphere. Apart from paleo and 20th century climate implications, the extratropical to tropical teleconnection problem has also been related with the future climate as the projected pattern of temperature change for the 21st century presents an interhemispheric asymmetry with the strongest warming projected to occur over the Northern Hemisphere (NH) high latitudes. This thesis aims to shed further light into the sensitivity of the tropical climate to an extratropical thermal forcing via a series of numerical simulations performed with an Atmospheric General Circulation Model (AGCM) coupled to either a low or a medium complexity ocean model, using realistic surface boundary conditions in all the cases. The behaviour of two convergence zones, the ITCZ and the South Atlantic Convergence Zone (SACZ), is the main focus of the work. The relative roles of the atmosphere, sea surface temperature (SST), land surface temperature (LST), hemispheric component of the forcing and tropical ocean dynamics are investigated and physical mechanisms mediating in the extratropical to tropical teleconnection are proposed and tested. In simulations in which the AGCM is coupled to slab ocean and land models we find that if the tropical SSTs are not allowed to change in response to the extratropical forcing then the ITCZ response strongly weakens although it is not negligible in particular over the Atlantic Ocean and Africa. If, in addition to the tropical SST constraint, the LST over Africa is prevented to change the ITCZ response to the remote signal completely vanishes. Therefore, our results indicate that the ITCZ response to the extratropical forcing is not possible just trough purely atmospheric processes, but needs the involvement of either the tropical SST or the LST. The clear-sky longwave radiation feedback is highlighted as the main physical mechanism operating behind the land-based extratropical to tropical communication. Regarding the SACZ, we present numerical evidence that indicates that it can be affected by an extratropical thermal forcing with a behaviour that does not replicate the ITCZ response of shifting toward the warmer hemisphere. In fact, we find that when the NH (Southern Hemisphere, SH) extratropics warm (cool), the SACZ experiences a significant weakening associated, mostly, to the NH component of the forcing. Our results indicate that 75% of the SACZ signal in response to the forcing is linked to the development of a secondary tropical convergence zone in the Atlantic Ocean around 20°N-30ºN, which depends on the tropical SST response. The remaining 25% of the signal can be explained through the development of a Walker-type of circulation between western tropical Africa and the SACZ, being this mechanism associated with the African LST reaction to the remote forcing. To assess the role of the tropical ocean dynamics we analyse and compare simulations in which the AGCM is coupled either to a slab ocean model or to a combination of a Reduced Gravity Ocean model in the tropics and a slab model elsewhere. The inclusion of tropical ocean dynamics enables changes in the equatorial Pacific SST seasonal cycle, whose response to a NH (SH) high latitude warming (cooling) consists of a significant strengthening in the eastern portion of the basin. The annual mean response, however, is weaker than the signal the extratropical forcing would generate if only thermodynamic coupling was allowed, thus suggesting that tropical ocean dynamics tends to oppose the extratropical forcing in the mean. We further find that under an extratropical forcing the activity of the El Niño-Southern Oscillation weakens, which is consistent with a strengthening of the seasonal cycle through the previously proposed frequency entrainment mechanism

Datos paleoclimáticos, observaciones del siglo XX y simulaciones numéricas sugieren que los extratrópicos tienen la capacidad para desencadenar patrones de teleconexión globales y forzar cambios en las regiones tropicales, a través de de procesos atmosféricos y oceánicos. La imagen general que surge es que la Zona de Convergencia Inter Tropical (ZCIT) tiende a desplazarse hacia el hemisferio más cálido mientras que el transporte de energía atmosférico se modifica para favorecer la transferencia energética hacia el hemisferio más frío. Además de implicaciones paleoclimáticas y para el clima del siglo XX, el problema de la teleconexión desde los extratrópicos hacia los trópicos ha sido también relacionado con el clima futuro, dado que el patrón proyectado de cambio de temperatura para el sigo XXI presenta una marcada asimetría interhemisférica con un calentamiento acentuado en las latitudes altas del Hemisferio Norte (HN). El objetivo de esta tesis es profundizar en el estudio de la sensibilidad del clima tropical a un forzante térmico extratropical mediante una serie de simulaciones numéricas realizadas con un modelo de circulación general de la atmósfera (MCGA) acoplado a modelos oceánicos de complejidad baja o media y utilizando, en todos los casos, condiciones de borde realistas. El comportamiento de dos zonas de convergencia, la ZCIT y la Zona de Convergencia del Atlántico Sur (ZCAS), es el foco principal del trabajo. Los roles relativos de la atmósfera, la temperatura de superficie del mar (TSM), la temperatura de superficie continental (TSC), la componente hemisférica del forzante y la dinámica de los océanos tropicales son investigados al mismo tiempo que mecanismos físicos que median en la teleconexión son propuestos y testeados.

En simulaciones en las que el MCGA se acopla a modelos tipo slab para océanos y continentes encontramos que si no se permite que la TSM tropical reaccione al forzante extratropical entonces la respuesta de la ZCIT se debilita notablemente pero sigue siendo significativa, en particular, sobre el océano Atlántico y África. Si, además de la restriction a la TSM tropical, no se permite que la TSC sobre África cambie entonces la respuesta de la ZCIT se desvanece completamente. Por lo tanto, nuestros resultados indican que la respuesta de la ZCIT a un forzante extratropical no es posible a través de procesos puramente atmosféricos, sino que necesita del involucramiento de o bien la TSM o bien la TSC tropical. Encontramos que la retroalimentación de radiación de onda 5 larga en cielo claro es el principal mecanismo físico operando detrás de la comunicación extratrópicos-trópicos a través del continente africano. En cuanto a la ZCAS, presentamos evidencia numérica que indica que puede ser afectada por un forzante térmico extratropical con un comportamiento que no replica la respuesta de la ZCIT de desplazarse hacia el hemisferio más cálido. De hecho, encontramos que cuando los extratrópicos del HN (Hemisferio Sur, HS) se calientan (enfrían) la ZCAS experimenta un debilitamiento significativo asociado, mayoritariamente, a la componente del forzante localizada en el HN. Nuestros resultados muestran que el 75% de la señal de la ZCAS en respuesta al forzante está asociado al desarrollo de una zona de convergencia tropical secundaria en el océano Atlántico entre 20°N y 30°N, la cual es dependiente de la respuesta de la TSM tropical. El 25% restante de la señal puede ser explicado mediante el desarrollo de una circulación del tipo de Walker entre el oeste de África tropical y la ZCAS, estando este mecanismo asociado a la reacción de la TSC africana al forzante remoto.

Para evaluar el rol de la dinámica oceánica tropical analizamos y comparamos simulaciones en las que el MCGA se acopla o bien a un modelo slab oceánico o bien a una combinación de un modelo de gravedad reducida en los trópicos y un modelo slab en el resto de los puntos oceánicos. La inclusión de la dinámica oceánica tropical permite que se produzcan cambios en el ciclo estacional de la TSM del Pacífico ecuatorial, cuya respuesta a un calentamiento (enfriamiento) en latitudes altas del HN (HS) consiste en una intensificación significativa en la porción este de la cuenca. Sin embargo, la respuesta en términos de promedios anuales es más débil que la que el forzante generaría si únicamente una acople termodinámico estuviese permitido sugiriendo, por ende, que la dinámica oceánica tropical tiende a oponerse al forzante extratropical en promedio. Por otro lado, también encontramos que bajo la influencia de un forzante extratropical la actividad del fenómeno El Niño-Oscilación Sur se debilita, lo cual es consistente con la intensificación del ciclo estacional a través del ya propuesto mecanismo de arrastre de frecuencias.