Medicanes are a rare and physically unique type of Mediterranean cyclone. They show similarities with tropical cyclones with regard to their development (based on the thermodynamical disequilibrium between the warm sea and the overlying troposphere) and the kinematic and thermodynamical properties (medicanes are intense vortices with a warm core and even a cloud-free-eye). Although medicanes are smaller and the characteristic wind speeds are lower, the severity of the winds can cause substantial damage on islands and coastal areas. The special characteristics of medicanes make their detection di cult: only with high resolution meteorological analyses and dense maritime observations that task would be possible. For this reason, an alternative method using satellite images and restricted criteria about the disturbance symmetry, size and lifespan, has been applied leading to the detection of 12 medicanes from 1982 to 2003. To improve the medicane forecast capability or even to assess the potential risk of these storms in future climates, it is necessary to characterize the special conditions of the synoptic-scale meteorological environments that are needed for their development and maintenance. By comparing these environments against the bulk of intense Mediterranean cyclonic situations, high values of mid-tropospheric relative humidity, signi cant diabatic contribution to the surface level equivalent potential temperature tendency, and low values of tropospheric wind shear, are revealed as important parameters involved in medicane genesis, as in tropical cyclones. An empirical genesis index previously derived for the tropical regions is also tested in this thesis, and it is revealed as a possible discriminative parameter of the precursor environments. Despite their small size, mesoscale runs of medicane situations at moderate horizontal resolutions (7.5 km) made with MM5 are able to simulate the formation of a subsynoptic cyclone and the general trajectory of the disturbance, and for most of the cases a warm-core axi-symmetrical structure becomes evident in the simulations. In addition, a sensitivity analysis examining the role of the sea surface heat uxes is conducted: latent and sensible heat uxes from the Mediterranean are switched o during the simulations to explore the e ects of these factors on the medicane trajectories and deepening rate. Results show di erent roles of the surface heat uxes on medicane properties (intensi cation and track) depending on their magnitude and spatial distribution over the Mediterranean Sea. In this way, three distinct evolution patterns have been identi ed using the database of twelve events. In the context of the growing concern about how climate change will a ect the number and intensity of hurricanes, two di erent analysis for medicanes have been conducted in this thesis: an oriented dynamical downscaling and a direct detection of storms in a high-resolution global climate model. On one hand, the oriented dynamical downscaling consists in projecting the previous empirical genesis index into four di erent global climate models, with spatial resolutions about 200 km, and analyze (simulate) just the areas with elevated medicane risk values. On the other hand, an independent study using a direct detection and tracking of warm-core cyclones is applied to a high resolution global climate model (spatial resolution about 25 km). Both methods predict a decreasing trend in medicane occurrence, and indicate the south-east of Italy and the Gulf of Lion as the areas with higher probability of medicane development in future scenarios. With regard to future changes in medicane intensity, there seems to be signs of an enhanced risk of violent storms. / Els medicanes són un tipus de cicló poc freqüent, i amb certes particularitats, que es dóna al Mediterrani. Els medicanes tenen similituds amb els ciclons tropicals referents al seu desenvolupament (basat en el desequilibri termodinàmic entre mar-atmosfera) i les propietats cinemàtiques i termodinàmiques (els medicanes són vòrtexs intensos amb nucli càlid i, algunes vegades, ns i tot poden tenir un ull lliure de núvols). Malgrat els medicanes són més petits i els seus vents associats són més febles que als ciclons tropicals, la força dels seus vents poden causar importants danys a illes i zones costeres. Les característiques especials dels medicanes fan que la seva detecció sia difícil: sols disposant de dades d'anàlisi meteorològiques a molta alta resolució i una xarxa densa d'observacions marítimes, aquesta tasca es podria dur a terme. Per aquest motiu, en aquesta tesi s'ha utilitzat un mètode alternatiu utilitzant imatges de satèl ·lit i aplicant criteris restrictius basats en la simetria de la pertorbació, la mida i la durada. D'aquesta manera s'han detectat 12 medicanes durant el període comprès des de 1982 a 2003. Una bona caracterització dels ambients meteorològics precursors dels medicanes ens pot ajudar a entendre els mecanismes de gènesi i millorar les prediccions. En aquesta tesi es comparen els valors de diverses variables meteorològiques d'interès en els medicanes amb els ambients d'altres ciclons intensos sobre la Mediterrània. En aquest sentit, valors elevats de la humitat relativa a nivells mitjos, la contribució diabàtica a la tendència local de temperatura potencial equivalent super cial, i valors baixos de la cisalla de vent entre nivells baixos i alts, pareixen paràmetres importants relacionats amb la gènesi dels medicanes, com també ho són dels ciclons tropicals. Un índex empíric de gènesi, provinent d'estudis sobre les regions tropicals, també ha estat avaluat en aquesta tesi i es presenta com un possible paràmetre discriminant dels ambients precursors. Malgrat la mida petita dels medicanes, s'ha comprovat que simulacions amb l'MM5 amb resolucions espacials de 7.5 km poden representar la formació de ciclons subsinòptics i les seves trajectòries, i per a la majoria dels casos també l'estructura simètrica amb nucli càlid. A més, s'ha realitzat una anàlisi de sensitivitat examinant el paper dels uxos de calor en la superfície de la mar: s'han desactivat l'intercanvi de calor latent i sensible sobre la Mediterrània durant les simulacions per estudiar els efectes d'aquests factors sobre les trajectòries i la intensi cació dels medicanes. Els resultats mostren tres patrons de comportament diferents sobre aquestes propietats dels medicanes identi cats prèviament, depenent de la magnitud i la distribució espacial dels uxos. En relació a la creixent preocupació sobre com afectarà el canvi climàtic a la freqüència i intensitat dels huracans, s'han realitzat dues anàlisis independents referent als medicanes: regionalitzacions dinàmiques de manera dirigida, i detecció directa sobre un model climàtic global a alta resolució. Per una part, les regionalitzacions dinàmiques consisteixen en determinar les zones d'alt risc mitjançant l'índex empíric descrit anteriorment i simular sols aquests ambients amb un model de mesoscala (aquest es força amb quatre models climàtics globals de resolucions espacials de l'ordre de 200 km). Per altra part, la detecció directa es realitza sobre un model climàtic global a una resolució aproximada de 25 km. En ambdós casos, els resultats mostren una reducció en la freqüència dels medicanes i assenyalen el sud-est d'Itàlia i el golf de Lleó com les zones amb major probabilitat de desenvolupament de medicanes en escenaris de clima futur. Referent als canvis d'intensitat en el futur, pareix que hi ha indicis d'augment del risc de tempestes violentes.

This thesis aims at quantitatively characterizing the recent (last few decades) and future climate variability of marine climate in the Western Mediterranean Sea and the North Atlantic Ocean. Namely it focuses on sea level and wind-waves, as these are the variables with a larger potential impact on coastal ecosystems and infrastructures. We first use buoy and altimetry data to calibrate a 50-year wind-wave hindcast over the Western Mediterranean in order to obtain the best characterization of the wave climate over that region. The minimization of the differences with respect to observations through a non-linear transformation of the Empirical Orthogonal Functions of the modelled fields results in an improvement of the hindcast, according to a validation test carried out with independent observations. We then focus on the relationship between the large scale atmospheric forcing and our target variables. Namely we quantify and explore the cause-effect relations between the major modes of atmospheric variability over the North Atlantic and Europe, i.e. the North Atlantic Oscillation, the East Atlantic pattern, the East Atlantic Western Russian pattern and the Scandinavian pattern, and both the Mediterranean sea level and the North Atlantic wave climate. To do so, we use data from different sets of observations and numerical models, including tide gauges, wave buoys, altimetry, hydrography and numerical simulations. Our results point to the North Atlantic Oscillation as the mode with the largest impact on both, Mediterranean sea level (due to the local and remote influence on its atmospheric component) and the North Atlantic wave climate (due to its effect on both the wind-sea and swell components). Other climate indices have smaller but still meaningful contributions; e.g. the East Atlantic pattern plays a significant role in the wave climate variability through its impact on the swell component. Finally, we explore the performance of statistical models to project the future wave climate over the North Atlantic under global warming scenarios, including the large scale climate modes as predictors together with other variables such as atmospheric pressure and wind speed. Notably, we highlight that the use of wind speed as statistical predictor is essential to reproduce the dynamically projected long-term trends. / Esta tesis caracteriza cuantitativamente la variabilidad climática reciente (las últimas décadas) y futura del clima marino en el Mar Mediterráneo y en el Océano Atlántico Norte. Concretamente, se centra en el nivel del mar y en el oleaje, ya que éstas son las variables con un mayor impacto potencial en ecosistemas e infraestructuras costeras. En primer lugar, utilizamos datos de boyas y altimetría para calibrar un hindcast de oleaje de 50 años en el Mediterráneo Occidental, con el objetivo de obtener la mejor caracterización climática del oleaje sobre esta región. La minimización de las diferencias con respecto a las observaciones a través de una transformación no lineal de las Funciones Empíricas Ortogonales de los campos modelados se traduce en una mejora del hindcast, de acuerdo al test de validación llevado a cabo con observaciones independientes. Luego nos centramos en las relaciones entre el forzamiento atmosférico de gran escala y nuestras variables de interés. En concreto, cuantificamos y exploramos las relaciones causa-efecto entre los modos de variabilidad atmosférica más importantes del Atlántico Norte y Europa (la Oscilación del Atlántico Norte, el patrón del Atlántico Oriental, el patrón del Atlántico Oriental/Rusia Occidental y el patrón Escandinavo) y el nivel del mar del Mediterráneo y el oleaje del Atlántico Norte. Para ello, usamos datos de diferentes conjuntos de observaciones y modelos numéricos, incluyendo mareógrafos, boyas de oleaje, altimetría, hidrografía y simulaciones numéricas. Nuestros resultados señalan la Oscilación del Atlántico Norte como el modo de mayor impacto, tanto en el nivel del mar del Mediterráneo (debido a la influencia local y remota en su componente atmosférica) como en el oleaje del Atlántico Norte (debido a su efecto en las componentes de mar de viento y de mar de fondo). Otros índices climáticos tienen contribuciones más pequeñas pero todavía significativas; e.g. el patrón del Atlántico Oriental juega un papel importante en la variabilidad del oleaje a través de su impacto en la componente de mar de fondo. Finalmente, exploramos la capacidad de los modelos estadísticos de proyectar el clima futuro del oleaje sobre el Atlántico Norte bajo escenarios de calentamiento global, incluyendo los modos climáticos de gran escala como predictores junto con otras variables como la presión atmosférica y la velocidad del viento. En particular, destacamos que el uso de la velocidad del viento como predictor estadístico es esencial para reproducir las tendencias a largo plazo proyectadas de por los modelos dinámicos.

Esta tesis explora la precisión de dos métodos de estimación de precipitación, Auto-Estimator y CRR (Convective Rainfall Rate), generados a partir de imágenes infrarrojas y visibles del Meteosat. Ambos métodos junto con una serie de correcciones de la intensidad de lluvia estimada se aplican y se verifican en dos casos de inundaciones acaecidas en zonas mediterráneas. El primer caso ocurrió en Albania del 21 al 23 de septiembre de 2002 y el segundo, conocido como caso Montserrat, ocurrió en Cataluña la noche del 9 al 10 se junio de 2000. Por otro lado se investiga la posibilidad de realizar calibraciones de ambos métodos directamente con datos de estaciones pluviométricas cuando lo común es calibrar con datos de radares meteorológicos. También se propone cambios en algunas de las correcciones ya que parecen mejorar los resultados y se propone una nueva corrección muy eficiente que utiliza las descargas eléctricas para determinar la zonas más convectivas y de mayor precipitación de los sistemas nubosos. / This Thesis work explores the precision of two methods to estimate rainfall called Auto-Estimator and CRR (Convective Rainfall Rate). They are obtained by using infrared and visible images from Meteosat. Both Algorithms within a set of correction factors are applied and verified in two severe flood cases that took place in Mediterranean regions. The first case has occurred in Albania from 21 to 23 September 2002 and the second, known as the Montserrat case, has occurred in Catalonia the night from the 9 to 10 of June 2000. On the other hand it is explored new methods to perform calibrations to both satellite algorithms using direct rain rates from rain gauges. These kinds of adjustments are usually done using rain rates from meteorological radars. In addition it is proposed changes on some correction factors that seem to improve the results on estimations and it is defined an efficient correction factor that employ electrical discharges to detect the most convective and rainy areas in cloud systems.

La capa límit atmosfèrica és l'àrea directament influenciada per la presència de la superfície de la terra i la seva alçada és d'uns centenars de metres a uns pocs quilòmetres. Durant el vespre, el refredament radiatiu estratifica establement l'aire prop del sòl i es forma el que es coneix com a Capa Límit Estable (CLE). D'avui en dia, la CLE és un règim que encara no està prou ben caracteritzat. La turbulència, que no és homogènia ni isòtropa, i la gran importància dels efectes locals com l'orografia, entre d'altres factors, dificulten l'estudi d'aquest règim. Per aquest motiu, la CLE és objecte d'especial atenció, sobretot a l'hora de millorar la seva representació en models tant de temps com de clima.Aquest treball es centra en l'estudi de la CLE mitjançant 3 eines diferents: 1) simulacions explícites de grans remolins (més conegudes com a simulacions LES), per determinar el comportament dels moviments turbulents, on les resolucions són de l'ordre de metres; 2) simulacions mesoscalars, per caracteritzar els efectes locals, on les resolucions són de l'ordre de kilòmetres; 3) anàlisi de les observacions sota aquestes condicions per tal de caracteritzar i entendre millor els fenòmens observats.En primer lloc s'estudia el rang d'estabilitats a on el model LES, que considera la teoria de Kolmogorov per la dissipació de l'energia, funciona correctament. Els resultats del model són realistes tal com mostra la seva comparació amb les mesures de dues campanyes experimentals (SABLES-98 i CASES-99). Per explorar més a fons els resultats LES i per comparar-los amb les mesures s'han utilitzat les Funcions de Distribució de Probabilitat (PDF). Aquests resultats LES són també comparables als obtinguts amb altres models LES, tal com mostra la intercomparació de models LES, més coneguda com a GABLS.Un cop desenvolupades totes les eines necessàries es fa un LES d'un cas més realista, basat en les observacions d'un màxim de vent de capes baixes (més conegut com a Low-Level Jet, LLJ). L'anàlisi combinat dels resultats LES i les mesures permet entendre millor els processos de barreja que tenen lloc a través de la inversió. Finalment, la contribució dels efectes locals s'estudia mitjançant les simulacions mesoscalars, en aquest cas centrades a l'illa de Mallorca. Durant el vespre es veu com les circulacions locals es desenvolupen a les conques (de longitud al voltant de 25km), formant-se, per exemple, vents catabàtics o LLJ com l'estudiat anteriorment. En aquest cas les simulacions es verifiquen amb imatges de satèl·lit NOAA i observacions de les estacions automàtiques de mesures, donant resultats semblants. / The atmospheric boundary layer is the area directly influenced by the presence of the Earth's surface and its height is from hundreds of meters to few kilometres. During the night, the radiative cooling stratifies the layer close to the surface and it forms the Stably-stratified Atmospheric Boundary Layer (SBL). Nowadays, the SBL is a regime not well enough characterized, yet. Turbulence, which is not homogeneous either isotropic, and the great importance of the local effects, like the orography, among other factors, make the SBL be a difficult regime to study. Even so, the SBL is an object of special attention, especially when improving its representation in numerical prediction models or climate models.This work focuses on the study of the SBL through 3 different tools: 1) Large-Eddy Simulations (LES), to determine the turbulent motions, where the resolutions are about 1m; 2) Mesoscale simulations, to characterize the local effects, where resolutions are about 1km; 3) Analysis of the observations under these conditions in order to better characterize and understand the observed phenomena.In first place, it is studied the range of stabilities where the LES model, that considers the Kolmogorov theory for the dissipation of the energy, works correctly. The results are realistic as the comparison with measures from two experimental campaigns (SABLES-98 and CASES-99) shows. To explore the results more thoroughly, and to compare the LES results to the measurements, the Probability Density Functions (PDF) have been used. The LES results are also comparable to the ones obtained with other LES models, as the intercomparison of different LES models show, better known as GABLS.Then, a more realistic case is performed using the LES model, based on observations of a Low-Level Jet (LLJ). The combined inspection of the LES results and the observations allow to better understand the mixing processes that take place through the inversion layer. Finally, the contribution of the local effects is studied through a mesoscale simulation. Here the attention is focused on the Mallorca Island. During the night, the model is able to reproduce the local circulations is a basin of a characteristic size of 25km. The main features obtained previously from the LES of the LLJ are also reproduced by the mesoscale model. These runs are verified with NOAA satellite images and observations from the automatic surface weather stations, giving that the model is able to reproduce realistic results.

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.

L'objectiu principal d'aquesta tesi és millorar l'actual capacitat de predicció de fenòmens meteorològics de pluja intensa potencialment perillosos a la Mediterrània occidental. Es desenvolupen i verifiquen tres sistemes de predicció per conjunts (SPC) que tenen en compte incerteses presents en els models numèrics i en les condicions inicials. Per generar els SPC s'utilitza la connexió entre les estructures de vorticitat potencial (VP) i els ciclons, a més de diferents esquemes de parametrització física. Es mostra que els SPC proporcionen una predicció més hàbil que la determinista. Els SPC generats pertorbant les condicions inicials han obtingut millor puntuació en verificacions estadístiques. Els resultats d'aquesta tesi mostren la utilitat i la idoneïtat dels mètodes de predicció basats en la pertorbació d'estructures de VP de nivells alts, precursors de les situacions ciclòniques. Els resultats i estratègies presentats pretenen ser un punt de partida per a futurs estudis que facin ús d'aquests mètodes. / The main goal of this thesis is to improve the current prediction skill of potentially hazardous heavy precipitation weather events in the western Mediterranean region. We develop and test three different ensemble prediction systems (EPSs) that account for uncertainties present in both the numerical models and the initial conditions. To generate the EPSs we take advantage of the connection between potential vorticity (PV) structures and cyclones, and use different physical parameterization schemes. We obtain an improvement in forecast skill when using an EPS compared to a determinist forecast. The EPSs generated perturbing the initial conditions perform better in the statistical verification scores. The results of this Thesis show the utility and suitability of forecasting methods based on perturbing the upper-level precursor PV structures present in cyclonic situations. The results and strategies here discussed aim to be a basis for future studies making use of these methods.