Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The Weather Research and Forecasting (WRF) model is used in the simulation of 26 cases of cyclogenesis in southeastern South America, on the cyclogenetic region near the La Plata River mouth. The simulations comprised 26 cases of cyclogenesis in which rainfall was observed over the region, especially on the state of Rio Grande do Sul. Given the important role of convective parameterization in the production of precipitation into a numerical weather prediction model, this study aims to evaluate the precipitation produced in the simulations of cases of cyclogenesis using three different convection parameterization schemes: Betts-Miller-Janjic (BMJ), Grell-Dévényi (GD) e Kain-Fritsch (KF), keeping the other physical options, to isolate the impact of using different parameterizations for convection. For the evaluation of simulated rainfall, verification skill scores were used in order to make an objective assessment of simulated rain field from the observed data set (TRMM and MERGE), also allowing a comparison between simulations with different schemes. The results of the skill scores showed that, in general, the WRF best represents the rain of lower thresholds, with indexes based positioning (ETS, POD and RAF) with values closer to the ideal. The BIAS score indicated that the area of light rain is usually overestimated, while moderate and heavy rain showed greater differences between simulations with KF and BMJ schemes and verified with the two sets of observed data. Differences in the verification scores showed that the way how the convective flows are treated by schemes exert great influence on the precipitation produced, with the largest differences being observed between the BMJ and KF schemes. The simulations with the BMJ, wich is a convective adjustment based scheme, produced clearly smaller areal coverage and rainfall volume, especially if compared to the simulations with the KF scheme. Along with lower production of precipitation, the simulations with the BMJ showed, on average, smaller partition of convective rainfall compared to others. The sea level pressure field showed no significant differences, with the WRF simulating consistently with the GFS-FNL analysis, the position and central pressure of the cyclones. / O modelo Weather Research and Forecasting (WRF) é utilizado na simulação de 26 casos de ciclogênese no sudeste da América do Sul, na região ciclogenética próxima da foz do Rio da Prata. As simulações compreenderam 26 casos de ciclogênese nos quais foi observada precipitação sobre a região, especialmente sobre o estado do Rio Grande do Sul. Tendo em vista o importante papel das parametrizações convectivas na produção de precipitação em um modelo numérico de previsão de tempo, este estudo visa avaliar a precipitação produzida nas simulações dos casos de ciclogênese utilizando três diferentes esquemas de parametrização da convecção: Betts-Miller-Janjic (BMJ), Grell-Dévényi (GD) e Kain-Fritsch (KF), mantendo as outras opções físicas constantes, de modo a isolar o impacto do uso das diferentes parametrizações para a convecção. Para a avaliação da precipitação simulada foram utilizados índices estatísticos, com o objetivo de avaliar objetivamente o campo de chuva simulado a partir do conjunto de dados observados (TRMM e MERGE), possibilitando também uma comparação entre as simulações com os diferentes esquemas. Os resultados dos índices mostraram que em geral, o WRF representa melhor a chuva dos limiares mais fracos, com índices baseados no posicionamento (ETS, POD e RAF) tendo valores mais próximos dos ideais. O índice BIAS indicou que a área de chuva fraca é, em geral, superestimada enquanto que a de chuva moderada a forte apresentou diferenças maiores entre as simulações com os esquemas KF e BMJ e na verificação com os dois conjuntos de dados observados. As diferenças nos índices mostraram que a forma como os fluxos convectivos são tratados pelos esquemas exerce grande influência na precipitação produzida, com as maiores diferenças sendo observadas entre os esquemas KF e BMJ. As simulações com o esquema BMJ, que é baseado no ajuste convectivo dos perfis, claramente produziram menor área e volume de chuva, principalmente se comparadas às simulações com o KF. Juntamente com menor produção de precipitação, as simulações com o BMJ apresentaram, em média, menor partição de precipitação convectiva se comparada às outras. O campo de pressão ao nível do mar não apresentou diferenças muito significativas, com o WRF simulando de forma consistente com as análises FNL-GFS, o posicionamento e pressão central do ciclone.

A interação entre troposfera e estratosfera tem grande influência e é de grande importância nos processos de ciclogênese em superfície. Entretanto, não se conhece exatamente a frequência destas interações e nem como podem influenciar na intensidade de ciclones em geral. Este trabalho tem como objetivo geral estudar como os altos níveis da atmosfera afetam o desenvolvimento de ciclones em superfície na América do Sul e Oceano Atlântico Sul, utilizando o conceito de vorticidade potencial (VP). Através de dados de ciclones rastreados em superfície e VP em 300 hPa desenvolveu-se um algoritmo que associa automaticamente os ciclones em superfície com anomalias de vorticidade potencial (AVP). Para o período 1998-2003, fez-se então a separação dos ciclones em associados (AAVP) e não-associados (NAVP) a AVP. De forma geral, observou-se que a maior parte dos ciclones AAVP concentra-se na região oceânica extratropical e os NAVP preferencialmente na região continental próximo de 30°S e em latitudes subtropicais. Para todo o período analisado, o número total de ciclones AAVP (55%) superou o número de NAVP (45%), sendo o ano de 2002 o único que apresentou número maior de eventos NAVP. Quanto à distribuição sazonal, os ciclones AAVP são mais frequentes nos meses de inverno e primavera, enquanto que os NAVP nos meses de verão. O tempo de vida dos NAVP é menor que dos AAVP, além de possuírem menor intensidade (de acordo com a pressão central média). Além destes fatores, a distância percorrida e a velocidade médias dos ciclones NAVP são menores do que dos AAVP. As composições dos campos sinóticos mostram que nos eventos NAVP, independente da estação do ano, a troposfera é mais quente que nos AAVP. Nos NAVP a forçante térmica é essencial para a formação do ciclone, enquanto que nos AAVP a AVP induz vorticidade ciclônica primeiro em altos níveis, que então se propaga para baixos níveis. Através da análise dos campos sinóticos, notou-se maior baroclinia nos casos NAVP, pois tanto os cavados em altos e médios níveis quanto a corrente de jato permanecem favorecendo o desenvolvimento do ciclone em superfície, enquanto que nos AAVP o centro do ciclone em superfície está verticalmente quase alinhado ao cavado. Centros de vorticidade relativa ciclônica em 500 hPa desprendem-se do escoamento de oeste em todas as estações para os casos AAVP, porém, no verão, isto também é visto nos NAVP. / The process of troposphere-stratosphere interaction has influence and is very important on surface cyclogenesis. However, the frequency of these interactions and how they influence the intensity of cyclones is not known exactly. The main objective of this work is to study how the upper levels affect the development of surface cyclones in South America and South Atlantic Ocean using the concept of potential vorticity (PV). Cyclone tracking data and 300 hPa PV were used to develop an algorithm that automatically associates the surface cyclones with potential vorticity anomaly (PVA). For the period 1998-2003, the cyclones were separated as associated (APVA) and non-associated (NPVA) with PVA. In general, it was observed that most of the APVA cyclone was concentrated in extratropical oceanic region, while NPVA cyclones form over the continent preferably around 30°S and subtropics. The total number of APVA cyclones (55%) exceeds the number of NPVA (45%), except for 2002. In regard to seasonal distribution, the APVA cyclones are more frequent in winter and spring months while NPVA in summer months. The lifetime of NPVA cyclones is shorter and they are less intense than APVA (according to the average central pressure). In addition to these factors, the mean traveled distance and mean velocity are smaller in the NPVA than in APVA. The composites of the synoptic fields show that in NPVA events, regardless of the season, the troposphere is warmer than in APVA. In NPVA cases the thermal forcing is essential to the cyclogenesis, while in the APVA the cyclonic vorticity induced by PVA at upper levels propagating to low levels is more important. The NPVA cases present more baroclinic characteristics which the upper and mid-level troughs accompanied by the jet stream favoring the surface cyclone development, whereas in the APVA the surface cyclone center remains almost vertically aligned with these troughs. For APVA cases, the centers of cyclonic vorticity at 500 hPa detach from westerly flow in all seasons however in summer this is also seen in NPVA.

Les objectifs de cette thèse sont d'analyser l'influence des processus humides sur les dépressions des moyennes latitudes en s'intéressant plus particulièrement aux déplacements des dépressions et à la formation des vents forts près de la surface. Ces recherches ont été effectuées à l'aide de simulations idéalisées du modèle de méso-échelle Méso-NH. La première étude s'est focalisée sur l'effet des processus humides sur le déplacement des dépressions dans la direction perpendiculaire à l'axe du courant-jet, c'est à dire principalement le déplacement vers les pôles. Le mécanisme expliquant ce déplacement est dû à l'advection non-linéaire de la dépression de surface par les anomalies cyclonique et anticyclonique d'altitude se trouvant de part et d'autre de la dépression de surface. En présence d'humidité, l'anomalie anticyclonique d'altitude se renforce du fait du dégagement de chaleur latente dans les zones d'ascendances, et ainsi le déplacement perpendiculairement à l'axe du jet et vers les pôles s'accélère. On montre aussi que le déplacement vers l'est des dépressions s'accélère en incluant les processus humides. La seconde étude porte sur la formation des vents forts près de la surface et notamment sur ce qu'on appelle les "sting jets". Les "sting jets" sont des jets dont les masses d'air associées descendent rapidement du milieu de la troposphère au niveau de la tête du nuage jusqu'au sommet de la couche limite et peuvent déclencher des vents dévastateurs en surface. Ceux-ci se forment lorsque le front chaud se déplace à l'arrière de la dépression et qu'une fracture frontale apparaît. Les simulations montrent que, lorsqu'une dépression traverse l'axe du courant-jet de son côté chaud à son côté froid, le retour en arrière du front chaud se produit tandis qu'une dépression naissant côté froid du courant-jet possède un front chaud beaucoup moins actif. Ainsi, la formation d'un " sting jet " n'apparaît que dans le premier cas , moyennant une résolution verticale élevée. C'est la présence d'un forçage géostrophique dans un environnement neutre vis-à-vis de l'instabilité symétrique qui facilite la descente des masses d'air et la formation du " sting jet ". / The objective of this thesis is to analyze the influence of moist processes on mid-latitude cyclones, and specifically the tracks of cyclones and the formation of strong winds near the surface. These researches have been made using idealized simulations of the mesoscale model Méso-NH. The first study focused on the effects of moist processes on the motion perpendicularly to the zonal jet axis, poleward. The main mechanism explaining this motion involves the nonlinear advection of the surface cyclone by the upper-level cyclonic and anticyclonic perturbations located on both sides of the surface cyclone. In the presence of humidity, the upper-level anticyclonic anomaly strengthens due to the latent heat release in the ascent zones, and the poleward motion is reinforced. The eastward motion of the cyclone is also reinforced with the inclusion of moist processes. The second study focuses on the formation of near-surface strong winds which are triggered by the so-called " sting-jets ". These jets correspond to descending air masses from the mid-troposphere near the cloud head down to the top of the boundary layer, and can trigger devastating surface winds. In the case where synoptic perturbations are initialized south of the baroclinic zonal jet, the bent-back warm front phase occurs, whereas when they are initialized on the zonal jet axis, the surface cyclone has a less active warm front. Thus, the formation of a sting-jet only occurs in the first case, and with a high vertical resolution. It is the geostrophic forcing in a globally neutral environment relative to conditional symmetric instability which facilitates the airstreams descent and the formation of the sting-jet.

L’évolution libre des fluides géostrophiques turbulents bidimensionnels fait apparaitre des tourbillons présentant une grande cohérence spatio-temporelle. Les écoulements atmosphériques tridimensionnels présentent également ce genre de structures cohérentes, notamment dans les champs de tourbillon potentiel. Certains aspects de la cyclogenèse semblent gouvernés, ou très sensibles, à la position et à l’intensité de ces anomalies. Les images des satellites géostationnaires permettent par ailleurs de visualiser les signatures de ces phénomènes, appelées intrusions sèches. Une première partie du travail adapte des outils de traitement d’image à la détection et au suivi des intrusions sèches sur les images vapeur d’eau. On utilise une approche basée sur des multi-seuillages et le suivi automatisé de structures (logiciel RDT). Le développement de caractéristiques supplémentaires s’avère nécessaire afin de sélectionner les intrusions associées à des événements dynamiques importants. L’une d’entre elles utilise l’information sur le courant-jet à partir de vents d’altitude de l’ébauche. Un deuxième volet s’applique à dégager une méthodologie de correction des structures en tourbillon potentiel à partir de ces informations. L’assimilation de données conventionnelle ne permet pas d’initialiser spécifiquement les structures. Nous décrivons les méthodes alternatives et étudions les possibilités, et limitations, d’une méthodologie basée sur l’assimilation de pseudo-observations. Cela débouche en particulier sur une version renouvelée de la relation entre vapeur d’eau et tourbillon potentiel. Les outils développés sont appliqués à la prévision de la tempête des Landes (2006). L’utilisation de données de concentration d’ozone est finalement évoquée comme une méthode alternative d’initialisation du tourbillon potentiel à la tropopause / Isolated vortices have been shown to emerge in two-dimensional and geostrophic turbulent flows. Coherent structures are apparent in three-dimensional atmospheric flows as well, and may share the property to determine the non-linear evolution and the predictability of the flow. Potential vorticity anomalies have indeed been shown to be of primary importance for cyclogenesis of mid-latitude storms. Their signature can be detected in satellite water vapour images and are known as dry intrusions. The first part of this work proceeds the tracking of dry intrusions on images. We use image processing tools based on thresholding algorithm, and develop additional filters to select relevant cells. One of this filters uses dynamical information on the jet from the background upper-level wind. We highlight the fact that conventional data assimilation does not handle coherent structures, and describe alternative procedures. We focus then on the assimilation of bogussed potential vorticity observations. This leads to a new vision of the relationship between water vapour and potential vorticity. The case study of the storms that has affected the Landes region in 2006 is then presented. We finally pinpoint ozone data as an alternative way to improve the initialization of upper-level potential vorticity

S'han estudiat diverses ciclogènesis mediterrànies mitjançant el model atmosfèric MM5,la inversió de vorticitat potencial per peces i la tècnica de la separació de factors. Elsresultats mostren com a agents per a una ciclogènesi intensa: anomalia a nivells alts;confrontació de masses d'aire càlides i fredes a nivells baixos, desenvolupament baroclí;processos diabàtics; el mar; efectes topogràfics; baixa tèrmica; fluxes de calor superficials i les condicions atmosfèriques de l'entorn.S'ha verificat el comportament quasi-tropical dels medicans, com a mescla de la interaciómar-aire i l'existència d'una anomalia de nivells alts, amb una evolució diferent a la delshuracans. S'ha observat l'impacte en les simulacions de medicanes d'assimilar informacióde satèl·lit i de descàrregues elèctriques. S'han desenvolupat millores o nous usos d'algunestècniques emprades: quantificació energètica de la modificació derivada de la inversióde vorticitat potencial, l'ús lagrangià de la separació de factors, modificacions a parts delMM5.