CHILE. Piero Mardones Bascuñan. Fecha: 3 de Julio de 2015 Profesor: Aldo Montecinos Gula. Resumen

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1 UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN FAC. DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE GEOFÍSICA TÓPICO I: VARIABILIDAD DEL VIENTO EN CONCEPCIÓN Y SU RELACIÓN CON EL ACTUAL ENFRIAMIENTO EN LA COSTA DE CHILE Piero Mardones Bascuñan Fecha: 3 de Julio de 2015 Profesor: Aldo Montecinos Gula Resumen Determinar la distribución espacial del calentamiento global ha sido complejo. Los estudios más recientes han determinado un enfriamiento en la costa de Chile, de 0.2 C por década aproximadamente. Este enfriamiento ha sido atribuido a un patrón de gran escala, ENSO-like, y a la intensificación del anticiclón del Pacífico Sur. En este estudio se asocia el enfriamiento a una oscilación de escala interdecadal, la Interdecadal Pacific Oscillation, cuya tendencia hacia una fase fría es consistente con el enfriamiento en la costa de Chile. Las distintas correlaciones entre variables como la temperatura superficial del mar, presión a nivel del mar, y viento meridional, indican que esta oscilación parece manifestarse más durante el invierno. Uno de los posibles mecanismos que puede explicar este enfriamiento es el ascenso de aguas más profundas y frías debido a surgencia costera, producto del viento. Finalmente, se muestra que existe cierta relación entre el viento y un enfriamiento, pero no necesariamente una relación de causalidad. 1

2 INFORME TÓPICO I 1. Introducción Dentro de la comunidad científica es aceptado como un hecho, que la media global de temperatura se ha incrementado durante las últimas décadas, fenómeno al cuál denominamos Calentamiento Global, el cuál es atribuido principalmente a las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero. La distribución espacial de este calentamiento es compleja, por lo que es necesario para nosotros como geofísicos, analizar exhaustivamente este patrón espacial, análisis que es realizado para la zona del Pacífico Sur-oriental y a lo largo de la costa oeste subtropical de Sudamérica (Chile Continental), en Falvey, M. and R. Garreaud, En este estudio caracterizan el patrón espacial, incluyendo la estructura vertical, de tendencias de temperatura en esta zona, para el periodo de y examinan su consistencia con pronósticos basados en el conjunto CMIP-3 de simulaciones acopladas del océano y la atmósfera para finales del siglo XX. En el norte y centro de Chile (17-37 S) la característica más notable es un fuerte contraste entre un enfriamiento de la superficie en las estaciones costeras (-0.2 C/década), y un calentamiento en Los Andes (+0.25 C/década), solo [km] hacia el interior. Es justamente este enfriamiento en las costas de Chile, que va en contra de las tendencias globales de aumento de la temperatura y que tampoco es reproducido por los modelos, el que posee una difícil interpretación. Hasta el momento lo que ha sido propuesto, es que este enfriamiento costero parece formar parte de un patrón de gran escala, ENSO-like, y que puede extenderse bajo la capa de mezcla del océano, a profundidades de al menos 500 [m]. Es propuesto también que la actual intensificación del anticiclón del Pacífico Sur durante las décadas recientes, el cuál es también una consecuencia del calentamiento global, desempeñe un papel importante en mantener las temperaturas más frías frente a la costa de Chile. El objetivo de este trabajo entonces, es explorar una de las posibles causas de este fenómeno, el viento, específicamente la componente meridional, que está asociada a eventos de surgencia, lo que podría explicar este enfriamiento costero, y analizar su relación con las variables SST (Sea Surface Temperature) y SLP (Sea Level Pressure). 2. Metodología y Datos 2.1. Zona de Estudio La zona de estudio abarca la grilla comprendida entre 0 a 60 S y 60 O y 180 E, es decir aproximádamente todo el Pacífico Sur, con especial énfasis en la costa frente a Chile. Se cuenta con datos grillados e in-situ, para su análisis entre los años 1968 y La principal variable que se trata en este trabajo es la correlación, entre el viento y los distintos sets de datos. La significancia es calculada utilizando un test de Monte Carlo de dos colas, con 100 experimentos Viento Se utilizaron datos de viento de una estación meteorológica instalada en el aeropuerto Carriel Sur, en Concepción, y también con datos grillados globales. Con los datos de velocidad y dirección del viento de la estación meteorológica, se calculó las componentes meridional y zonal, además se calcularon medias mensuales de estas componentes, debido a la gran cantidad de datos con la que se contaba (cuatro mediciones por día entre , y mediciones cada una hora desde el 2005 en adelante), y debido a que se trabaja con datos grillados mensuales. Se aplicó un análisis espectral a las series de viento, para analizar la variabilidad de éstas. Se analizó el viento meridional por estaciones (Abril-Septiembre y Octubre-Marzo). Se aplicó el método de los mínimos cuadrados para calcular tendencias lineales, y de esta forma visualizar su comportamiento entre Se calculó la correlación de Pearson, entre la medias Abril-Septiembre y Octubre-Marzo de la componente 2

3 2.3 Temperatura INFORME TÓPICO I meridional del viento, y los demás datos de temperatura y presión. Los datos grillados fueron obtenidos del NCEP/NCAR Reanalysis, que cuenta con medias mensuales de la componente meridional y zonal del viento en superficie con una cobertura espacial de 2.5 grados de latitud por 2.5 grados de longitud. Estos datos fueron recortados a la zona y periodo de estudio Temperatura Se utilizaron los datos de temperatura del Extended Reconstructed Sea Surface Temperature versión 4 (ERSSTv4), los cuales corresponden a medias mensuales de SST para todo el planeta con una cobertura espacial de 2.0 grados de latitud por 2.0 grados de longitud. Los datos fueron cortados a la zona y periodo de interés, entre Se calculó la correlación de Pearson, entre estos datos y los datos de viento meridional Abril-Septiembre y Octubre-Marzo entre Presión Los datos de presión provienen NCEP/NCAR Renalysis, y corresponden a medias mensuales de SLP para todo el planeta, con una cobertura espacial de 2.5 grados de latitud por 2.5 grados de longitud. Los datos fueron cortados a la zona y periodo de interés, entre Además se calculó el gradiente meridional y zonal de estos datos, utilizando la función gradient de MATLAB. Se calculó la correlación de Pearson, entre estos datos y los datos de viento meridional Abril-Septiembre y Octubre-Marzo entre Resultados 3.1. Viento en Carriel Sur Las medias mensuales de la componente meridional y zonal del viento en esta estación, pueden ser visualizadas en la Figura (1), junto con su respectivo valor de tendencia. Podemos apreciar que este valor es muy bajo, prácticamente es cero para ambas estaciones. Con el fin de analizar la variabilidad del viento en esta estación meteorológica, se aplicó un análisis espectral de frecuencias, a las componentes meridional y zonal. El espectro puede ser visualizado en la Figura (2), donde observamos claramente como el ciclo anual domina nuestra serie de tiempo, en ambas componentes. Para nuestros fines, fue necesario remover este ciclo anual, restándole a nuestras series una media estacionaria mensual, o climatología, obteniendo anomalías climáticas. Las anomalías y sus respectivas tendencias pueden ser observadas en la Figura (3). Se volvió a aplicar un análisis espectral, ahora a las anomalías, el cuál se encuentra en la Figura (4). De este nuevo espectro, encontramos un máximo de amplitud en la frecuencia correspondiente a un ciclo estacional, por lo que se analizó la evolución de ambas componentes del viento mes a mes. Esto puede ser observado en la Figura (5) para la componente meridional del viento y en la Figura (6) para la componente zonal. Podemos observar en la Figura (5) que la tendencia a largo plazo, pequeña y negativa, claramente no es observada en algunos meses, como Mayo, Junio y Julio, donde encontramos una tendencia positiva, esto sugirió la idea de observar el comportamiento del viento en dos periodos para la componente meridional, uno entre Abril-Septiembre y el otro entre Octubre-Marzo, es decir invierno y verano respectivamente. Esto puede ser observado en la Figura (7). Para la componente zonal observamos en la Figura (6) que la tendencia es siempre negativa en cualquier mes, por lo tanto no se continuó analizando. Volviendo a la Figura (7), podemos observar que ya tenemos tendencias mas significativas, de 0.27 nudos por década durante invierno y de nudos por década durante el verano. Hay que destacar el hecho 3

4 3.1 Viento en Carriel Sur INFORME TÓPICO I que esta tendencia positiva no significa que la magnitud de los vientos que van hacia el norte (asociados a la surgencia) esté aumentando, mas bien nos dice que hay una tendencia a la desaparición de los vientos que van hacia el sur (viento norte). Algo similar ocurre con la componente meridional durante el verano, donde observamos una tendencia negativa de los vientos que van hacia el norte (viento sur), es decir estos vientos también están disminuyendo en magnitud. Son estas dos series, Abril-Septiembre y Octubre-Marzo con las cuáles se calculará la correlación con los campos de SLP y SST. Figura 1: Medias mensuales de la componente meridional (arriba) y zonal (abajo) del viento, entre 1968 y 2012, en la estación meteorológica ubicada en el aeropuerto Carriel Sur, Concepción. La línea continua negra representa las medias mensuales, y la línea punteada roja, representa la tendencia, calculada utilizando el método de los mínimos cuadrados. Se puede observar claramente el ciclo anual en ambas componentes. La tendencia a largo plazo es muy baja en ambos casos, prácticamente es cero, a simple vista no es fácil determinar si alguna componente se está acelerando significativamente. Figura 2: Espectro en frecuencias de la componente meridional (arriba) y zonal (abajo) del viento, entre 1968 y 2012, en la estación meteorológica ubicada en el aeropuerto Carriel Sur, Concepción. El máximo de amplitud en ambas componentes corresponde al ciclo anual, es decir que la variabilidad del viento en esta estación está dominada principalmente por este ciclo de periodo 12 meses. 4

5 3.1 Viento en Carriel Sur INFORME TÓPICO I Figura 3: Anomalías climáticas mensuales de la componente meridional (arriba) y zonal (abajo) del viento, entre 1968 y 2012, en la estación meteorológica ubicada en el aeropuerto Carriel Sur, Concepción. La línea continua negra representa las anomalías climáticas mensuales, y la línea punteada roja, representa la tendencia, calculada utilizando el método de los mínimos cuadrados. Figura 4: Espectro en frecuencias de las anomalías climáticas de la componente meridional (arriba) y zonal (abajo) del viento, entre 1968 y 2012, en la estación meteorológica ubicada en el aeropuerto Carriel Sur, Concepción. Se observan máximos tanto en las bajas frecuencias (escala interanual e interdecadal) como en las altas frencuencias (escala estacional). 5

6 3.1 Viento en Carriel Sur INFORME TÓPICO I Figura 5: Evolución de la componente meridional del viento por mes (en nudos), en Carriel Sur durante los años Se observan tendencias positivas (disminución de los vientos del norte) de la componente meridional en los meses de Mayo, Junio, Julio y Septiembre. El resto del año la tendencia es negativa (disminución de los vientos del sur). Figura 6: Evolución de la componente zonal del viento por mes (en nudos), en Carriel Sur durante los años Se observa en todos los meses una tendencia negativa, indicando una disminución en la intensidad de los vientos del oeste. 6

7 3.2 Correlaciones INFORME TÓPICO I Figura 7: Medias de la componente meridional del viento en Carriel Sur, entre , en un periodo Abril-Septiembre, correspondiente a invierno en el Hemisferio Sur (arriba), y Octubre-Marzo, correspondiente a verano en el Hemisferio Sur (abajo). La tendencia durante el invierno es positiva (0.27 nudos/década) indicando una disminución en la intensidad de los vientos del norte, mientras que en el verano la tendencia es negativa (-0.42 nudos/década) indicando una disminución en la intensidad de los vientos del sur Correlaciones Viento en Carriel Sur y Presión a nivel del mar El mapa de correlación entre el viento meridional en Carriel sur y la presión a nivel del mar, puede ser observado en las Figuras (8) a) y b), para el periodo Abril-Septiembre y Octubre-Marzo respectivamente. Se observa una mayor correlación entre el viento meridional y la presión a nivel del mar, en el periodo Abril-Septiembre, correspondiente a invierno (extendido) en el hemisferio sur, con un dipolo de correlaciones, positivas (0.6 aprox.) antes de los 45 S, y negativas mas allá de los 45 S. Es decir que el viento meridional en Carriel Sur sigue las mismas fluctuaciones que la presión entre 0 y 45 S, durante el invierno. Durante el verano no es mucha la información que entrega la correlación, se observan principalmente correlaciones negativas en la costa de Chile y la franja ecuatorial, pero su valor es muy pequeño. (a) Abril-Septiembre (b) Octubre-Marzo Figura 8: Mapas de correlación entre el viento meridional en Carriel Sur y la presión a nivel del mar, entre para los periodos Abril-Septiembre (a) y Octubre-Marzo (b). Cabe recordar que el viento meridional durante el invierno es principalmente del norte (negativo), por lo tanto correlaciones positivas indican anomalías positivas del viento norte (menos intenso) con anomalías positivas de la presión a nivel del mar. 7

8 3.2 Correlaciones INFORME TÓPICO I Viento en Carriel Sur y Gradiente de Presión Los mapa de correlación entre el viento meridional en Carriel Sur, y el gradiente zonal y meridional de la presión a nivel del mar, se encuentran en la Figura (9) a) y b) para el gradiente zonal en verano e invierno respectivamente, y c) y d) para el gradiente meridional. De la Figura a) y b) observamos un patrón bastante desordenado donde la zona con correlaciones negativas indica geostrofía, pero con patrones tan desordenados es difícil interpretar. En cambio para las Figuras c) y d) observamos nuevamente un patrón bien definido durante el invierno, con valores de correlación mas altos (0.6 aprox.) que en el caso del gradiente zonal, indicando que el viento meridional en Carriel sur es principalmente ageostrófico. (a) Abril-Septiembre (b) Octubre-Marzo (c) Abril-Septiembre (d) Octubre-Marzo Figura 9: Mapas de correlación entre el viento meridional en Carriel Sur y el gradiente de SLP zonal (a) y (b), y meridional (c) y (d), para los periodos Abril-Septiembre y Octubre-Marzo. Se observan mayores correlaciones entre el viento y el gradiente meridional durante invierno, indicando que el viento es principalmente ageostrófico Viento en Carriel Sur y Temperatura Superficial del mar Las Figuras (10) a) y b), muestran los mapas de correlación entre el viento en Carriel Sur, y la temperatura superficial del mar, las correlaciones que realmente más nos interesan. Se puede observar en invierno un patrón espacial muy particular, similar al que muestra la tendencia de la SST,en Falvey, M. and R. Garreaud, 2009, con correlaciones muy positivas en el Pacífico Occidental entre 20 S y 40 S aprox. y correlaciones negativas bajo 50 S. Durante el verano en b) se observan correlaciones 8

9 3.2 Correlaciones INFORME TÓPICO I negativas entre la SST y el viento meridional en Carriel Sur, en la costa de Chile, que correspondería a anomalías negativas de la SST con anomalías positivas del viento meridional, lo que es consistente con el fenómeno de surgencia, donde un viento intenso hacia el norte produce un bombeo de aguas profundas mas frías hacia la superficie, sin embargo los valores de correlación son muy bajos, como para asegurar que este sea el mecanismo que sostiene el enfriamiento en la costa. (a) Abril-Septiembre (b) Octubre-Marzo Figura 10: Mapas de correlación entre el viento meridional en Carriel Sur y la temperatura superficial del mar, entre para los periodos Abri-Septiembre (a) y Octubre-Marzo (b). Se observa mayor correlacion con el viento en invierno (viento norte) y la SST. Durante el verano la correlación indica cierta relación entre anomalías positivas del viento con anomalías negativas de la SST, pero los valores son muy bajos Viento en Carriel Sur y Viento Meridional en Superficie Esta sección se realizó mas bien, como una forma de ver si los datos de viento de NCEP/NCAR son enrealidad similares a los de Carriel Sur, por lo que se esperaba una mayor correlación localmente, cerca de Concepción. Sin embargo, las Figuras (11) a) y b), muestran esta correlación para el invierno y verano, respectivamente, las cuáles son relativamente bajas, y extrañamente el viento en Carriel Sur, se correlaciona mejor con el viento de NCEP/NCAR cerca del Ecuador en invierno. Aún así, muestra toda una franja de correlaciones positivas ( aprox.), entre los 0 y 40 S aprox. donde el viento fluctúa de forma parecida al viento en Concepción. Durante el verano en la Figura (11) b), observamos un poco más de correlación localmente. 9

10 INFORME TÓPICO I (a) Abril-Septiembre (b) Octubre-Marzo Figura 11: Mapas de correlación entre el viento meridional en Carriel Sur y el viento meridional en superficie del NCEP/NCAR Reanalysis, entre para los periodos Abril-Septiembre (a) y Octubre-Marzo (b). Hay poca correlación localmente, lo que indica mucha diferencia entre la variabilidad de los datos de Carriel Sur y los de NCEP/NCAR. 4. Discusión La similitud entre el patrón observado en la correlación entre la SST y el viento meridional en Carriel Sur durante el invierno, con la tendencia de la SST entre mostrada en Falvey, M. and R. Garreaud (2009), sugirió la idea de calcular la tendencia de la SST entre Estas tendencias pueden ser observadas en las Figuras (12) a) y b), entre y respectivamente, donde claramente la tendencia cambia al considerar un periodo más largo, y el enfriamiento en la costa de Chile desaparece, de hecho se observan valores positivos, aunque muy cercanos a cero. Esto indica que al parecer las temperaturas en la costa de Chile, responden a algún tipo de oscilación de gran escala, debido a que la tendencia va desapareciendo a más largo plazo. La oscilación de gran escala (interdecadal) que presenta casi el mismo patrón espacial a la tendencia mostrada en Falvey, M. and R. Garreaud (2009), corresponde a la Interdecadal Paficic Oscillation, la cuál presenta una fase fría y una fase cálida, cuyo índice (IPO) y patrón espacial para las anomalías de SST, SLP, viento meridional y zonal, puede verse en la Figura (13). De la Figura (13) a) observamos que el índice tiene una tendencia más negativa entre , en comparación a , lo que sugiere que el enfriamiento, que se manifiesta en la tendencia a largo plazo, es muy sensible a la tendencia del índice, en este caso el enfriamiento que se manifiesta, entre [Falvey, M. and R. Garreaud (2009)] es consistente con una tendencia más acentuada a una fase fría de la IPO, a diferencia de la tendencia del índice entre , que es mucho menos acentuada (pero aún negativa), lo que se manifiesta en la desaparición del enfriamiento al considerar la tendencia de la SST en ese periodo (Figura 12 b)). 5. Conclusiones El enfriamiento en la costa de Chile, que se manifiesta en la tendencia a largo plazo desde 1979 en adelante, está asociado a la tendencia acentuada hacia una fase fría de la Interdecadal Pacífic Oscillation (IPO). Por otra parte uno de los mecanismos que podría explicar este enfriamiento, el viento meridional que produce surgencia, presenta correlaciones muy bajas como para obtener conclusiones, por lo tanto a mi parecer el viento no es el responsable de este enfriamiento, considerando además que el viento cerca de la costa es principalmente ageostrófico (Figura 9). Además el patrón espacial de los mapas de correlación entre el viento meridional en Carriel Sur, y los demás sets de datos parece estar 10

11 INFORME TÓPICO I (a) Tendencia SST entre (b) Tendencia SST entre Figura 12: Tendencia por década de la temperatura superficial del mar, en dos periodos a) (Modificada de Falvey, M. and R. Garreaud (2009)] y b) entre El enfriamiento costero desaparece al considerar una tendencia a más largo plazo y la tendencia se vuelve menos intensa en el Pacífico Occidental. más asociado a la IPO durante el invierno, o en otras palabras la IPO parece ser más bien una señal de invierno. De ser correctas estas conclusiones, entonces, se esperan tendencias positivas, y por lo tanto anomalías de SST positivas a largo plazo, cuando la Interdecadal Pacific Oscillation cambie de fase. 6. Referencias Referencias [1] Falvey, M., and R. D. Garreaud (2009), Regional cooling in a warming world: Recent temperature trends in the southeast Pacific and along the west coast of subtropical South America ( ) The LATEX Companion. J. Geophys. Res., 114, D04102, doi: /2008jd [2] Climate Timeseries, ESRL, TPI (IPO) Tripole Index for the Interdecadal Pacific Oscillation, 11

12 REFERENCIAS INFORME TÓPICO I (a) TPI (IPO) Tripole Index for the Interdecadal Pacific Oscillation (b) Correlación entre IPO y SST (c) Correlación entre IPO y SLP (d) Correlación entre IPO y Viento Meridional (e) Correlación entre IPO y Viento Zonal Figura 13: a) Tripole Index (IPO) para la Interdecadal Pacific Oscillation. Se observa una tendencia más acentuada hacia una fáse fria (azul) entre en comparación a la tendencia entre , que es negativa pero menos acentuada. Patrón espacial de las anomalías de b) SST. c) SLP. d)viento Meridional. e)viento Zonal. en términos de la correlación entre el índice IPO y estas variables. En resumen en una fase fría (cálida) se tiene toda una intensificación (debilitamiento) del giro sub-tropical del Pacífico Sur, con anomalías negativas (positivas) de temperatura superficial del mar en el Pacífico Sur-oriental. 12