RELACIÓN ENTRE LA PRECIPITACIÓN ESTIVAL Y

RELACIÓN ENTRE LA PRECIPITACIÓN ESTIVAL Y PATRONES DE CIRCULACIÓN
Moira E. Doyle y Vicente R. Barros1
Dto. Ciencias de la Atmósfera y los Océanos. UBA. 1CONICET
Ciudad Universitaria. Pabellón II. 2° Piso.
1428 Buenos Aires. Argentina
e-mail: [email protected]
ABSTRACT
Through a canonical correlation analysis applied to precipitation series over subtropical South America and to
south Atlantic sea surface temperature (SST) data we establish regions of influence. Alterations in the thermal
patterns of the ocean inflict modifications in the atmospheric circulation. The vertically integrated water vapor
transport composites for warm and cold SST events present an intense low level jet circulation. During warm
events it is deflected southwards near 55°W, while in cold events it continues to have a NW direction until close to
the Atlantic coast, implicating changes in precipitation.
RESUMEN
Se aplica un análisis de correlación canónica a series de precipitación de estaciones de Sudamérica subtropical y a
series de la temperatura de la superficie del mar (TSM) del océano Atlántico para determinar la influencia de este
último sobre las lluvias. Las alteraciones en los patrones de circulación de la superficie del mar tienen una
respuesta en la circulación atmosférica que se observa al analizar la composición del transporte de humedad
integrado entre superficie y 700 hPa para los casos de TSM fríos y cálidos. Las regiones de precipitación se ven
modificadas debido a variaciones en el ingreso de humedad desde la zona tropical de Sudamérica.
INTRODUCCIÓN
La ocurrencia de precipitación en una determinada región depende en gran medida de la disponibilidad de
vapor de agua en la atmósfera. Dentro del ciclo hidrológico existen distintas regiones que actuan como fuentes o
sumideros de agua. La circulación atmosférica es la encargada de transportar el vapor de agua desde las distintas
fuentes hacia los sumideros. Las principales fuentes que proveen el vapor de agua que da origen a la precipitación
sobre Sudamérica subtropical al este de la Cordillera de los Andes son la Selva Amazónica y el Océano Atlántico.
Virji (1981) a través de infiormaciíon satelital, describió las principales características de la circulación
troposférica sobre América del Sur durante los meses de verano. En la tropósfera superior la característica principal
es un intenso anticiclón denominado alta de Bolivia. Al este de este anticiclón observó una vaguada en altura sobre
el noreste de Brasil. En niveles bajos identificó la existencia de una corriente en chorro en capas bajas a lo largo de
la ladera oriental de la Cordillera de los Andes. Esta corriente en chorro ha sido luego estudiada por otros autores
como Wang y Paegle (1996) quienes analizando el balance de humedad sobre la región subtropical mostraron que
la corriente en chorro en capas bajas desempeña un importante papel en el transporte de humedad desde el
Amazonas hacia mayores latitudes.
Nogués-Paegle y Mo (1997) estudiaron la evolución de períodos secos a húmedos en la región sur de Brasil
y norte de la Argentina y la relación con la corriente en chorro en capas bajas durante el verano. Durante los
períodos húmedos observaron en 35°S un intenso flujo de humedad desde el norte en 60°S, mientras que durante
los eventos secos la entrada de humedad se desplaza hacia el este hasta aproximadamente 40°W. Este
comportamiento está asociado a un polo opuesto en la zona de la convergencia del Atlántico sur (ZCAS). Es decir,
eventos de fuerte (débil) actividad convectiva sobre la ZCAS en los meses de verano, están asociadas a déficit
(execeso) de precipitación sobre Sudamérica subtropical.
Una de las cinco zonas de máxima precipitación en América del sur durante el verano identificadas por
Lenters y Cook (1995) a través de experimentos numéricos con un modelo de circulación general corresponde a la
ZCAS. Los autores muestran que las precipitaciones en esta región son el resultado de un calentamiento continental
asociado a la baja térmica de verano al este de los Andes y su interacción con la alta del Atlántico sur. Esta
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interacción dan origen a un máximo de convergencia de viento en niveles bajos responsable del transporte de
humedad hacia la ZCAS. Por otro lado, muestran que la posición y la magnitud de este máximo de precipitación se
ve afectado por las condiciones de la temperatura de la superficie del mar.
El objetivo de este trabajo es estudiar como la precipitación en la región subtropical de sudamérica durante
el verano austral se ve afectada por las variaciones en la temperatura de la superficie del mar y las variaciones en la
circulación atmosférica asociadas a las mismas.
DATOS Y METODOLOGÍA
El análisis de la precipitación durante el período estival se realizó con totales mensuales de precipitación de
107 estaciones meteorológicas distribuidas sobre Sudamérica subtropical al este de los Andes. Los datos
correspondientes a la Argentina fueron suministrados por el Servicio Meteorológico Nacional, mientras que los
datos de Uruguay, Brasil, Paraguay y Bolivia provienen de la base de datos elaborada por el National Center of
Atmospheric Research (NCAR). El estudio de realizó para los años comprendidos entre 1956 y 1991, tomando
como verano a los meses de Diciembre, Enero y Febrero.
Para estudiar la influencia de la temperatura de la superficie del mar (TSM) del océano Altántico sur y las
variaciones de la misma sobre la precipitación se trabajó con los datos obtenidos de registros de barcos y recogidos
en el Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set (COADS; Woodruff y otros, 1987). Los mismos están
distribuidos sobre una grilla de 10° de latitud x 10° de longitud y se consideró la región comprendida entre 10°S y
40°S y desde la línea de la costa hasta 10°E.
La circulación atmosférica se analizó a partir de los datos diarios provenientes del NCAR/NCEP
Reanalysis Project (Kalnay et. al, 1996) para el período 1958 – 1992. Los mismos están dispuestos sobre una grilla
de 2.5° de latitud x 2.5° de longitud. Las variables utilizadas son: presión a nivel del mar, las componentes zonal
(u) y meridional (v) del viento, y la humedad específica (q). Debido a que la mayor concentración de humedad en
la atmósfera se encuentra en los niveles más bajos, se consideraron solo los primeros 4 niveles estándares de
presión: 1000, 925, 850, y 700hPa para la región comprendida entre 10°N y 55°S extendiéndose desde 90°W hasta
20°W. El transporte mensual de humedad se calculó como el promedio de la integración vertical diaria entre
superficie y 700 hPa del producto entre el viento y la humedad específica.
Se aplico un análisis de componentes principales a las series temporales de los totales de precipitación de
los meses de verano y a las de la TSM media de verano con el objeto de sintetizar la información de ambas
variables. El número de componentes retenidas en cada caso explica el 80% de la varianza, siendo en el caso de la
precipitación 24 componentes y para la temperatura del mar 6 componentes. Con estas nuevas series temporales se
realizó un analisis de correlación canónica, obteniéndose por un lado las variables canónicas, series temporales, y
por otro lado mapas canónicos. Estos últimos son, en cada caso, mapas de correlación entre las variables canonicas
y los datos reconstruidos a partir de las componentes principales que fueron utilizadas para la correlación canónica,
indicando con mayores correlaciones las regiones en que el comportamiento de la nueva variable se asemeja a la
serie de datos reconstruidos.
RESULTADOS
La figura 1 muestra los resultados obtenidos al aplicar el analisis de correlación canónica a los totales de
precipitación de verano y a la TSM media de verano. La figura 1a presenta las primeras variables canónicas
correspondientes a la precipitación (azul) y a la TSM (rojo). Como se puede observar las dos series temporales
muestran un comportamiento casi idéntico, siendo la correlación entre las mismas de r= 0.99. Los mapas canónicos
(fig. 1b) indican las correlación entre las primeras variables canónicas y los datos reconstruidos considerando las
componentes principales que explicaban el 80% de la varianza. Las regiones sombreadas señalan zonas donde los
coeficientes de correlación son superiores en módulo a 0.3. El continente muestra varios núcleos con correlaciones
mayores a 0.3. El más extenso abarca el sur de Brasil y norte de Uruguay, llegando a coeficientes de correlación de
0.5. El que lo sigue en extensión se encuentra sobre el limite norte entre Paraguay, Bolivia y Brasil; se observa un
tercer núcleo en el límite entre Paraguay y Argentina. Sobre Brasil entre 10° y 15°S cerca de la costa, los valores de
correlación son negativos. De esto podemos inferir un comportamiento de tipo dipolar entre la precipitación en el
sur de Brasil y norte de Uruguay, y la de 10°S sobre la costa atlántica. Es decir que cuando se registran lluvias
superiore (inferiores) a la media en la primera región, la segunda región presenta valores inferiores (superiores) a la
precipitación media. Este resultado es similar al obtenido por Nogués-Paegle y Mo (1997), aunque en nuestro caso
ambas regiones se encuentran desplazadas hacia el norte. El mapa canónico para la TSM indica que desde la costa
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de América del Sur hasta cerca de 5°W en 20°S y entre 35°W y 15°W en 35°S, hay una extensa zona de
correlaciones positivas significativas, llegando hasta valores de r=0.7. En su conjunto podemos concluir que bajo
condiciones cálidas (frias) de TSM en la región que presenta mayores coeficientes de correlación se debería esperar
exceso (déficit) de precipitación sobre el sur de Brasil y norte de Uruguay y déficit (exceso) de lluvia sobre Brasil
en 10°S, al norte de la posición media de la ZCAS.
PPP
3
SST
R= 0.99
2
1
0
-1
-2
a
-3
1957
1960
1963
1966
1969
1972
1975
1978
1981
1984
1987
1990
-10
-15
Latitud
-20
-25
-30
-35
b
-40
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Longitud
Figura 1: Análisis de correlación canónica para la precipitación de verano (azul) y la temperatura de la superficie del mar de
verano (rojo). a) Primer variable canónica para la precipitación y la TSM. b) Mapas canónicos correspondientes a la primer
variable canónica. Las regiones sombreadas señalan zonas con coeficientes de correlación mayores a 0.3 o menores a –0.3.
Debido a la estrecha interacción que existe entre la atmósfera, especialmente en los niveles más bajos, y las
superficies océanicas es de esperarse que alteraciones en la temperatura de las superficie del mar repercutan en la
circulación atmosférica y viceversa. Luego, las situaciones de temperaturas cálidas (frías) que se desprenden del
análisis de correlación canónica deberían estar asociadas a distintos patrones de circulación. A fin de determinar los
mismos se compusieron los casos en que la temperatura media estival en la región de mayores correlaciones se
encuentra por encima del valor medio más un desvío estándar, casos cálidos, y en los que la temperatura es inferior
al valor medio menos un desvío estándar, eventos fríos (Tabla I).
Tabla I: Años seleccionados para la composición de los eventos cálidos y fríos
Años Cálidos 1959 1972 1983 1987 1988
1961 1964 1965 1968 1970
Años Fríos
En la figura 2 se presenta el transporte de humedad integrado entre superficie y 700 hPa para la
composición de los eventos cálidos. Se puede observar que la corriente en chorro en capas bajas sobre la ladera este
de los Andes es la responsable de transportar humedad desde Amazonas hacia Paraguay, sur de Brasil, Uruguay y
Argentina, de acuerdo con lo mostrado por Virji (1981), Gandu y Geisler (1991) y Wang y Paegle (1996). Al sur
de 20°S los intensos vientos del noroeste que bordean la cordillera comienzan a rotar y toma preponderancia la
componente norte. Entre 55° y 40°W el flujo es netamente meridional, mientras que al oeste de 55° los vientos
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ingresan sobre la Argentina siguiendo una curvatura ciclónica hasta llegar a la cordillera donde se ven desviados
hacia el sur para ingresar a la zona de los oestes.
La figura 3 muestra los resultados de la composición de eventos fríos. Al igual que en el caso anterior se
distingue claramente la corriente en chorro en capas bajas. Sin embargo, a diferencia con los eventos cálidos, los
vientos hasta 22.5° siguen siendo del noroeste y no se observa la ancha banda de vientos meridionales.
Consecuentemente, la influencia de la corriente en chorro llega cerca de la costa Atlántica, donde se observa un
menor ingreso de humedad proveniente del océano Atlántico. Los vientos sobre el mar bordean la costa con
dirección SE-NE, penetrando al continente sobre el sur de Brasil y Uruguay y al llegar al Río de la Plata rotan al
NO. Sobre el centro de Argentina el ingreso de humedad sigue un patrón muy similar al del evento cálido, pero la
magnitud del transporte es mayor.
Figura 2: Flujo de humedad integrado en la vertical entre superficie y 700 hPa. Composición de veranos en que la temperatura
de las superficie del mar se encuentra por encima del valor medio más un desvío estándar, eventos cálidos.
Figura 3: Idem figura 2 pero para los eventos fríos.
Encontramos entre los dos eventos un desplazamiento en la zona donde convergen los vientos provenientes
de la corriente en chorro con los que siguen la circulación inducida por el anticiclón del Atlántico. Durante los
eventos cálidos el transporte de humedad desde el trópico favorece a la region sur de Brasil y Uruguay, y de
acuerdo con los resultados del análisis de correlación canónica durante éstos eventos se registran precipitaciones
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por encima del valor medio en esta región. La menor diferencia térmica entre el continente y el océano disminuye
el efecto monzónico característico de la ZCAS desplazando las precipitaciones hacia el sur. Por el contrario el
mayor contraste de temperaturas entre el mar frío y el continente cálido durante el verano favorece la monzonalidad
y mayor convección en la ZCAS. Estos resultados concuerdan con los encontrados por Nogués-Paegle y Mo
(1997). A diferencia de estos autores que realizan la composición de los casos basándose en resultados obtenidos en
el estudio de la longitud de onda larga saliente, el punto de partida para nuestro trabajo son las condiciones de la
temperatura del Atlántico.
CONCLUSIONES
A través de un análisis de correlación canónica se determinaron las regiones en que la precipitaición de
América subtropical se ve influenciada por variaciones en la temperatura de la superficie del mar del océano
Atlántico. Altas temperaturas sobre el océano en la región donde se establece la zona de convergencia del Atlántico
sur durante el verano están asociadas a precipitaciones por encima del valor medio en el sur de Brasil y norte de
Uruguay.
Los campos de transporte de humedad muestran que durante los eventos cálidos la influencia de la
corriente en chorro en capas bajas, que transporta humedad desde el Amazonas hacia mayores latitudes bordeando
la cordillera, se desvía hacia el sur en 55°W, dando origen a una ancha zona de advección de humedad desde el
trópico sobre el sur de Brasil y Uruguay favoreciendo las precipitaciones en esta región. Durante los eventos fríos,
en cambio, la humedad transportada por la corriente en chorro alimenta la zona de convergencia del Atlántico sur,
inhibiendo las precipitaciones al sur de la misma.
Agradecimientos. El siguiente trabajo se realizó con subsidios provenientes de los proyectos UBA TW75 y
CONICET PIP 4493.
REFERENCIAS
Gandu, A. W. y J. E. Geisler, 1991: A primitive equations model study of the effect of topography on the summer
circulation over tropical South America. J. Atmos. Sci., 48, 1822 – 1836.
Kalnay, E., M. Kanamitsu, R. Kistler, W. Collins, D. Deaven, L. Gandin, M. Iredell, S. Sha, G. White, J. Woollen,
Y. Zhu, M. Chelliah, W. Ebisuzaki, W. Higgins, J. Janowiak, K. C. Mo, C. Ropelewski, J. Wang, A. Leetmaa, R.
Reynolds, R. Jenne, y D. Joseph, 1996: The NCEP/NCAR 40-year Reanalysis Project. Bull. Amer. Meteor. Soc. 77
(3) 437 – 471.
Lenters, J. D. y K. H. Cook, 1995: Simulation and diagnosis of the regional summertime precipitation climatology
of South America. J. Climate 8, 2988 – 3005.
Nogués - Paegle, J. y K. C. Mo, 1997: Alternating wet and dry conditions over South America during summer.
Mon. Wea. Rev. 125, 279 - 291.
Virji, H., 1981: A preliminary study of summertime tropospheric circulation patterns over South America estimated
from cloud winds. Mon. Wea. Rev., 109, 599 – 610.
Wang, M. y J. Paegle, 1996: Impact of analysis uncertainty upon regional atmospheric moisture flux. J. Geophys.
Res., 101, 7291 – 7303.
Woodruff, S. D., R. J. Slutz, R. L. Jenne y P. M. Steurer, 1987: A comprehensive ocean - atmosphere data set. Bull.
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