Efecto de El Niño en la productividad primaria y temperatura

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Efecto de El Niño en la productividad primaria y temperatura superficial del mar del
pacífico Colombiano
Karold Viviana Coronado Franco 1
John Josephraj Selvaraj 1
Angela Inés Guzmán Alvis 1
1
Universidad Nacional de Colombia - UNAL
Código Postal76001000 Palmira - Colombia
kvcoronadof, jojselvaraj, aiguzmana @unal.edu.co
Abstract. The primary productivity (PP) is the biological conversion of carbon dioxide into organic carbon
compounds rich in energy, is a key index of phytoplankton production and is also related to fisheries production.
Remotely Sensed data on Solar radiation, Chlorophyll and other Ocean parameters can be used for the estimation
of this variable. The PP and other ocean variables such as sea surface temperature (SST) and chlorophyll
concentration (Chl a) are affected by climatic events such as El Niño. The PP was calculated for the exclusive
economic zone (EEZ) of the Colombian Pacific for the time period of 2003-2011 through Platt and
Sathyendranath methodology which posits that PP is determined by the incident irradiance and concentration of
photosynthetic pigments. The Rodionov method was used to detect abrupt changes in time series of PP, Chl-a
and SST. Data on Chl a and SST were obtained from level 3 4km monthly resolution imagery from MODIS.
Study identified higher PP value for the costal water compared to Open ocean. Changes in the time series of
Chl a and SST related to the presence of El Niño, especially in 2009-2010, are not reflected in the PP time series,
suggesting that changes in this variable may be influenced in greater proportion by ocean dynamics in the area
such as currents, sea level anomalies and winds.
Palavras-chave: remote sensing, MODIS Imagery, Sea Surface Temperature, Chlorophyll-a, sensoriamento
remoto, imagens MODIS, Temperatura da Superfície do Mar, Clorofila-a.
1. Introducción
La productividad primaria (PP) es la conversión biológica de dióxido de carbono en
compuestos de carbono orgánico ricos en energía, es un proceso central para el sostenimiento
de la vida en la Tierra, hace parte del balance de carbono en los ecosistemas y es fundamental
en la regulación de procesos ecológicos (Multinovic y Bentino, 2011; Bian et al., 2010),
además de ser un índice clave de la capacidad de carga y la producción de fitoplancton se ha
demostrado que está relacionada con la producción pesquera (Klemas, 2011). En principio, la
concentración de clorofila se puede utilizar para estimar la producción de fitoplancton, los
datos ofrecidos sobre la radiación solar, clorofila y otros parámetros obtenidos por sensores
remotos, pueden ser utilizados para el cálculo de la PP (Platt y Sathyendranath, 2008; Saba, et
al., 2011). Gracias a esta tecnología es posible incluso identificar las clases de tamaño de
fitoplancton (microplancton, nanoplancton y picoplancton) ya que cada una de estas clases
tiene una reflectancia característica entre los 443-510 nm. (Hirata et al., 2008).
Eventos interanuales como El Niño Oscilación del Sur tienen influencia sobre
variables oceánicas tales como PP, temperatura superficial del mar (TSM) y clorofila-a (Cloa) (Kahru y Mitchell, 2000; Hernández, 2002; Manzano-Sarabia et al., 2010). El fenómeno El
Niño es un evento de variabilidad climática que ocurre de manera cíclica, pero no periódica
en el Océano Pacífico ecuatorial oriental y central. Este evento tropical tiene efectos en las
condiciones meteorológicas especialmente sobre la temperatura, la precipitación, la
circulación del viento, corrientes marinas y sobre las actividades humanas íntimamente
relacionadas con el tiempo meteorológico (Guevara, 2008). Sobre los efectos del El Niño
ocurrido en 1997-1998 sobre producción pesquera y variación de parámetros oceánicos se han
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realizado gran cantidad de estudios (Kahru y Mitchell, 2000; Hérnandez, 2002, ManzanoSarabia y Salinas-Savala, 2008; Manzano-Sarabia et al., 2010; Sreenivas et al. 2012), sin
embargo es importante conocer los efectos de eventos más recientes para dimensionar la
evolución de los cambios en variables oceánicas que influyen en la distribución de los
recursos pesqueros. El objetivo del estudio es identificar el impacto del fenómeno El Niño en
la variación espacial y temporal de la PP y de variables asociadas a esta como la TSM y Clo-a
en la Zona de Exclusividad Económica (ZEE) del Pacífico Colombiano para el período 2003 2011.
2. Metodología de trabajo
El estudio se llevó a cabo en la Zona de Exclusividad Económica (ZEE) del pacífico
Colombiano (Fig. 1). Dada la influencia de ríos y actividades humanas sobre las aguas
costeras y con el ánimo de analizar la variación espacial el área de estudio se dividió en 6
subzonas, tres costeras y tres oceánicas.
Figura 1. Área de estudio. La ZEE está ubicada en el océano pacífico centro oriental. La zona
de estudio se dividió en 3 zonas costeras (N1,C1,S1) y tres oceánicas (N2, C2, S2).
La PP se calculó a través de la metodología de Platt y Sathyendranath (1993, 1995)
que plantea que la productividad primaria está determinada por la irradiancia incidente y la
concentración de pigmentos fotosintéticos (estimada como concentración de clorofila-a)
(Ecuación 1), esto se realizó con el programa SeaDAS de la NASA. Los datos de irradiancia
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fueron obtenidos del Proyecto ICANE 1978, y los datos de clorofila-a se obtuvieron a partir
de imágenes mensuales de nivel 3 con resolución de 4 km del sensor MODIS (Moderate
Resolution Imaging Spectroradiometer) a bordo del Satélite Aqua de la NASA desde la
página web: http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/cgi/l3?sen=A.
(1)
Donde:
P(z) es la tasa de PP a una profundidad Z (mg C m-3h-1), B(z) es la clorofila-a una
profundidad z (mg Clo-a m-3), αB es la pendiente inicial de la curva fotosíntesis-irradiancia,
E(z) es la irradiancia a una profundidad z (µmol quanta m-2s-1), PmB es el número de
asimilación (mg C (mg Clo-a)-1 h-1).
Adicionalmente se obtuvieron datos de temperatura superficial del mar de imágenes
mensuales de nivel 3 con resolución de 4km obtenidas también del sensor MODIS. Las
imágenes fueron procesadas para extracción de datos y elaboración de mapa vvs con el
software ArcGIS 9.3. Posteriormente se construyeron series de tiempo de productividad
primaria, clorofila-a y temperatura superficial del mar. Se calculó el ciclo medio anual de la
productividad primaria para 2003 – 2011 y las anomalías de las tres variables.
Para conocer los eventos El Niño ocurridos en la serie de tiempo se obtuvieron datos
del Indice Oceánico El Niño (ONI) del sitio web de la National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) para el período de estudio (Tabla 1):
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears.shtml. Este
índice hace referencia al promedio móvil de las anomalías de la superficie del mar de tres
meses consecutivos en la en la región Niño 3.4 (5º N a 5º S y 120ºWa 170ºW).
Durante el período de estudio se presentaron 4 eventos El Niño (Tabla 1), uno a inicios
de 2003, otro entre 2004 y 2005, otro entre 2006 y 2007 y el último entre 2009 y 2010.
Tabla 1. Valores del ONI para el período de estudio. Los valores en rojo representan presencia
de eventos El Niño y los valores en azul presencia de eventos La Niña.
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Ene Feb Mar Abr
0
1,1 0,8 0,4
0,3 0,2 0,1 0,1
0,6 0,4 0,3 0,3
-1
-1
-1 -0,3
0,7 0,3 -0,1 -0,2
-2
-2
-1
-1
-0,9 -0,8 -0,6 -0,2
1,6 1,4 1,1 0,7
-1
-1
-1
-1
May
-0,2
0,1
0,3
0
-0,3
-1
0,1
0,2
-0,4
Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
-0,1 0,2 0,4 0,4 0,4 0,4 0,3
0,3 0,5 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7
0,3 0,2 0,1
0
-0,2 -1
-1
0,1 0,2 0,3 0,5 0,8
1
1
-0,3 -0,3 -1
-1
-1
-1
-1
-1 -0,3 -0,2 -0,1 -0,2 -0,4 -0,7
0,4 0,5 0,6 0,7
1
1,4 1,6
-0,3 -1
-1
-1
-2
-2
-2
-0,2 -0,2 -0,3 -1
-1
-1
-1
De acuerdo a la clasificación de eventos El Niño y la Niña por su intensidad (Tabla 2)
se encontró que El Niño que se presentó en 2009-2010 fue el más intenso por lo que el
análisis se enfocó en evaluar el comportamiento de las series de tiempo durante esa época.
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Tabla 2. Clasificación de eventos El Niño y La Niña por su intensidad empleando el índice
ONI.
El Niño
Categoría
Rango
Débil
0,5 a 0,9
Moderado
1,0 a 1,4
Fuerte
>1,4
La Niña
Categoría
Rango
Débil
-0,5 a -0,9
Moderado -1,0 a -1,4
Fuerte
< -1,4
Adaptado de Guevara (2008)
Existen diferentes métodos para detectar discontinuidades en series de tiempo
(Rodionov y Overland, 2005). Para detectar cambios abruptos en las series de tiempo de PP,
TSM y Clo-a se aplicó el método Rodionov, este es un método que no requiere asunciones a
priori sobre los cambios de régimen (Rodionov, 2004).
3. Resultados y Discusión
El ciclo medio anual de productividad primaria para la ZEE se muestra en la Figura 2.
Los datos se encontraron en un rango entre 698,0 a 921,3 mg C m-2d-1. Los valores máximos
se presentaron entre febrero y abril y los menores en agosto y noviembre. Este ciclo se ve
fuertemente influenciado por las aguas frías que se presentan en los primeros meses del año a
causa del chorro de viento de Panamá, la intensificación de los vientos alisios del noreste y el
desplazamiento de la Zona de Convergencia Intertropical (Rodríguez- Rubio & GiraldoLópez, 2001), mayo y junio son meses de transición entre la temporada seca y la temporada
de lluvias que se presenta durante el segundo semestre del año (Morales et al, 2002).
Figura 2. Ciclo medio anual de productividad primaria (2003 - 2011)
Las áreas ubicadas en la zona costera presentaron un rango de valores y dispersión
más amplio (593,57 a 1467,3 mg C m-2d-1) que las áreas de la zona oceánica (413,27 a 915,85
mg C m-2d-1).
De acuerdo al método para detección de cambios se encontró que en la PP de las
zonas centro y sur se presentó un cambio fuerte en el año 2006 caracterizado por anomalías
positivas (Figura 3), durante esta época se presentó un evento La Niña de intensidad
moderada. En la zona Norte no se presenta este cambio.
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Figura 3. Anomalías mensuales de productividad primaria (mg C m-2d-1) en la ZEE del
pacífico Colombiano. Se muestran resultados derivados del método Rodionov (línea negra).
Durante el evento El Niño 2009-2010 no se presentan cambios abruptos en la
productividad primaria en las series de tiempo de las seis subzonas analizadas, esto también se
observa al comparar la PP en presencia de El Niño en presencias de La Niña (Figura 4).
Figura 4. Productividad primaria en la ZEE del pacífico Colombiano en meses de presencia de
El Niño de mayor intensidad (2009-2010) del período de estudio (A) y en meses durante los
cuales se presentó un evento La Niña (B).
En la clo-a se presenta un cambio abrupto de duración corta a inicios del año 2006
representado por anomalías positivas (Figura 5). Esta condición se presenta en las zonas
costera y oceánica ubicada en el centro y sur de la ZEE. Este resultado concuerda con lo
encontrado por Sartimbul et al. (2010) quien reporta valores altos de clo-a asociados a
eventos ENSO. En el norte de la ZEE no se observa este cambio. El método de detección de
cambios sugiere que a partir de 2009 las series de tiempo se caracterizaron por presentar
anomalías negativas.
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Figura 5. Anomalías mensuales de clorofila-a (mg/l) en la ZEE del pacífico Colombiano. Se
muestran resultados derivados del método Rodionov (línea negra).
En la parte norte y centro de la zona costera se detectan un mayor número de cambios,
estos cambios abruptos pueden estar relacionados con la descarga de nutrientes proveniente
de los ríos que se desembocan en el Pacífico colombiano (Gómez & Martínez, 2005).
También, a las surgencias que se generan en esta zona favoreciendo el aumento de nutrientes
en la superficie provenientes de las aguas subsuperficiales (Morales et al, 2002) y a las aguas
frías paralelas a la costa (Rodríguez-Rubio & Stuardo, 2002).
Figura 6. Anomalías mensuales de TSM (°C) en la ZEE del pacífico Colombiano. Se
muestran resultados derivados del método Rodionov (línea negra).
El método Rodionov en las series de tiempo de TSM detecta para la zona norte y
centro un cambio de las anomalías en el año 2006 presentando anomalías negativas (Figura
6). Un cambio común en las series de TSM se da desde mediados de 2007 hasta finales de
2009, este período se caracterizó por prevalencia de anomalías negativas. A partir de finales
de 2009 se presentaron anomalías positivas, este cambio coincide con la presencia del evento
El Niño de mayor intensidad en el período de estudio.
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4. Conclusiones
La PP fué mayor en las zonas costeras en comparación con los valores hallados para las
zonas oceánicas. Los cambios observados en las series de tiempo relacionados con la
presencia de eventos El Niño, especialmente con el de mayor intensidad (2009-2010), son
más evidentes en la clo-a y en la TSM que en las series de anomalías de la PP, esto sugiere
que los cambios en esta variable podrían estar influenciados en mayor proporción por otras
circunstancias propias de las dinámica oceánica de la zona como corrientes, anomalías del
nivel del mar, vientos o desembocaduras de ríos y.
Agradecimientos
Al programa Jóvenes Investigadores e Innovadores “Virginia Gutiérrez de Pineda” del
Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación Colciencias y a la
División de Investigaciones – Palmira DIPAL de la Universidad Nacional de Colombia. A
NASA’s Goddard Space Flight Center y Ocean Color Procesing Group de la NASA por el
acceso a las imágenes de satélite.
Referencias Bibliográficas
Hérnandez, B. Variabilidad interanual de las anomalías de la temperatura superficial del mar
en aguas cubanas y su relación con eventos El Niño-Oscilación del Sur (ENOS). Invest.
Mar., Valparaíso,. 30(2): 21-3, 2002.
Guevara, J.M. El ABC de los índices usados en la identificación y definición cuantitativa de
El Niño - Oscilación del Sur (ENSO). Terra. 2008..Vol. XXIV, No. 35, pp. 85-140.
Sreenivas, P; Gnanaseelan, C;. Prasad, K.V.S.R. Influence of El Niño and Indian Ocean
Dipole on sea level variability in the Bay of Bengal. Global and Planetary Change,.80–81
215–225, 2012.
Manzano-Sarabia, M; Salinas-Savala, C. Variabilidad estacional e interanual de la
concentración de clorofila-a y temperatura superficial del mar en la región occidental del
Golfo de México: 1996-2007. Interciencia, Vol. 33 Nº 9, 2008.
Kahru, M; Mitchell, B. 2000. Influence of the 1997-98 El Niño on the surface chlorophyll in
California. Current. Geophysical Research Letters. Vol. 27 No. 18 2937-2940.
Manzano, M; Salinas, C; M. Kahru, M; Luch, S.E; González, A.. The impact of the 19971999 warm-SST and low-productivity episode on fisheries in the southwestern Gulf of
Mexico. Hydrobiologia, 610:257-257, 2010.
Platt, T. & Sathyendranath, S. Estimators of primary production for interpretation of remotely
sensed data on ocean color. Journal of Geophysics Research. 98, 14561- 14576, 1993
Platt, T., Sathyendranath, S., Longhurst, A. Wilson, T.R.S., Woods, J., Takahashi, T. Remotesensing of primary production in the ocean-promise and fulfillment [and Discussion].
Philosophical Transactions: Biological Sciences 348 (1324): 191-202, 1995.
8757
Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE
Klemas, V. Fisheries Applications of Remote Sensing: An Overview. Journal of Fisheries
Research doi:10.1016/j.fishres.2012.02.027, 2010.
Milutinović, S; Bertino, L. Assessment and propagation of uncertainties in input terms
through an ocean-color-based model of primary productivity. Remote Sensing of
Environment 115 1906–1917, 2011.
Platt, T; Sathyendranath, S. Ecological indicators for the pelagic zone of the ocean from
remote sensing. Remote Sensing of Environment 112, 3426–3436, 2008.
Bian, J; Lia, A; Denga, W. Estimation and analysis of net primary Productivity of Ruoergai
wetland in China for the recent 10 years based on remote sensing. Procedia Environmental
Sciences 2, 288–301, 2010.
Hirata, T;. Aiken, J; Hardman-Mountford, N; Smyth, T.J.; Barlow, R.G. An absorption model
to determine phytoplankton size classes from satellite ocean colour Remote Sensing of
Environment, 112, 3153–3159, 2008.
Saba, V; Friedrichs, M; Antoine, Armstrong, D; Asanuma, I; Behrenfeld, M; Ciotti, A;
Dowell, M; Hoepffner, N; Hyde, K; Ishizaka, J; Kameda, Marra, J; Mélin, F; Morel, A;
O’Reilly, J; Scardi, M; Smith Jr., W; Smyth, T; Tang, S; Uitz, J; Waters, K; Westberry, T. An
evaluation of ocean color model estimates of marine primary productivity in coastal and
pelagic regions across the globe. Biogeosciences, 8, 489–503, 2011.
Rodionov, S; Overland, J. Application of a sequential regime shift detection method to the
Bering Sea ecosystem. ICES Journal of Marine Science, 62: 328-332,
doi:10.1016/j.icesjms.2005.01.013, 2005.
Rodionov, S. A sequential algorithm for testing climate regime shifts. Geophysical Research
Letters, vol. 31, l09204, doi:10.1029/2004gl019448, 2004.
Sartimbul, A; Nakata, H; Rohadi, E; Yusuf, B; Kadarisman, H.P. Variations in chlorophyll-a
concentration and the impacto n Sardinella lemuru catches in Bali Strait, Indonesia. Progress
in Oceanography, 87, 168-174, 2010.
Rodriguez-Rubio, E & Giraldo-López, A. Surgencia oceanica en el Pacífico Colombiano
durante febrero-marzo de 1997: Aproximación oceanográfica utilizando sensores remotos.
Resumen ampliado en: IX Congreso Latinoamericano sobre ciencias del Mar, San Andres Isla
Colombia. 2001.
Morales, A., Hansen, I., Malikov, I., Villegas, N. Compilación oceanográfica de la Cuenca
Pacifica Colombiana. Centro de Control y Contaminación del Pacifico, CCCP, 124 pp.,2002.
Rodríguez-Rubio, E; Stuardo, J. Variability of photosynthetic pigments in the Colombian
Pacific Ocean and its relationship with the wind field using ADEOS-I data. Proceedings:
Indian Academic Science (Earth Planet Science) 111 (3): 227-236, 2002.
Gómez, C; Martínez, I. Nueva productividad biológica en el Pacifico oriental ecuatorial:
Respuesta al aporte de nutrientes por los ríos del Pacífico Colombiano, surgencia costera y
polvo atmosférico. Boletín de Geología, 27 (2): pp 100 -114, 2005.
8758