Variabilidad del vapor de agua en la baja estratosfera

Resum

Casi todo el vapor de agua de la baja estratosfera aparece como resultado del transporte desde la troposfera. Este transporte se produce principalmente a través de la tropopausa tropical, a menudo denominada "trampa fría", donde el transporte horizontal hace que las masas de aire experimenten temperaturas extraordinariamente bajas a su paso por las regiones más frías, lo que limita la concentración de vapor de agua en la baja estratosfera a unas pocas partes por millón. Sin embargo, a pesar de su baja concentración, el vapor de agua en la baja estratosfera desempeña un papel fundamental en el equilibrio radiativo en los trópicos y en la química del ozono. En general, se acepta que las regiones monzónicas desempeñan un papel clave en el transporte troposférico-estratosférico y, por tanto, en la concentración de vapor de agua en la estratosfera inferior. En el hemisferio norte, la concentración de vapor de agua estratosférico muestra dos máximos entre 150hPa y 70hPa sobre las regiones monzónicas asiática y norteamericana. Estos máximos climatológicos estivales pueden influir en el vapor de agua sobre gran parte del hemisferio norte a través de su transporte a gran escala y es muy probable que contribuyan significativamente a la fase húmeda del ciclo anual del vapor de agua estratosférico global. Diferentes modelos globales sugieren que la convección sobre la región monzónica del sudeste asiático representa la principal fuente de humedad hacia la estratosfera. Sin embargo, a pesar de su importancia, existe mucha incertidumbre sobre los mecanismos físicos que generan los máximos de vapor de agua sobre las regiones monzónicas. En particular, se desconoce la importancia que pueden tener la convección profunda, la temperatura y la circulación monzónicas o la deshidratación in situ de las masas de aire. Un primer objetivo de esta tesis ha sido investigar la influencia de diferentes procesos químicos y físicos en la distribución del vapor de agua en la baja estratosfera, en particular en los anticiclones asociados a los monzones asiático y norteamericano. En concreto, utilizamos el modelo de transporte químico-lagrangiano, CLaMS, para analizar los efectos de la temperatura a gran escala, la oxidación del metano, la microfísica del hielo y los procesos de mezcla atmosférica a pequeña escala. Todos estos procesos hidratan la baja estratosfera y, en particular, la región del monzón asiático. Mientras que la microfísica del hielo tiene el mayor impacto de hidratación a escala global, es la mezcla a pequeña escala la que domina sobre el monzón asiático. En particular, la parametrización de la mezcla a pequeña escala contribuye fuertemente al transporte de vapor de agua a esta región y mejora la simulación de la variabilidad intraestacional, resultando en una mejor concordancia con las observaciones de MLS. Por otra parte, aunque ninguno de nuestros experimentos reproduce el patrón espacial del vapor de agua sobre el monzón norteamericano tal y como se ve en las observaciones MLS, todos muestran un ciclo anual y una variabilidad intraestacional realistas, que están controlados principalmente por las temperaturas a gran escala. Analizamos además la sensibilidad de estos resultados al esquema utilizado para el llenado de dominios, comparando el esquema de llenado progresivo, LTF, con el de llenado completo de la estratosfera-troposfera, ST-Filling. Mientras que con la técnica ST-Filling se establece la presencia de masas de aire en toda la troposfera y la estratosfera desde el comienzo de la simulación, en el esquema LTF el llenado se implementa para el dominio elegido, en este caso únicamente para la estratosfera y alta troposfera, entre 250 hPa y 1800 K, y se repite periódicamente en el tiempo. En comparación con las observaciones MLS y con la simulación de referencia que utiliza el esquema ST-Filling, observamos que el LTF da lugar a una baja estratosfera global más seca y a una señal de vapor de agua más débil en las regiones monzónicas, lo que está relacionado con las condiciones de contorno propias del esquema LTF. Un segundo objetivo de esta tesis ha sido la evaluación del impacto de los monzones en el vapor de agua de la UTLS. Con este propósito se han realizado dos experimentos en los que se han eliminado las parcelas de aire de las regiones de los monzones asiático y norteamericano. La comparación de estos experimentos con otro de control en el que las parcelas procedentes de las regiones monzónicas pueden transportar vapor de agua al resto de la atmósfera, ha permitido determinar la contribución de los monzones a la distribución de vapor de agua en la baja estratosfera así como el análisis del transporte del vapor desde los monzones hacoa otras regiones. Nuestros resultados muestran que tanto el monzón asiático como el norteamericano tienen un impacto heterogéneo sobre el vapor de agua de la baja estratosfera. Pueden causar aumentos de alrededor de un 2 % en la región tropical y hasta del 8 % en latitudes medias aunque también provocan reducciones de la humedad local sobre algunas regiones siendo, en general, el impacto del monzón asiático de mayor magnitud que el del monzón norteamericano. Se observa además un impacto del monzón asiático sobre la humedad contenida en la baja estratosfera del norteamericano y viceversa. En este sentido, la humedad del monzón norteamericano en la baja estratosfera está controlada principalmente por las regiones al sur del propio monzón norteamericano y también del asiático, lo que demuestra que el monzón asiático ejerce una influencia directa sobre la humedad del norteamericano. En relación al monzón asiático, resulta evidente que la principal zona de deshidratación de las parcelas que llegan a él es la región sur del propio monzón. En este caso los resultados revelan una influencia muy limitada del monzón norteamericano sobre la humedad del asiático.