Aplicacion de mtodos Lagrangianos para la identificacin de

Aplicacion de métodos Lagrangianos para la identificación de fuentes de humedad en diversas regiones de interés climático Luis Gimeno

Interés Científico • La comunidad científica dedicada a la climatología está prestando una atención creciente al origen de la humedad y a la precipitación sobre ciertas áreas de especial interés. • La precipitación sobre una región proviene de 3 contribuciones principalmente: Pcp de la humedad ya existente en la atm. sobre la región de estudio (muy reducida en promedios a largo plazo) A la advección de humedad desde otras regiones “Recycling” (generación de precipitación a partir de la humedad procedente de la evapotraspiración desde la misma superficie sobre la que llueve) Cuantificar la relación recycling/advección no es sencillo. Se precisa el uso de sofisticados modelos atmosféricos que ponderan los flujos netos de humedad a través de los límites de la región que se desea estudiar (Chen et al. , 1994; Liu y Stewart, 2003; Fernández et al. , 2003).

La humedad originada en el interior se puede calcular mediante un balance una vez estimada la cantidad de humedad que llega a una región desde el exterior y conocida la precipitación interior. Estos modelos pueden estudiar la proporción de humedad que llega del exterior, NO son capaces de identificar la región de origen, es decir, la denominada “fuente de humedad”. La mayor parte de los estudios apuntan a que una de las principales consecuencias del cambio climático será la variación en los patrones de circulación atmosférica y las temperaturas superficiales (IPCC, 2006) afectarán indudablemente a la dinámica atmosférica Modificación de la localización de las fuentes de humedad significativas para una región dada El conocimiento preciso de las regiones origen de la humedad que llega a un área presenta una importancia incuestionable para analizar los riesgos climáticos a escala local

• La identificación directa de estas regiones fuente presenta complicaciones metodológicas: Tradicionalmente la identificación del lugar de origen de la precipitación se realiza mediante el análisis isotópico del agua precipitada computadoras de elevada potencia + grandes bases de datos con información meteorológica a escala global * exige un conocimiento muy preciso de la región de estudio, * costosas campañas de medición * los resultados pueden estar interferidos por las condiciones en las que se toman las muestras de agua (generalmente en acuíferos que reciben aportaciones de varias fuentes simultáneamente) Nuevos métodos para el análisis de fuentes de humedad basados en modelos dinámicos de transporte atmosférico FLEXPART Modelo de dispersión lagrangiano (Stohl et al. , 1998) ha permitido analizar la propagación de determinados componentes traza en la atmósfera y recientemente se ha reconocido su valor para el estudio de los flujos de humedad [eventos de precipitación extrema (Stohl y James, 2004) o fuentes de humedad medias (Stohl y James, 2005; Nieto et al. 2005).

Método modelo FLEXPART + datos analizados del ECMWF división homogénea de la atmósfera en 1. 398. 801 “partículas” de igual masa m constante cada 6 horas resolución horizontal de 1ºx 1º 60 niveles en la vertical (14 por debajo de 1500 m) • El modelo es capaz de “transportar” hacia atrás en el tiempo a partir de un momento dado y en pasos sucesivos, todas las partículas utilizando el campo 3 D de viento observado. ● t 0, q 0 …. ● t-1, q-1 ● t-2, q-2 ● t-10, q-10 …. ● t-3, q-3 Se conoce q es posible conocer en todo momento la humedad específica distinguir a las que han perdido humedad por producción de precipitación p (q-1< q 0) o ganado humedad por evaporación desde la superficie e (q-1< q 0 )

Las variaciones de humedad de una partícula a lo largo de una trayectoria se pueden calcular por medio de los cambios en q: ● e-p 0 …. ● e-p-1 ● e-p-2 ● e-p-10 …. ● e-p-3 La integración de (e-p) para todas y cada una de las partículas que residen sobre una columna atmosférica de una superficie dada y para un periodo de tiempo prolongado, dará el flujo total de agua dulce hacia la superficie (E-P) . . E evaporación total sobre la superficie P precipitación K nº de part. que residen en el área Formalismo Euleriano Las partículas se identifican cada 6 horas y se calculan trayectorias hacia atrás para 10 días

REGIONES DE ANÁLISIS SAHEL PERIODO DE ANÁLISIS 5 años [2000 -2004] ISLANDIA PENÍNSULA IBÉRICA

SAHEL Nieto, R. , L. Gimeno, and R. M. Trigo (2006) “A Lagrangian identification of major sources of Sahel moisture” Geophys. Res. Lett. , 33, L 18707, doi: 10. 1029/2006 GL 027232

SAHEL INTERÉS: Es una región semi-árida Altamente vulnerable a la variabilidad climática Ha experimentado fluctuaciones importantes en el régimen de precipitación, incluyendo largos períodos de sequías. En la segunda mitad del siglo XX experimentó 2 periodos muy diferentes: 1950 s & 1960 s anómalamente húmedo 1970 s & 1980 s anómalamente seco Es necesario considerar las fuentes de humedad correctamente cuando se analizan las causas de estas fluctuaciones en la precipitación, así como la falta de éstas sin aporte de humedad.

SAHEL Comparación de los resultados de E-P entre el método Lagrangiano y Euleriano (2000 -2001) Eulerian data: http: //www. cgd. ucar. edu/cas/catalog/newbudgets/in dex. html#Sec 7 NCAR-NCEP data T 42 spectral truncation on a 128 x 64 Gaussian grid Lagrangian data: ECMWF data on a 360 x 180 grid Buen acuerdo Independencia del método, del tipo de reanálisis y de las escalas. The interval of the data ranges from -1 and 1. Solid line: 0 contour; dotted (dashed) line represents positive (negative) values; intervals for E-P=0. 2 mm/day. Comparación de P entre los resultados Lagrangianos y datos de GPCP La isolinea de 1 mm/day muestra que el método Lagrangiano (linea continua P=E-P<0 -> esta aprox. tiende a subestimar) es capaz de reproducir el gradiente meridional de P. Los datos de P derivados de satélite suelen estar afectados de una considerable incertidumbre GPCP V 1 DD dataset from NASA (1º daily combination precipitation estimates (http: //ingrid. ldeo. columbia. edu/SOURCES/. NASA/. GPCP/. V 1 DD) El acuerdo obtenido parece ser satisfactorio

Media anual de los campos (E-P)n para la región del Sahel para retrotrayectorias, (E-P)1, (E-P)2, (E -P)3, (E-P)5, (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1, i. e. , promediado sobre 10 días hacia atrás (E-P)1 -> todo el aire reside en el HN y la mayor parte sobre el propio Sahel y áreas circundantes. (E-P)1<0 azules: * Océano Atlántico entorno al Sahel, incluyendo el Golfo de Guinea sobre esta región las precipitaciones típicas son de tipo convectivo en el tránsito de las masas de aire hacia el Sahel (ICZ) (E-P)2 * SE de Sahel en África Central (continente) área de P de masas de aire con origen en el Océano Índico (E-P)1>0 rojos: * Sahel y áreas continentales cerca del Sur en Sahel Central y hacia el Norte en el W-Sahel la humedad sobre la región del Sahel recibe una fuerte contribución del suelo. Similar para (E-P)2.

Media anual de los campos (E-P)n para la región del Sahel para retrotrayectorias, (E-P)1, (E-P)2, (E -P)3, (E-P)5, (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1, i. e. , promediado sobre 10 días hacia atrás Continúa el transporte. (E-P)3 * (E-P)1>0 rojos: Aparece el Mediterráneo como nueva fuente de humedad Estudios con modelos sugieren al Mediterráneo como explicación en las fluctuaciones de la precipitación. Si las SSTs en el Mediterráneo están más cálidas que la media, la evaporación local está favorecida y el contenido de humedad en la baja troposfera crece. La humedad adicional es advectada hacia el sur a través del E-Sahara por el flujo general llegando al Sahel (Rowell, 2003) (E-P)1<0 azules: Áreas más extendidas hacia el W y E a lo largo de ICZ.

Media anual de los campos (E-P)n para la región del Sahel para retrotrayectorias, (E-P)1, (E-P)2, (E -P)3, (E-P)5, (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1, i. e. , promediado sobre 10 días hacia atrás (E-P)5 El patrón es muy similar entre el 5º día de transporte y el 10º. (E-P)3 (E-P)<0: Expansión por el Atlántico, alcanzando Iberia Las partículas se expanden sobre la mayor parte del Mediterráneo y el Mar Rojo. (E-P)10 Las partículas que cruzan el ICZ continúan perdiendo humedad, pero existe una región en la costa Atlántica Subtropical con (E-P)>0 (E-P)10 : Esta región se expande hacia el W y el S Sin embargo los (E-P)n<0 para los primeros 3 días de transporte en el área ICZ indican que mucha de la humedad se pierde por precipitación antes de que al aire llegue al Sahel. Algo similar ocurre con la humedad producida en al área de (E-P)10>0 sobre el Océano Índico.

Media anual de los campos (E-P)n para la región del Sahel para retrotrayectorias, (E-P)1, (E-P)2, (E -P)3, (E-P)5, (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1, i. e. , promediado sobre 10 días hacia atrás (E-P)10<0 Fuerte ganancia de humedad sobre el propio Sahel “recycling” Costas del Atlántico Norte hacia Iberia Mediterráneo incluyendo el Mar Rojo y el Atlántico Sub-Tropical incluyendo el Golfo de Guinea

Series temporales de (E-P)n calculadas para las retrotrayectorias de las partículas que llegan al Sahel e integradas sobre las regiones de mayor aporte de humedad E Mediterráneo , Costa Atlántica , Atlántico Sur/Golfo Guinea y Sahel CUANTIFICACIÓN DEL TRANSPORTE DE HUMEDAD B: Valores absolutos de las series temporales de (E-P)n (escala x 100) N-Atlántico 2ª región en importancia desde día 1 -5 Las 4 regiones presentan un rango de contribución relativa menor para (E-P)10, con E-Mediterráneo muy próximo S-Atlántico/Golfo de Guinea Sahel fuente más importante para los 10 días. E-Mediterráneo importante desde el día 3 S-Atlántico/Golfo de Guinea importante desde día 6 Desde el día 7 al 10 E-Mediterráneo y S-Atlántico/Golfo de Guinea muestran la misma importancia C: Valores relativos de las series temporales de (E-P)n, N-Atlántico aporte siempre positivo pero menor se tiene encuenta el área de (debido a su tamaño más pequeño) cada región (escala x 109)

Medias estacionales de (E-P)10 (10 días)-1 (winter, JFM ; spring, AMJ ; summer, JAS and autumn, OND) Diferencias en la región ICZ: Otoño: más confinada hacia el Atlántico y África Invierno: ligeramente expandida hacia el Pacífico Primavera: expandida hacia el Índico e Indonesia Verano: ausente en el Atlántico, más fuerte en Asia y existen algunas regiones negativas en el Sahel. En acuerdo con el ciclo estacional del monzón WAfricano Al norte de 8ºN de latitud, el ciclo estacional de precipitación consiste en una sóla estación lluviosa, desde Julio a Septiembre en el Norte del Sahel [Lebel et al. , 2003]. Otras diferencias importantes ocurren durante el verano estación en la que las discrepancias son mayores y las precipitaciones sobre el Sahel son más abundantes

Medias para el verano a) (E-P)1, b) (E-P)2, c) (E-P)3, d) (E-P)5 y e) (E-P)10. (E-P)n no es completamente positivo sobre el Sahel para los 3 primeros días de transporte Hay regiones dentro del Sahel donde la humedad: Aumenta mitad oeste Decrece parte central (áreas con precipitación convectiva ((E-P)1 negativa) Esto concuerda con el máximo de ocurrencia de complejos mesoescalares convectivos a 10ºE (Lebel et al. [2003]). No existe area de (E-P) negativa entre el Sahel y la región fuente del Atlantico Sur. Los valores altos de (E-P)3, (E-P)5 y (E-P)10 >0 sobre el Atlántico Sur indican fuentes importantes de humedad (E-P)10 >0 sobre el sur del Índico pueden no estar asociados con fuentes importantes de humedad debido a los valores de (E-P)1 -5<0 (5 primeros dias)

RESUMEN • La fuente principal de humedad para el Sahel es el recycling • Esta fuente es importante durante los primeros días de transporte y tambien para el romedio de todos los 10 días de transporte • Otras dos fuentes importantes son: – Banda alargada a lo largo del Atlántico Norte desde latitudes del Sahel hasta las costas de Iberia – Área Mediterránea, incluyendo el Mar Rojo. • Existe una fuente grande de humedad sobre el Atlántico Sub. Tropical durante los 5 primeros dias de transporte, así como para el promedio para los 10 días. • Sin embargo, no es una región fuente durante el otoño, invierno y primavera debido a la pérdida de hudad por precipitación durante los últimos 3 días antes de la llegada del aire al Sahel. • Durante el verano sí que resulta una fuente eficaz de humedad. • El Océano Índico no parece ser una fuente importante, aunque puede tener una influencia menor durante el verano.

ICELAND R Nieto, L Gimeno, D Gallego and R. M. Trigo (February 2007) “Contributions to the moisture budget of airmasses over Iceland” Meteorologische Zeitschrift, Vol. 16, No. 1, 1 -3.

Media anual de los campos (E-P)n para la región de Islandia para retrotrayectorias, (E-P)1, (E-P)2, y (E-P)10 (10 days)-1, i. e. , promediado sobre 10 días hacia atrás El Mar de Noruega es la región dominante como fuente de humedad para las masas de aire que llegan a Islandia. Importante durante los primeros días y tambien para el promedio de los 10 días de transporte. El NW Atlántico es tambien una fuente importante, por debajo de 45ºN para el promedio a 10 días, pero su contribución neta sobre Islandia no es demasiado importante debido a que se pierde la humedad por precipitacón durante los 2 últimos días de transporte antes de llegar a Islandia (E-P)1 y (E-P)2<0 Atlántico Norte (40º-50ºN) Partículas que llegan desde el Océano Atlántico por debajo de 40ºN y viajan hacia el NE en la dirección del storm track produciendo precipitación en su camino hacia Islandia

Media anual de los campos (E-P)n para la región de Islandia para días con precipitación sobre Reykjavik (E-P)1>0 Mar de Noruega, pero no es la fuente más importante. La región Atlántica alrededor de Islandia es ahora la más evaporativa para las masas de aire que dejan precipitación sobre Reykjavik, SW-Iceland. Patrón similar para (E-P)2. (E-P)1 y (E-P)2<0 Atlántico Norte (40º-50ºN) (E-P)10>0 Océano Atlántico al sur de 40ºN.

Series temporales de (E-P)n calculadas para las retrotrayectorias de las partículas que llegan a Islandia e integradas sobre las regiones de mayor aporte de humedad S Islandia , NW Atlántico y Mar de Noruega CUANTIFICACIÓN DEL TRANSPORTE DE HUMEDAD B: Valores absolutos de las series temporales de (E-P)n C: Valores relativos de las series temporales de (E-P)n, se tiene encuenta el área de cada región (escala x 1012) WN Atlantico: región de mayor contribución a 3 -10 dias Mar de Noruega: la más relevante durante dia 1 y 2 S Islandia: tarda 3 dias en ser una fuente de humedad Se evidencia la importancia relativa del Mar de Noruega

RESUMEN • La región dominate en aporte de humedad es el Mar de Noruega • En el NW Atlántico se produce evaporación importante cuando se promedia para 10 días. Su contribución neta no es importante ya que se pierde la humedad transportada por precipitación antes de llegar a Islandia. • Para los días de precipitación sobre el SW de Islandia los resultados son ligeramente diferentes. – Las regiones que rodean Islandia por el Atlántico a lo largo del storm track y sobre la parte final de la corriente del Golfo son ahora las que más aportan humedad. – El Mar de Noruega sigue siendo fuente de humedad pero pierde importancia.

PENÍNSULA IBÉRICA

Media anual de los campos (E-P)n para la región del Sahel para retrotrayectorias, (E-P)1, (E-P)3, (E -P)5, (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1, i. e. , promediado sobre 10 días hacia atrás (E-P)>0 *Los primeros días sobre la PI y regiones marítimas cercanas *Océano Atlántico (tropospheric rivers alimentando de humedad a los WCB) *Mediterráneo: principal fuente para el promedio de 10 días *A partir del 5 día fuente Golfo de Méjico

Medias estacionales de (E-P)10 (10 días)-1 (winter, JFM ; spring, AMJ ; summer, JAS and autumn, OND) (E-P)>0 *El verano es cuando mayor diferencia se aprecia Recycling y mares colindantes *Otoño e invierno Océano Atlántico

Medias anuales de (E-P)10 (10 días)-1 para las 4 regiones climáticas de la Península Ibérica N NO CS E

Medias anuales de (E-P)10 (10 días)-1 (escala ajustada al mapa de CS) N CS NO E

Medias anuales de (E-P)10 (10 días)-1 (ZOOM escala ajustada al mapa de CS) NO N CS E

TAMBIÉN ESTÁ HECHO Medias anuales y estacionales de las trayectorias de las partículas sin analizar las ganancias o pérdidas de humedad. Medias estacionales de (E-P)1 hasta (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1 para las 4 regiones climáticas de la Península Ibérica Medias anuales y estacionales de (E-P)1 hasta (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1 pero para los casos en los que sólo hay precipitación sobre la PI (E-P)<0 APR. LAGRANGIANA Medias anuales y estacionales de (E-P)1 hasta (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1 pero para los casos en los que sólo hay precipitación sobre la PI utilizando datos de GPCP Se observan ligeras diferencias (referenciadas a datos de GPCP): - Para el caso promediado a 10 días el Mediterráneo aparece como fuente mejor remarcada - La región Cantábrica aparece menos marcada como fuente Medias anuales y estacionales de (E-P)1 hasta (E-P)10 y (E-P)10 (10 days)-1 para las 4 regiones climáticas de la Península Ibérica pero para los casos en los que sólo hay precipitación sobre cada una de las regiones utilizando datos de GPCP

EN REALIZACIÓN Comparación entre inviernos de máxima precipitación y sequía: año 2001 y 2004 EN PROYECTO Utilización de reanálisis ERA 40 extendiendo el período de estudio Efecto de NAO Seguir un ciclo ENSO Estudiar cambios decadales en las fuentes de humedad Utilización de modelos de atmósfera global (WACCM) para alimentar FLEXTRAP Fuentes de humedad en climas cambiantes

Vostok 78. 5 S, 106. 8 E (E-P)1 (E-P)3 (E-P)10 ÍN CO DI * (E-P)5 (E-P)10 0. 50 -0. 50 Scale (mmx 100 / day 2) -0. 50 50º-30ºS 0. 50 -0. 50 Scale (mmx 100 / day 2) 0. 50

Byrd 80. 0 S, 119. 5 W (E-P)1 (E-P)3 (E-P)10 (E-P)5 PA * (E-P)10 CÍ FI CO 50º-30ºS O ÍN 0. 50 -0. 50 Scale (mmx 100 / day 2) -0. 50 Scale (mmx 100 / day 2) 0. 50 IC D

Aplicacion de métodos Lagrangianos para la identificación de fuentes de humedad en diversas regiones de interés climático Luis Gimeno

Nor. Oeste i 10 estacional EFM JAS AMJ OND

Norte i 10 estacional EFM JAS AMJ OND

Centro-Sur i 10 estacional EFM JAS AMJ OND

Este-Mediterráneo i 10 estacional EFM JAS AMJ OND

E-P<0 Iberia Anual 2000 -2004 E-P i 10 ANUAL 2000 -2004

Ltcero Iberia i 10 estacional EFM JAS AMJ OND

PARTICULAS IBERIA ANUAL 2000 -2004 Nº partículas total= 118373000 niveles=[800, 1600, 3200, 6400, 12800, 25600, 51200, 102400] a 4. 37242 e+006 b 1. 47079 e+007 c 3. 37373 e+007 d 6. 52375 e+007 e 8. 67251 e+007 f 1. 00652 e+008 g 1. 09954 e+008 h 1. 14426 e+008 3. 69378% 12. 4250% 28. 5009% 55. 1119% 73. 2644% 85. 0297% 92. 8879% 96. 6655% Nº/day