The influence of land temperatures on the winter mid-latitude atmospheric circulation

The first attempts to determine the role of orography and longitudinally varying heat sources for the mid-latitude atmospheric circulation date back to more than half a century ago. Whilst we have reached a good understanding of their interaction with the atmosphere, climate change and the wide use of climate models, characterised by common or individual biases, pose new interesting questions. Because of the long time scales and large impact of ocean-based signals, the interaction of the atmosphere with the sea surface temperature has been studied extensively. Less so for the land surface which, when inducing persistent low-level warming or cooling, may nonetheless become important for the atmospheric circulation. However, the persistence of the forcing by a land-based thermal source is not always sufficient to determine an important dynamical response in the atmosphere. Some examples are developed in the thesis. In a warmer climate the surface of the continents are expected to warm faster than the surface of the oceans, producing changes in the large-scale temperature contrast. During the winter season of the Northern Hemisphere, chosen as the setting for our analysis, the thermal contrast is projected to reduce. A set of perpetual-winter atmospheric simulations with prescribed surface conditions featuring an intense NH extratropical land warming reveals a strong reduction in the large-scale features of the mid-latitude atmosphere, i.e. stationary waves and jet streams. Interestingly, the response is induced mainly by the warming of the Asian continent, with North America playing only a secondary role. Prompted by this result, we examine the representation of Asian temperatures in a set of state-of-the-art climate models, and detect a large inter-model temperature spread over the Tibetan Plateau and Siberia. We show that anomalously low temperatures over the Tibetan Plateau - a region that is often affected by a cold model bias - reinforce the East Asia summer monsoon and have a strong impact on the mean atmospheric conditions downstream of the orography. Anomalous Siberian temperatures, on the other hand, do not determine substantial changes in the Pacific sector, but, through local changes in the low-level atmospheric conditions, influence the winds over the continent. Consistent dynamical changes are detected in climate projections featuring different degrees of warming over the regions of the Tibetan Plateau and Siberia. The results presented in the thesis identify the Asian orography as a hotspot of land--atmosphere interaction, highlighting the importance of land modelling over complex orography (e.g. the Tibetan Plateau) for the atmospheric circulation.

Risalgono a più di mezzo secolo fa' i primi studi sul ruolo dell'orografia e delle variazioni longitudinali delle sorgenti di calore per la circolazione atmosferica delle medie latitudini. Nonostante sia stato raggiunto un buon livello di conoscenza del tema, nuove domande stanno nascendo per via del cambiamento climatico e dell'ingente utilizzo di modelli climatici, interessati da varie tipologie di errori. I tempi scala lunghi e l'impatto importante dei segnali termici oceanici hanno permesso uno studio approfondito delle interazioni tra la temperatura della superficie del mare e l'atmosfera. La superficie delle terre emerse ha ricevuto meno attenzione, sebbene possa diventare rilevante per la circolazione quando induce un riscaldamento o raffreddamento persistente nella bassa atmosfera. La persistenza del segnale termico terrestre non costituisce però una condizione sufficiente per determinare una risposta dinamica forte in atmosfera. Nella tesi ne sviluppiamo alcuni esempi. Con il riscaldamento climatico la superficie dei continenti dovrebbe scaldarsi più velocemente della superficie degli oceani; di conseguenza anche il contrasto termico tra i due dovrebbe cambiare. Decidiamo di concentrarci sulla stagione invernale dell'emisfero boreale. Un set di simulazioni a inverno perenne, girate con condizioni superficiali caratterizzate da un riscaldamento anomalo della superficie terrestre negli extratropici, mostra una riduzione degli elementi principali che contraddistinguono l'atmosfera delle medie latitudini, ovvero le correnti a getto e le onde stazionarie. È interessante notare che la risposta atmosferica è prevalentemente forzata dal riscaldamento del continente asiatico, con un ruolo secondario dell'America settentrionale. Partendo da questi risultati, esaminiamo la rappresentazione delle temperature asiatiche medie in un insieme di modelli climatici allo stato dell'arte, e troviamo ampie differenze tra i modelli soprattutto nell'altopiano tibetano e in Siberia. Mostriamo che la temperature della regione dell'altopiano tibetano, che nei modelli è spesso eccessivamente fredda, ha un ruolo nella modulazione del monsone invernale dell'Asia orientale, e quindi influenza le condizioni atmosferiche a valle dell'orografia. D'altro canto, le temperature in Siberia non hanno particolari conseguenze sul settore del Pacifico, ma influenzano i venti sul continente. Inoltre i modelli caratterizzati da Siberia calda mostrano un riscaldamento anomalo ai Tropici, quelli con Siberia fredda mostrano anomalie nella copertura nuvolosa dalle medie latitudini al Polo Nord. I risultati presentati nella tesi sono concordi nell'identificare l'orografia asiatica come una regione chiave per le interazioni tra superficie terrestre e atmosfera. Ulteriori simulazioni che analizzino l'impatto atmosferico della temperatura superficiale di regioni più circoscritte, potrebbero contribuire ad una visione completa sull'interazione tra anomalie termiche e orografia in Asia. Inoltre, in base ai risultati qui presentati, crediamo che avanzamenti nella modellizzazione della terraferma, particolarmente in zone dove l'orografia è complessa (come l'altopiano tibetano), possano avere un impatto positivo anche sulla rappresentazione della circolazione atmosferica.