Centro Internacional para la Investigación del Fenómeno de El Niño

I FORO DE PERSPECTIVAS CLIMÁTICAS PARA SUDAMÉRICA Guayaquil - Ecuador, 01 al 04 de Octubre 2012

Seminario - Taller Clima de Sud América

Variabilidad Climática I: ENSO y otros modos

Relator: Dr. René D. Garreaud www.dgf.uchile.cl/rene

Departamento de Geofísica Universidad de Chile

Dinámica de ENOS e Impactos Globales + Otros modos En esta exposición se describen las bases físicas del fenómeno ENOS (El Niño - Oscilación del Sur) como un ejemplo del sistema acoplado atmósfera-océano sobre el Pacifico tropical. Luego se analizan los impactos de ENOS a nivel global a través del las teleconecciones atmosféricas. Finalmente se revisan las principales consecuencias de ENOS en América del Sur, y en particular a lo largo de la costa oeste del continente. • Variabilidad interanual del clima…cuan importante? • Modos globales de variabilidad climática • Anatomía de ENSO • Dinámica de ENSO (iniciación, crecimiento, cambio de fase) • Impactos globales de ENOS • ENOS en el pasado y futuro • PDO & AAO: Aspectos básicos

Interannual Precipitation Variability (UdW data)

La Serena P(JJA)

The low-level air temperature field

Local, interannual variability of P, SAT and other variables (cloudiness, wind, moisture…): • Hardly local or internal (e.g., coupling with soil moisture) • Usually coherent on space with near and remote regions • Most likely produced by modes of large-scale circulation

ENSO, PDO, AAO, AO, NAO

Physical mechanism Spatial pattern Temporal behavior

Patterns / modes of large-scale circulation…be aware!

Quadreli and Wallace, J. Climate, 2002

Quadreli and Wallace J. Climate, 2002

How to make a circulation mode? •Choose a variable/level from reanalysis •You may want to pre-filter the data and select a sub-domain •Use your favorite stat-software (Matlab, Maple, etc) •Select a complicated tool (e.g., complex-rotated-extended-multidimensional EOF) •Get your spatial pattern and loading factors (time series)

Unfortunately, it is very likely that you get a mode that is very similar to something already known.

Leadings modes of interannual (and longer) of atmospheric variability: ENSO – PDO(?) - AAO

Leadings modes of interannual (and longer) of atmospheric variability: ENSO – PDO(?) - AAO

Climatología de TSM (colores) y PNM (contornos) Notar gradiente zonal en ambas variables

ENSO representa, por lejos, la mayor fuente de variabilidad interanual a nivel global (y por cierto sobre Sud América). Para comprender su dinámica primero debemos entender el estado medio del sistema Océano-atmosfera en la cuenca del Pacifico

1020

1005

<20°C >28°C

Surgencia: Afloramiento de aguas profundas (frías, ricas en O2 y nutrientes) por efecto del viento

Surgencia costera Surgencia ecuatorial

Acoplamiento océano-atmósfera es un elemento clave en el funcionamiento del sistema: Bjerknes feedback

• El gradiente térmico E-W (caliente en el W y frío en el E) condiciona

un gradiente bárico (baja en el W y alta en el E) • El gradiente E-W de presión condiciona una circulación persistente

de E a W (vientos alisios)

• Los vientos alisios hacen aumentar el nivel del mar en Oceanía y favorecen el desarrollo de surgencia.

• La surgencia de aguas relativamente fría a lo largo del Pacífico Ecuatorial tiende a mantener el contraste térmico y por esta vía, el gradiente de presión.

Sin embargo, condición normal no siempre esta presente. TSM aumenta y disminuye, especialmente en el Pacifico ecuatorial, dando origen a los años de El Niño (cálido) y La Niña (fríos)

Anomalías de TSM (valor mensual – promedio)

Periodicidad: 3-7 años, duración: 1-2 años, Amplitud ~1-2°C

Estan la OS y EN asociados? SI.....

El Niño (TSM sobre el promedio) ⇔ Anticiclón del Pacifico relativamente bajo

La Niña (TSM bajo el promedio) ⇔ Anticiclón del Pacifico relativamente alto

Examples of ENSO events during the past 50 years

• Disminuye la presión frente a la costa de Ecuador, Perú y norte de Chile, y aumenta en el Pacífico occidental (fase negativa de la OS)

• Los vientos alisios se debilitan por menor gradiente de presión.

• Se debilita la surgencia a lo largo del Pacífico ecuatorial, como resultado del debilitamiento de los alisios

• Aumenta la temperatura superficial del mar debido a la menor surgencia. La zona de ascenso de la celda de Walker se mueve hacia el Este.

• Aumenta el nivel del mar en la costa de América del Sur, y disminuye en Oceanía.

• El contraste térmico E-W disminuye a lo largo del Pacífico ecuatorial

• Lo anterior favorece un reforzamiento de las anomalías de presión y de los efectos asociados.

• El fenómeno persiste ! !

Bjerknes Feeback ENOS: Fase Cálida (EN)

• Aumenta la presión frente a la costa de Ecuador, Perú y norte de Chile, y disminuye en el Pacífico occidental (fase positiva de la OS)

• Los vientos alisios se intensifican por el mayor gradiente de presión.

• Se fortalece la surgencia a lo largo del Pacífico ecuatorial, como resultado de la intensificación de los alisios.

• Disminuye la temperatura superficial del mar debido a la menor surgencia. La zona de ascenso de la celda de Walker se mueve hacia el Oeste.

• Disminuye el nivel del mar en la costa de América del Sur, y aumenta en Oceanía.

• El contraste térmico E-W aumenta a lo largo del Pacífico ecuatorial

• Lo anterior favorece un reforzamiento de las anomalías de presión y de los efectos asociados.

• El fenómeno persiste ! !

ENOS: Fase Fría (LN)

Dinámica de ENSO Fase de crecimiento bien explicada por mecanismo de retroalimentación de Bjerknes (1966). Sin embargo hay varios aspectos que permanecen en debate: 1. Oscilación continua v/s fenómeno esporádico 2. Mecanismo de iniciación 3. Mecanismo de transición de fase

Iniciación de ENSO • “Westerly wind bursts” asociados a MJO o Monzón del Asia • Termoclina profunda en la región ecuatorial parece condición necesaria pero no

suficiente

Mecanismos de transición de fase:

1. Teoría del oscilador retardado (Delayed Oscillator: Schopf and Suarez 1988; Battisti and Hirtz, 1989): La memoria del océano es provista por la profundidad de la termoclina mediante la propagación y reflexión de ondas oceánicas. En este caso, el periodo de ENSO es determinado por la velocidad de fase de las ondas en juego.

2. Teoría del oscilador recargado (Wyrtki 1975; Jin 1997): La memoria del océano es provista por la profundidad promedio de la termoclina la cual esta permanentemente fuera de equilibrio con el esfuerzo del viento en la franja ecuatorial.

3. Otras teorías (oscilador advectivo-reflectivo, oscilador unificado).

V’ > 0

How does El Nino End?

http://iri.columbia.edu/climate/ENSO/theory/

1. Hit ocean with a westerly wind stress pulse

2. Warm Kelvin waves propagate east along equator

Event starts!

3. Cold Rossby waves propagate west at higher lat and reflect back eastward as Kelvin waves Event ends

A growing El Nino contains the seeds of its own destruction.

Kelvin and Rossby waves, and the delayed oscillator mechanism (1988)

1. An initial weakening of trades 2. Warm kelvin wave, positive feedback, El Nino peaks 3. Cold Rossby waves making their way to the west pacific 4. Reflecting from western boundary and ending the event, starting a La Nina event. 5. All repeats with opposite signs…

Impactos de ENSO • Global • Regional

http://www.knmi.nl/research/global_climate/enso/effects/

GHCN Composites for EN years

Rainfall Surface Air Temperature

JJA

D

JF

Impactos climáticos de EN

verano

invierno

Ref: CPC/NCEP/NOAA

Impactos climáticos de LN

Red: EN3.4 Black: El Niño Modoki Index

Variability of El Niño/Southern Oscillation activity at millennial timescales during the Holocene epoch Nature, 420, 162 - 165 (2002); doi:10.1038/nature01194 Christopher M. Moy1,4, Geoffrey O. Seltzer1, Donald T. Rodbell2, and David M. Anderson3

ENSO in the past

http://www.nature.com/nclimate/journal/v1/n2/images_article/nclimate1086-f2.jpg

ENSO in the future

TALLER INTERNACIONAL GESTIÓN DE RIESGOS: ACCIONES FRENTE A LA POSIBLE

OCURRENCIA DEL FENÓMENO EL NIÑO 22-23 de agosto de 2012 Samborondón, Ecuador

Avances y limitaciones de los pronósticos globales, situación actual

Aldo Montecinos Departamento de Geofísica Universidad de Concepción, Chile

TEMARIO: 1. Análisis de predictibilidad de ENOS, especialmente en la última década 2. Predictibilidad de un modelo acoplado 3. Cambios en los patrones de teleconexión, por qué?

Gentileza de Aldo Montecinos

Se espera un incremento en la habilidad de predecir el ENOS (aumento de la predictibilidad), especialmente de los modelos dinámicos, debido a que en las últimas décadas hay: 1. Mejores observaciones 2. Mejores sistemas de asimilación 3. Mejores parametrizaciones de procesos físicos 4. Mayor resolución espacial 5. Mayor conocimiento sobre la dinámica del ENOS A mediados de los 90s (incluso para el evento 97/98) i) niveles moderados de predictibilidad. Correlación entre observacions y pronósticos con 6 meses de anticipación es de 0,6 Julio => A S O N D E (FMA) 6 5 4 3 2 1 ii) modelos estadísticos y dinámicos presentan skills similares

Gentileza de Aldo Montecinos

Desde febrero de 2002, y con un intervalo mensual, IRI guarda y entrega pronósticos estacionales de la anomalía de TSM en la región Niño 3.4 (real-time forecast)

0 1 2 3 4 5 6

Gentileza de Aldo Montecinos

Modelos dinámicos (12) y estadísticos (8)

Gentileza de Aldo Montecinos

Anomalía TSM en región Niño 3.4, relativo al periodo 1981-2010. Periodo de estudio

- Menor varianza - Casi sin periodos neutros

Gentileza de Aldo Montecinos

Correlación

persistencia

Gentileza de Aldo Montecinos

Raíz del error cuandrático medio (rmse) persistencia

Gentileza de Aldo Montecinos

CONCLUSIONES - La predictibilidad del ENOS disminuyó en la última década, debido a la disminución de la varianza del campo de TSM en el Pacífico ecuatorial central. A 6 meses de anticipación la correlación entre pronósticos y observaciones es 0.42. - El problema general que presentan los modelos ocurre en las transiciones, tanto al comienzo de un evento como al final. Los modelos tienden a hacer que las anomalías de TSM persistan mucho más que lo real. - Los modelos dinámicos mejoran los estadísiticos (y la simple persistencia) al mostrar cierta predictibilidad a través de la barrera de primavera. - Una alternativa interesante es el uso de modelos climáticos acoplados. El análisis de predictibilidad solo ha probado que existe alta predictibilidad en la región tropical, especialmente del Pacífico, tanto para la TSM, precipitación como Z200. Algo de señal se observa en el Pacífico Sur, especialmente en el campo de Z200.

Gentileza de Aldo Montecinos

Leadings modes of interannual (and longer) of atmospheric variability: ENSO – PDO(?) - AAO

Annual mean Precip/SAT regressed upon index of large-scale modes (50 years of data)

PDO Basics

The "Pacific Decadal Oscillation" (PDO) is a long-lived El Niño-like pattern of Pacific climate variability. While the two climate oscillations have similar spatial climate fingerprints, they have very different behavior in time. Causes for the PDO are not currently known. Two main characteristics distinguish PDO from ENSO: 1. 20th century PDO "events" persisted for 20-to-30 years, while typical ENSO events persisted for 6 to 18 months 2. The climatic fingerprints of the PDO are most visible in the North Pacific/North American sector, while secondary signatures exist in the tropics and the SH - the opposite is true for ENSO. Several independent studies find evidence for just two full PDO cycles in the past century: "cool" PDO regimes prevailed from 1890-1924 and again from 1947-1976, while "warm" PDO regimes dominated from 1925-1946 and from 1977 through (at least) the mid-1990's.

The Southern Hemisphere Annular mode (SAM), or Antarctic Oscillation, is the leading mode of monthly and longer variability of the tropospheric circulation poleward of 20ºS. SAM is tropospheric deep, highly symmetric mode, involving mass exchange between high and mid latitudes. What causes SAM is not well known, likely eddy – mean flow interaction The SAM has shown a trend toward decreases pressure over Antarctica (positive polarity; faster polar vortex), partially attributed to decrease in stratospheric O3. ← AAOI regressed upon SLP (upper panel) and zonal average of zonal wind (lower panel) Thompson and Wallace 1999