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Teorías físicas de El Niño-Oscilación Sur

Ken TakahashiInstituto Geofísico del Perú

Coloquio de Física PUCP, 20 de octubre de 2011

Clima promedio en el Pacífico tropical

Vientos alisios ecuatoriales

Fuente de datos: NCEP

Temperatura superficial del mar y viento cerca a la superficie

C

Termoclina

PeruAustralia

Condiciones normales

Figura: NOAA PMEL

Procesos a lo largo del ecuador

` Agua cálida

Agua fría

Termoclina

Viento

Afloramiento ecuatorial*

* El afloramiento ecuatorial se debe a la fuerza del viento del este y a la fuerza de Coriolis

Variación interanual extrema en temperatura superficial del mar

Setiembre 1998: La Niña

Setiembre 1997: El Niño

Fuente de datos: NCEP

Anomalía* de temperatura superficial del mar

* “Anomalía” = Diferencia con respecto al valor promedio de al menos 20 años

Niño 3.4

Niño 1+2

Fuente de datos: NCEP

Setiembre 1998: La Niña

Setiembre 1997: El Niño

Niño 4 Niño 3

Pto. Chicama

Tem

pera

tura

del

mar

ecu

ator

ial

Oes

te

E

ste

Menor presión en el este

Mayor presión en el este

Wallace et al.,JGR 1998

Menor presión

Mayorpresión

Durante El Niño…

Cambio en presión (contornos, positivo sólido),

cambio en lluvia (aumento=rojo, disminución=azul),

Cambio en viento superficial (vectores)

Darwin

Tahiti

Termoclina

PeruAustralia

Condiciones normales

Figura: NOAA PMEL

Termoclina

Peru

Australia

Figura: NOAA PMEL

Crecimiento del evento cálido

Proceso de retroalimentación positiva (Bjerknes 1969)

1

1. Calentamiento

2

2. Desplazamiento de la convección

3

3. Debilitamiento del viento del este

4

4. Profundización de la termoclina

¿Qué detiene el crecimiento del Niño? (1)

Onda de Kelvin ecuatorial

Onda de Rossby ecuatorial

Dinámica ecuatorial

Ej. Evolución de una perturbación en la profundidad de la termoclina

Philander et al., 1984t = 10 dias

t = 20 dias

•Las ondas de Kelvin se siempre se propagan al este a lo largo del ecuador.•Las de Rossby hacia el oeste alrededor del ecuador.•La velocidad de las Kelvin es al menos 3 veces mayor que las de Rossby (demoran ~3 meses en cruzar el Pacífico)

¿Qué detiene el crecimiento del Niño? (2)

Reflexión en las costas

Ej. Ajuste ante un viento del oeste súbitamente impuesto

McCreary y Anderson, 1984

•El viento genera ondas Kelvin +vas hacia el este y Rossby –vas al oeste•Las ondas de Kelvin +vas se reflejan como Rossby +vas•Las de Rossby –vas se reflejan como Kelvin -vas

K

K

R

R R

RR

Ecuador

Ecuador

Ecuador

La memoria está en la dinámica

oceánica

Pro

fund

idad

de

la t

erm

oclin

a

Temperatura superficial Kessler, 2002

El modelo más simple

TE: Temperatura en el esteh: Profundidad de la termoclina

Burgers et al., 2005

Oscilador amortiguado con periodo ~37 meses y tiempo de decaimiento de ~24 meses

Pero El Niño real es irregular, no periódico

Espectro de potencia (Niño 3)

Observado

Wittenberg, 2009

Simulaciones numéricas

El Niño

Modelo simple de ENOS

Atmósfera

Oceano

.

Basado en Cane & Zebiak (1987)

V

u T

Termoclina

H

h

-Φ

Φ

Modelo simple de ENOS

Atmósfera

Oceano

.

Basado en Cane &

Zebiak (1987)

La interacción entre la atmósfera y el océano es esencial

Simulación con el modelo simple

Zebiak & Cane 1987

Indice Niño 3

Anomalías de TSM

La irregularidad parece realista pero ¿qué la produce?

¿Es El Niño un fenómeno caótico?

Science, 1994

En el modelo de Cane-Zebiak, el caos parace surgir de la interacción no-lineal con el ciclo anual

¿O es El Niño un fenómeno estocástico?

Thompson & Battisti, 2001

Modelos forzados por ruido blanco

Neutro

Estable

Observado

Un modelo lineal estable (i.e. no oscilatorio) forzado por ruido puede producir “oscilaciones” irregulares similares a lo observado.La predictabilidad es baja en este caso.

¿Caótico o estocástico?

Sarachik & Cane, 2010

E J E

El Niño 1957-58 El Niño 1965-66Data: HadISST 1.1

El Niño 1965-66 El Niño 1972-73Data: HadISST 1.1

El Niño 1982-83 El Niño 1997-98Data: HadISST 1.1*Escala

diferente

El Niño 1977-78 El Niño 1991-92Data: HadISST 1.1

El Niño 2002-03 El Niño 2009-10Data: HadISST 1.1

A B

C

+ --

Patrones dominantes en TSM (Componentes principales o Funciones Ortogonales Empíricas)

Ashok et al., 2007

“ENSO mode”

“El Niño Modoki mode”

Correlation lineal nula por construcción

Normal

El Niño El Niño Modoki

Ashok & Yamagata, 2009

¿Es este un nuevo fenómeno?

Takahashi et al., 2011

The first EOFs are not independent

C axis

E axis

E = (PC1-PC2)/√2

C = (PC1+PC2)/√2

New indices

E ≈ N1+2 - 0.5N4

C ≈ 1.7N4 - 0.1N1+2

Approx.:

DJF means

Takahashi et al., 2011

DJF mean

Moderate El Niño

Extreme El Niño

La Niña

El Niño Modoki

ENSO regimes

Sea surface temperature anomaly patterns

Both E and C patterns are related to ENSO

Takahashi et al., 2011

o = Mayx = Following January

Takahashi et al., 2011

Extreme

Modoki-like

Canonical

Other moderate

events

Evolution of historical El Niño events in phase space

Warm

ing in

eastern Pacific

War

ming

in

centra

l Pac

ific

Moderate canonical or Modoki El Niño

Extraordinary El Niño

La Niña

Takahashi et al., 2011

× Apr to Sep Oct to Mar

Monthly data

Increasing trend in central Pacific El Niño?

Lee and McPhaden, 2010

Media móvil

Desv. Est. móvil

EC

CE

E no MegaNiños

Takahashi et al., 2011

Cambios decadales recientes en El Niño

Data: NOAA ERSST

E no MegaNiños

El Niño and climate change

These climate models project a shift of El Niño to the central Pacific

Yeh et al. 2009

Este comportamiento se observa

aproximadamente en algunos modelos

existentes, incluso en los simples

Modelo “realista”

Modelo simple no-lineal

Modelo poco menos simple no-lineal

Observaciones

Takahashi et al., 2011

Modelo simple de El Niño y el efecto del cambio climático

Kim & An, 2011

T1: Temperatura oeste

T2: Temperatura este

TR: Temperatura de

balance radiativo

Tem

pera

tura

est

e

Temperatura oeste

(TR, TR)

Calentamiento por radiación

Pero este modelo no presenta los dos regímenes

Algunas conclusiones

• Se ha avanzado mucho en el entendimiento de la dinámica de El Niño en los últimos 30 años

• No se conoce qué condiciona la ocurrencia de los eventos extremos

• No se sabe cómo el cambio climático afectará a El Niño

ken.takahashi@igp.gob.pe

Gracias