On the impacts of tropical cyclones in the Northeastern Atlantic

Abstract

Tropical Cyclones (TCs) are one of the most deadly and destructive weather events. Their impacts are vast and often extend beyond wind damage or storm surges. Two examples of impacts are studied in this thesis, the first relating to the interaction of TCs with the ocean, and the second showing the impact of hurricane Ophelia in the exacerbation of the 2017 Portuguese October wildfires. This work shows the average upper-ocean response, in terms of chlorophyll-a (Chl a) and sea surface temperatures (SST), the passage of a TC in the Azores region between 1998 and 2020. Significant anomalies were found on the order of +0.050 mg m−3 (Chl a) and -1.615º C (SST). Furthermore, comparing these responses with TC characteristics revealed that the TC intensity was the most critical factor. Additionally, larger TCs and those occurring later in the season also produced stronger responses, while faster TCs only had this influence with Chl a. Two case studies were conducted for hurricanes Nadine (2012) and Ophelia (2017), revealing different impacts at different stages of the TCs for both variables, additionally the importance of TC track geometry is presented. The atmospheric conditions present during hurricane Ophelia (2017) over the Iberian Peninsula were explored using the WRF-ARW regional climate model. The simulations produced a quality ensemble which represented the observed situation. These conditions were analysed by looking at the Fire Weather Index (FWI) which presented over 80 % of the territory above the 99th percentile. Comparatively the enhanced FWI (FWIe), including an atmospheric instability component, presented over 90 % of the area above the same threshold for FWIe. The role played by Ophelia was shown to be crucial for the exacerbation of the fire risk through an increase in atmospheric instability and prevalent southern circulation.

Esta dissertação apresenta dois estudos distintos sobre os impactos causados pelos ciclones tropicais (TCs) na região nordeste (NEA) do oceano Atlântico Norte (NA). Estes impactos são diversos e afetam diferentes sistemas (biológicos, sócio-económicos, etc.) com magnitudes distintas. Em primeiro lugar, foi analisado como a camada superficial do oceano reage à passagem dos TCs na região dos Açores, incluindo uma avaliação da resposta biofísica da superfície, baseada nas mudanças observadas na clorofila (Chl-a) e na temperatura da superfície da água do mar (SST). Em segundo lugar, é apresentada uma análise aprofundada ao aumento do perigo meteorológico de incêndio derivado à passagem off-shore do furacão Ophelia em outubro de 2017. Através de modelação numérica, foram analisadas as condições atmosféricas presentes desde o dia 14 até ao início de 17 de outubro de 2017, e comparadas com os dados de reanálise do ECMWF e também com os observados pelas estações do IPMA. Uma média (ensemble) de qualidade permite analisar as condições meteorológicas de incêndio e a respetiva influência da instabilidade atmosférica de forma exaustiva, concluindo-se que a influência do furacão Ophelia é significativa. Na região dos Açores, a existência de uma resposta biofísica após a passagem dum TC foi identificada a partir da análise de dados de Chl-a e SST, que produziram assinaturas anómalas positivas de Chl-a e negativas de SST. Esta assinatura é mais intensa para o caso da SST, na qual a passagem de um TC resulta numa anomalia induzida negativa em quase todos os pixels analisados (ou seja, arrefecimento). Em média, os TCs produziram anomalias positivas da ordem de 0,050 mg m−3 em relação à Chl-a e um arrefecimento médio da SST de 1,615º C. Os TCs mais intensos tendem a produzir respostas mais intensas, de acordo com a literatura sobre o tema. Constatou-se também que a velocidade de translação de um TC está associada às anomalias induzidas, embora a relação tenha sido considerada positiva e significativa (nível de confiança estatística de 95 %) apenas no caso da Chl-a. Constatou-se ainda uma ligação significativa com a área total impactada pelos TCs, contudo esta área pode aumentar devido a vários outros factores: TCs mais lentos impactam áreas maiores (devido à geometria da trajetória percorrida pelos mesmos); TCs mais intensos impactam áreas maiores; e TCs próximos da sofrerem uma transição pós tropical são geralmente maiores. Estes efeitos, quer individualmente quer combinados, podem afetar as anomalias induzidas de SST e Chl-a diferentes níveis. Além disso, verificou-se que a resposta oceânica foi maior durante os últimos meses do ano (parte final da época dos furacões no Atlântico), com uma relação significativa em ambas as variáveis. Isto deve-se à própria variabilidade sazonal, uma vez que os valores climatológicos normais para essa época do ano não são vistos durante condições excepcionais de TC (por exemplo a SST é normalmente mais fria no final do ano, mas as condições de TC exigem que seja mais elevada) e a resposta da superfície do oceano pode ajudar a área afectada a regressar a valores mais próximos da climatologia, em ambas as variáveis, em relação a essa época do ano. Adicionalmente dois casos de estudo foram avaliados mais ao pormenor, os furacões Nadine (2012) e Ophelia (2017). O furacão Nadine, um dos mais lentos TCs neste estudo, apresentou anomalias induzidas proeminentes, especialmente em relação à SST. Neste caso, considerando a baixa velocidade de translação do Nadine, o objetivo era estudar o impacto que as observações sobrepostas (pixels sobrepostos em sucessivos passos temporais como consequência do tempo permanecido sobre a mesma área) tinham nas anomalias induzidas. Esta análise demonstra que o impacto aumenta conforme o número de observações sobrepostas aumenta, implicando que a velocidade de translação lenta de Nadine e a geometria particular do seu percurso desempenharam um papel fundamental na resposta do oceano à passagem do TC. O furacão Ophelia representa um outro caso muito particular, uma vez que corresponde ao único grande furacão (acima de cat. 2) nesta região de estudo e quase toda a sua trajetória decorreu nesta área. O Ophelia originou fortes respostas anómalas tanto para a Chl-a como para a SST. Em relação à Chla, o Ophelia teve um impacto mais substancial no final da sua passagem pela região, revelando que a sua intensidade desempenhou um papel fundamental na indução de anomalias relacionadas com a Chla. Adicionalmente, a intensidade do stress do vento revela uma relação positiva e significativa com a evolução da tempestade e, portanto, a sua intensidade. Este facto traduz uma interação mecânica oceanoatmosfera crescente na fase mais madura da tempestade. Por outro lado, o Ophelia teve um impacto mais forte sobre a SST na sua ciclogénese em relação à fase mais tardia do ciclone, o que está provavelmente relacionado com as trocas termodinâmicas oceano-atmosfera durante a sua maturação. A simulação numérica da influência do furacão Ophelia nos incêndios de outubro de 2017 em Portugal foi estudada com o modelo de clima regional WRF-ARW v4.4.1. Foram realizadas doze simulações em dois domínios aninhados utilizando diferentes parametrizações para microfísica, convecção, e camada limite planetária. Foi produzido um conjunto médio final (ensemble) com as corridas que apresentaram a melhor semelhança estatística com os valores observados durante os três dias de simulações (14, 00 UTC - 17, 06 UTC de Outubro, 2017). Os campos obtidos com este ensemble foram comparados com os valores observados nas estações meteorológicas do IPMA, bem como com os dados do ECMWF, a reanálise ERA5. A comparação directa entre o ensemble e as observações do IPMA, utilizando a temperatura e o vento (velocidade e direcção), revelou inicialmente que as simulações representaram bastante bem o evento de calor extremo durante os dias 14 e 15 de outubro, bem como os ventos fortes observados durante o dia 15. Foi também observado que, no dia 16, as condições mudaram drasticamente para valores muito mais próximos daquela época do ano. Verificou-se ainda uma ligeira sobrestimação da temperatura durante a simulação mas, à medida que a simulação avançava, as temperaturas de superfície divergiam negativamente das observadas nas estações. Em relação ao vento, o ensemble mostrou uma boa semelhança com as observações, com uma ligeira sobrestimação sobre o continente. A análise ao dia mais afetado pelos incêndios e o seu precedente, 14 e 15 de outubro, revelou uma situação de extremo perigo meteorológico de incêndio, avaliado através do índice de perigo meteorológico de incêndio (FWI). No dia 15, a grande maioria de Portugal continental (82 %) apresentou valores acima do percentil 99 respetivo aos meses de verão. Estes valores correspondiam, em média, a valores FWI da ordem de 65, variando entre 50 e 80. As áreas mais impactadas (que eventualmente arderam) apresentaram valores com uma média próxima de 70. Estes valores de FWI representavam recordes históricos na grande maioria do país. Em ambos os dias, a instabilidade atmosférica sob a forma do CHI (Continuous Haines Index) também apresentava valores extremos acima do percentil 90; este valor diminuiu do primeiro para o segundo dia. O índice FWIe (Enhanced FWI) foi utilizado como meio para incorporar a instabilidade atmosférica (CHI) no FWI. A comparação directa entre o FWIe e o FWI mostra um aumento substancial relativo nos primeiros dias. O FWIe viu a área acima do percentil 99 aumentar em 11 pontos percentuais, para 93 %. Isto significou valores médios de FWIe na ordem dos 70, enquanto o lado superior da distribuição atingiu e ultrapassou os 80. Globalmente, as regiões com forte instabilidade atmosférica desempenharam um papel substancial no aumento dos valores, já recorde, do FWI. Finalmente, durante o dia 16 de outubro, o cenário mudou substancialmente. Durante este dia, as temperaturas diminuíram drasticamente e observou-se uma intrusão de ar frio e húmido a noroeste da Península Ibérica. Durante a tarde deste dia, e nas primeiras horas do dia seguinte, foram registadas quantidades substanciais de chuva que aliviaram o combate aos incêndios. No entanto, esperava-se que esta intrusão produzisse esta chuva mais cedo e o IPMA lançou avisos com esta previsão em mente. Isto levou com que algumas pessoas programassem propositadamente pequenas queimadas nas últimas horas do dia 15 de Outubro o que, dadas as circunstâncias, poderiam ter-se descontrolado. Este episódio de incêndio de Outubro de 2017 produziu mais de 200 000 ha de área queimada em cerca de 24h, sendo também responsável pela morte de 49 pessoas. Este evento composto (compound event) resultou numa mistura de condições extraordinárias iniciadas por uma mega-seca que vinha a assolar a Europa desde 2016, em conjunto com os ventos fortes para norte induzidos pelo furacão Ophelia. Esta configuração resultou no aumento das temperaturas, já elevadas, e ainda na diminuição da humidade relativa à superfície.