Circulation aspects, dynamical mechanisms, and the predictability of summer heatwaves over Iraq

AL-Shamarti, Hasanain (2025): Circulation aspects, dynamical mechanisms, and the predictability of summer heatwaves over Iraq. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Heatwaves are responsible for increased mortality, heightened energy demand, economic disruption, and other serious societal impacts. While heatwave events are a global concern, those affecting the Middle East, particularly Iraq, have received relatively little scientific attention. Understanding the dynamics and predictability of extreme summer heatwaves over Iraq presents a significant challenge due to the region’s persistently high background temperatures and limited day-to-day variability. This thesis employs a comprehensive dynamical framework to identify the large-scale and regional drivers of heatwaves, classify their dominant circulation patterns, and evaluate their representation in Subseasonal to Seasonal (S2S) forecast models. The analysis emphasizes the complex interactions between midlatitude and tropical systems, Iraq’s topographic complexity, and their combined role in shaping extreme temperature events over the region. Using ERA5 reanalysis, heatwave events were found to be associated with the attenuation of the low-level jet (Shamal winds), which is maintained by strong pressure gradients between regional high- and low-pressure systems and shaped by the Zagros Mountains. Most of these events were linked to Rossby wave activity, which disrupts these pressure patterns. Additionally, the upper-level high-pressure systems embedded within these waves can enhance down-slope (Foehn-like) winds on the leeward side of the Zagros Mountains, contributing to localized surface warming. The UNprecedented Simulated Extremes using ENsembles (UNSEEN) approach, which utilizes the large number of possible atmospheric evolutions generated by ensemble forecasts, facilitates the identification of numerous potential heatwave events. By investigating atmospheric chaos in S2S data, this approach further confirms the association between heatwaves and Rossby wave activity. It highlights that while baroclinic Rossby wave trains are often linked to heatwaves by disturbing the local pressure systems driving the Shamal winds, more barotropic configurations intensify surface temperatures through stronger subsidence and increased solar irradiation. In some cases, these barotropic patterns also strengthen the Shamal wind, advecting warmer air into the region and further reinforcing heatwave conditions. The UNSEEN analysis also identifies a tropical influence: the Indian summer monsoon (ISM) can indirectly modify upper-level flow and regional pressure gradients across the Middle East, reducing the cooling influence of the Shamal winds. Although ISM-related heatwave events are less common than those driven by Rossby wave activity, they still contribute significantly to extreme temperature episodes by altering the regional circulation and thermodynamic structure. This thesis evaluates the representation of heatwave drivers in S2S models. Results show that events associated with large-scale circulation features, particularly Rossby waves, are predicted with moderate skill at extended lead times. The findings highlight the need to improve the representation of mesoscale and smaller-scale processes and their interaction with large-scale circulation in order to enhance heatwave forecasts in Iraq and the broader Middle East.

Abstract

Hitzewellen sind verantwortlich für erhöhte Sterblichkeit, gesteigerten Energiebedarf, wirtschaftliche Störungen und andere gravierende gesellschaftliche Auswirkungen. Während Hitzewellen ein globales Problem darstellen, haben Ereignisse im Nahen Osten, insbesondere im Irak, bisher relativ wenig wissenschaftliche Aufmerksamkeit erhalten. Das Verständnis der Dynamik und Vorhersagbarkeit extremer Sommerhitzewellen im Irak stellt aufgrund der dauerhaft hohen Hintergrundtemperaturen und der geringen tageszeitlichen Variabilität der Region eine besondere Herausforderung dar. Diese Arbeit verwendet einen umfassenden dynamischen Rahmen, um die großräumigen und regionalen Treiber von Hitzewellen zu identifizieren, ihre dominanten Zirkulationsmuster zu klassifizieren und ihre Abbildung in Subseasonal-to-Seasonal-(S2S)-Vorhersagemodellen zu bewerten. Die Analyse betont die komplexen Wechselwirkungen zwischen außertropischen und tropischen Systemen, der topografischen Komplexität des Irak und deren kombinierter Rolle bei der Entstehung extremer Temperaturereignisse in der Region. Unter Verwendung der ERA5-Reanalyse wurde festgestellt, dass Hitzewellenereignisse mit einer Abschwächung des bodennahen Jets (Shamal-Winde) verbunden sind, der durch starke Druckgradienten zwischen regionalen Hoch- und Tiefdrucksystemen aufrechterhalten und durch das Zagros-Gebirge geformt wird. Die meisten dieser Ereignisse stehen im Zusammenhang mit Rossby-Wellen-Aktivität, die diese Druckmuster stört. Darüber hinaus können die in diese Wellen eingebetteten Hochdrucksysteme in höheren Atmosphärenschichten abwärts\-gerichtete (Föhn-ähnliche) Winde auf der Leeseite der Zagros-Berge verstärken und so zu einer lokalen Erwärmung der Oberfläche beitragen. Der Ansatz 'UNprecedented Simulated Extremes using ENsembles' (UNSEEN), der die große Anzahl möglicher atmosphärischer Entwicklungen aus Ensemblevorhersagen nutzt, ermöglicht die Identifizierung zahlreicher potenzieller Hitzewellenereignisse. Durch die Untersuchung atmosphärischen Chaos in S2S-Daten bestätigt dieser Ansatz zusätzlich die Verbindung zwischen Hitzewellen und Rossby-Wellen-Aktivität. Er zeigt, dass barokline Rossby-Wellenzüge oft mit Hitzewellen in Verbindung stehen, indem sie lokale Drucksysteme stören, die die Shamal-Winde antreiben, während barotrope Konfigurationen die Oberflächentemperaturen durch stärkere Subsidenz und erhöhte Sonneneinstrahlung intensivieren. In einigen Fällen verstärken diese barotropen Muster auch die Shamal-Winde, indem sie wärmere Luft in die Region transportieren und die Hitzewellenbedingungen weiter verstärken. Die UNSEEN-Analyse identifiziert zudem einen tropischen Einfluss: Der indische Sommermonsun (ISM) kann indirekt den Strömungsverlauf in höheren Atmosphärenschichten und regionale Druckgradienten im Nahen Osten verändern und dadurch die kühlende Wirkung der Shamal-Winde reduzieren. Obwohl Hitzewellenereignisse, die mit dem ISM zusammenhängen, seltener sind als solche, die durch Rossby-Wellen-Aktivität verursacht werden, tragen sie dennoch wesentlich zu extremen Temperaturepisoden bei, indem sie die regionale Zirkulation und thermodynamische Struktur verändern. Diese Arbeit bewertet die Abbildung der Hitzewellentreiber in S2S-Modellen. Die Ergebnisse zeigen, dass Ereignisse, die mit großräumigen Zirkulationsmustern, insbesondere Rossby-Wellen, verbunden sind, über längere Vorhersagezeiträume mit moderater Genauigkeit prognostiziert werden. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, die Abbildung mesoskaliger und kleinerer Prozesse sowie deren Wechselwirkung mit der großräumigen Zirkulation zu verbessern, um die Vorhersage von Hitzewellen im Irak und im weiteren Nahen Osten zu optimieren.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Heatwave, Rossby Wave, Low Level Jet, Shamal winds, Iraq
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 14. November 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Birner, Thomas