Variabilidad Tropical. Ernesto Barrera

Ernesto Barrera jbarrerar@aemet.es

Índice Fuentes de variabilidad tropical Intraestacional Oscilación de Madden-Julian (MJO) Ondas ecuatoriales Interanual El Niño/Oscilación del sur (ENSO) Oscilación cuasi-bienal (QBO) Decadal Oscilación decadal del Pacífico (PDO) Oscilación multidecadal del Atlántico (AMO) Oscilación del Atlántico norte (NAO) 2

Relación entre calentamiento y dinámica en la atmósfera Calentamiento/ Enfriamiento Patrones de temperatura Vientos Gradientes de presión 3

Relación entre calentamiento y dinámica en los océanos -Evaporación -Precipitación -Escorrentías -Deshielo Corrientes superficiales Calentamiento/ Enfriamiento Patrones de temperatura y salinidad Viento y esfuerzos Variaciones de densidad -Convección -Mezcla turbulenta -Subsidencia -Afloramientos -Afloramientos -Subsidencias 4

Modos principales de variabilidad tropical La predictibilidad en los trópicos es intrínsecamente baja debido a que la dinámica atmosférica no mantiene una relación de equilibrio similar al balance geostrófico en latitudes medias. La predicción diaria puede verse favorecida si se identifican señales coherentes o condiciones de equilibrio en la dinámica de los fenómenos. 5

Escalas espacio-temporales de los fenómenos atmosféricos. 6

Fuentes de variabilidad tropical Intraestacional Oscilación de Madden-Julian (MJO) Ondas ecuatoriales Interanual El Niño/Oscilación del sur (ENSO) Oscilación cuasi-bienal (QBO) Decadal Oscilación decadal del Pacífico (PDO) Oscilación multidecadal del Atlántico (AMO) Oscilación del Atlántico norte (NAO) 7

Oscilación de Madden-Julian Principal modulador de la variabilidad intraestacional Descubierta en los 70 Alternancia de zonas de convección activa Primavera-verano del hemisferio sur Franja en torno al ecuador Se inicia en el océano Índico Periodicidad 30-60 días Se propaga hacia el este (5 m/s) Longitud de onda ~ 12000 20000 Km Fenómeno acoplado atmósfera-océano 8

Oscilación de Madden-Julian 9

Oscilación de Madden-Julian Señal atmosférica Vientos de niveles altos y bajos Campos relacionados con la convección Humedad, OLR, precipitación, v. potencial No presente en vientos de niveles medios Señal oceánica Periodo más largo (60-75 días) SST, espesor capa mezcla Flujo de calor latente, esfuerzo del viento 10

Oscilación de Madden-Julian Señal atmosférica Vientos de niveles altos y bajos Campos relacionados con la convección Humedad, OLR, precipitación, v. potencial No presente en vientos de niveles medios Señal oceánica Periodo más largo (60-75 días) SST, espesor capa mezcla Flujo de calor latente, esfuerzo del viento 11

Oscilación de Madden-Julian Anomalías observadas en series largas Viento zonal: 5 m/s Viento meridional: 1 m/s Temperatura: 0.5 K Precipitación: 5 mm / día Humedad relativa: 10% Sondeos similares en la capa límite Rasgo baroclino característico Niveles altos: liberación de calor latente Niveles bajos: evaporación de lluvia Fase inactiva Fase activa 12

Oscilación de Madden-Julian Fase húmeda Propagación de convección hacia el este Anomalías de viento de viento y convergencias Fase seca Inhibición de la conveccción al este de 180º Anomalías de viento perduran Continúan desplazándose hasta el Atlántico Fase húmeda Fase seca 13

Oscilación de Madden-Julian en 3D 14

Qué origina la MJO? Forzamiento externo? 1. Fluctuaciones en el monzón asiático 2. Perturbaciones de latitudes medias 3. Convección de corta duración Forzamiento interno? 1. Onda de inestabilidad convectiva de segunda especie (CISK wave) 2. Intercambio de calor en superficie inducido por el viento (WISHE) 15

Qué origina la MJO? Forzamiento externo? 1. Fluctuaciones en el monzón asiático Las interacciones entre convección, evaporación y radiación pueden dar lugar a una onda estacionaria de ~50 días. La oscilación generaría el calentamiento necesario para forzar ondas ecuatoriales. Las ondas ecuatoriales podrían disparar la MJO. No hay evidencias numéricas ni estadísticas al respecto. 16

Qué origina la MJO? Forzamiento externo? 2. Perturbaciones de latitudes medias Un ciclón extratropical podría interaccionar con la MJO amplificándola. Estas interacciones tienen lugar en el Pacífico oriental y central En esas regiones la MJO está debilitada. No hay evidencia estadística a favor de este mecanismo 17

Qué origina la MJO? Forzamiento externo? 3. Convección de corta duración La convección de pequeña escala podría generar el calentamiento necesario para mantener la MJO La escala espacial es demasiado pequeña La convección podría intensificar una perturbación de escala sinóptica que a su vez alimentara la MJO Resultados no concluyentes por el momento 18

Qué origina la MJO? Forzamiento interno? 1. Onda de inestabilidad convectiva de segunda especie (CISK wave) El mecanismo CISK permite forzar convección organizada de mesoscala mediante la convergencia de humedad en una depresión incipiente. La fricción tiene un papel crítico. La onda CISK es una interacción entre CISK y ondas Kelvin Para que funcione en escalas MJO la interacción ha de ser selectiva, favoreciendo las ondas más largas. Parcialmente confirmada numérica y observacionalmente. 19

Inciso: la inestabilidad convectiva de segunda especie (CISK) 20

Qué origina la MJO? Forzamiento interno? 2. Intercambio de calor en superficie inducido por el viento (WISHE) El mecanismo WISHE permite forzar convección organizada de mesoscala mediante la evaporación local en una depresión incipiente. Requiere la interacción con una onda Kelvin y vientos medios del E No reproduce bien las observaciones Es posible que contribuya al sostenimiento aunque no a la creación. 21

Impacto de la MJO en la variabilidad tropical MJO es más intenso en el verano austral con ENSO neutro Tiende a desaparecer durante episodios El Niño/La niña Modula las variaciones de la precipitación local Modula distintas fases del monzón en el Índico/Pacífico MJO proporciona una envolvente de escalas convectivas (figura) 22

Impacto de la MJO en la variabilidad tropical Los ciclones tropicales son más frecuentes en la fase activa de la MJO 23

Impacto de la MJO en la variabilidad tropical Los ciclones tropicales son más frecuentes en la fase activa de la MJO 24

Impacto de la MJO en la variabilidad tropical La MJO induce anomalías de esfuerzo del viento zonal en el océano. Las anomalías excitan ondas Kelvin oceánicas que modulan la termoclina en el Pacífico ecuatorial Las ondas Kelvin oceánicas se consideran un disparador del ENSO La actividad MJO puede influir en el ENSO La actividad ENSO puede influir en la MJO 25

Ondas ecuatoriales Oscilaciones atmosféricas y oceánicas en una franja en torno al ecuador Deducidas teóricamente en los 60 Confirmadas en los 80 (satélites) Su detección requiere técnicas de filtrado Pueden estar acopladas a la convección Múltiples tipos, 4 importantes. Se relacionan con la ciclogénesis tropical 27

B EQ 28

A EQ 29

Ondas ecuatoriales Ondas de Kelvin Hacia el este Periodo ~ 6-7 días vel = 12-25 m/s L.O. = 6000-12000Km Inicio ENSO Alimenta MJO 30

Ondas ecuatoriales Ondas de Rossby Hacia el oeste Longitud ~ 10000 Km Vel ~ 10-20 m/s (seca) Vel ~ 5-7 m/s (húmeda) Tiempo vida ~ semanas 31

Ondas ecuatoriales Seca Ondas Rossby-gravitatorias Hacia el oeste (largas) Hacia el este (cortas) Longitud ~ 1000-4000 Km Húmeda Vel ~ 10 m/s Periodo ~ 5 días Fuerzan y son forzadas por áreas extensas de actividad tormentosa 32

Origen de las ondas ecuatoriales Calentamiento simétrico respecto al ecuador (~ 5K/día) 33

Origen de las ondas ecuatoriales Calentamiento asimétrico respecto al ecuador (~ 5K/día) 34

Impacto de las ondas ecuatoriales Contribuyen a la ciclogénesis tropical Área de impacto directo, limitada. Mayor influencia sobre Pacífico W / Índico Variación estacional 35

Monitorización / predicción de las ondas ecuatoriales Kelvin Skill ~ 5 días [http link] 36

Monitorización / predicción de las ondas ecuatoriales Rossby Skill ~5 días [http link] 37

El Niño / Oscilación del sur (ENSO) Oscilación acoplada atmósfera-océano Ciclo irregular: 2-7 años Abarca el Pacífico ecuatorial / impacto global Componente oceánica (El Niño) El Niño (más intenso/más corto 9-15 meses) Debilitamiento anómalo del alisio Aumento anómalo de la SST La Niña (menos intenso/más largo 1-3 años) Intensificación anómala del alisio Disminución anómala de la SST Trancisiones El Niño a La Niña más rápidas (~1 año) 39

El Niño / Oscilación del sur (ENSO) 40

El Niño / Oscilación del sur (ENSO) Componente atmosférica (Oscilación del sur) Oscilación de la presión en superficie en el Pacífico ecuatorial No está claro si El Niño es causa o consecuencia de la Oscilación del sur Ambas señales se modulan mutuamente El SOI mide la anomalía de diferencia de presión entre Australia y la Polinesia francesa. SOI > 0, alisio intensificado (Niña) SOI < 0, alisio debilitado (El Niño) Niña Niño Niña Niña 41

El Niño / Oscilación del sur (ENSO) SST, capa de mezcla, corrientes marinas, esfuerzo del viento Desplazamiento de la circulación de Walker 42

Teoría de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) 43

Monitorización de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) 46

Monitorización de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) ONI, monitorización operativa Cinco periodos consecutivos de tres meses con solapamiento El Niño > +0.5 La Niña < -0.5 47

Impacto de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) Invierno Efectos extensos Intensos en NW de Sudamérica Precipitación en Perú, Colombia y Ecuador Pérdida de recursos pesqueros Sequías/incendios en Oceanía Desplazamiento de chorros en latitudes medias Verano Impacto más débil Menos extenso (Hemisferio sur) El Niño DJF JJA 48

Impacto de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) Invierno Efectos extendidos Muy acusados en el NW de Sudamérica Precipitación en Perú, Colombia y Ecuador Afecta a los recursos pesqueros Sequías/incendios en Oceanía Desplazamiento de chorros en latitudes medias Verano Impacto más débil Menos extenso (Hemisferio sur) La Niña DJF JJA 49

Impacto de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) 50

Predicción de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) Modelos dinámicos: más dispersión Modelos estadísticos: bajo skill más allá de M+6 51

Predicción de El Niño / Oscilación del sur (ENSO) 52

Oscilación cuasi-bienal Oscilación de los vientos en la baja estratosfera ecuatorial (~30 hpa) Periodo medio 28 meses (20-36 meses) Vientos del este más intensos La oscilación se propaga hacia abajo, superando los 100 hpa La oscilación se detecta además en la temperatura rojo: hacia el este Azul hacia el oeste 54

Impacto de la Oscilación cuasi-bienal Favorece la ciclogénesis tropical reduciendo la cizalladura en altura En el Atlántico, durante la fase del W (chorro subtropical del W) En el Índico, durante la fase del E (chorro tropical del E) 55

Oscilación Decadal del Pacífico SST y esfuerzo de viento Periodo: 20-30 años Correlado con ENSO Máximo en invierno HN Más intenso en el Pacífico Norte que en los trópicos Impactos Fase positiva: tiempo húmedo / Fase negativa: sequías persistentes (SW EEUU) Pesquerías Causas desconocidas 57

Oscilación Multidecadal Atlántica SST y esfuerzo de viento Periodo: 70-90 años (?) Impactos Fase positiva: menos lluvia en EEUU y SE sudamérica. Más lluvia en Alaska, NW sudamérica, Europa y W África Más actividad ciclónica 58

Oscilación Multidecadal Atlántica Periodo: 70-90 años (?) Impactos Fase positiva: menos lluvia en EEUU y SE sudamérica. Más lluvia en Alaska, NW sudamérica, Europa y W África Más actividad ciclónica 59

Oscilación del Atlántico Norte Refuerzo/debilitamiento de la baja de islandia y alta de Azores Impacto principal en latitudes altas Forzamiento tropical? Conexión con el ENSO? 60

Gracias por su atención. 61

Bibliografía Libros: Météorologie tropicale, des alizés au cyclone, F. Beucher, Meteo France, 2010 (francés) Fondamenteaux de météorologie, S. Malardel, Cépadùes, 2005 (francés) Introduction to dynamic meteorology, Holton, Elsevier, 2004 (inglés) Introduction to physical oceanography, Stewart, 2005, (inglés) Módulos COMET (registro gratuito) y otros recursos: Introduction to tropical meteorology, 2nd Edition, The COMET Program, 2010 (1ª edición en español) Hurricanes Strike!, The COMET Program, 2010 (versión en español) Conceptual models of tropical waves, The COMET Program, 2006 (versión en español) Ciclones tropicales, preguntas y respuestas, OMM, 2011 Weather in a tank (MIT), simulaciones atmosféricas en un tanque de agua. Dundee Satellite Receiving Station, acceso gratuito a un histórico de imágenes de satélite. Artículos especializados: The Quasi-Biennial Oscillation, varios autores, Reviews of Geophysics, 2001 Madden-Julian Oscillation, Zhang, Reviews of Geophysics, 2005 Quasi-geostrophic motions in the equatorial area, Matsuno, 1966 3D structure and dynamics of African easterly wave (part I) / (part II), Hall et al, 2006 62