XXXIV Jornadas Cientıficas de la Asociacion Espanola deMeteorologıa (Teruel, 29 febrero - 2 marzo 2016)

ISBN 978-84-617-5240-9

Analisis de sensibilidad de la circulacion atmosferica a losforzamientos externos mediante tipos de circulacion

J.A. Garcıa-Valero1, J.P. Montavez2, Juan Jose Gomez Navarro3

(1) Agencia Estatal de Meteorologıa, Avda. de la Libertad 11, 30071 Guadalupe, Murcia, jugarciav@aemet.es(2) Dpto. Fısica, Universidad de Murcia. Campus de Espinardo, Ed. CIOYN, 30071 Murcia, montavez@um.es

(3) Oeschger Centre. Climate change research. Universidad de Berna (Suiza)

1. Introduccion

La variabilidad climatica sobre una regionesta condicionada fundamentalmente por dos grandesfactores. Uno de ellos es la variabilidad interna delSistema Climatico, resultado de complejas interac-ciones de caracter no lineal entres sus componentes,mientras que el otro factor lo constituyen los for-zamientos de tipo externo. Ejemplos de estos ultimosson los cambios en la irradiancia solar, en la composi-cion quımica de la atmosfera, ası como las intrusionesbruscas de aerosoles inyectadas a la estratosfera porla actividad volcanica.Para analizar el papel que los diferentes factores hantenido en la evolucion del clima de una region a lolargo del tiempo, es requisito fundamental disponerde series climaticas largas para poder explorar su va-riabilidad a diferentes escalas temporales, ası comode series de forzamientos externos.Desafortunadamente, la observacion instrumental quetuvo auge notable a partir del siglo XIX, es insufi-ciente para estudios de este tipo, siendo necesarioacudir a series climaticas mas largas reconstruidasmediante elementos proxys, ası como a series deriva-das de simulaciones paleoclimaticas llevadas a cabocon modelos climaticos. En el primer caso, las seriesreconstruidas presentan una senal de ruido muy im-portante dificultando el analisis de relaciones entre lavariabilidad climatica y los forzamientos. En el casode las series simuladas estas son series fısicamenteconsistentes convirtiendose en una herramienta muyutil para este tipo de analisis.

En el ultimo milenio, diferentes simulaciones

efectuadas sobre Europa indican la existencia de unaimportante variabilidad climatica, ası como la notablerelacion de los forzamientos externos en el desarro-llo del perıodo frıo conocido como Pequena Edadde Hielo. Ası, alrededor de 1700, las series simula-das (tambien las reconstruidas para algunas regiones)reflejan un perıodo frıo conocido como Mınimo deMaunder, el cual se relaciona con una baja activi-dad solar, ası como otro perıodo frıo entorno a 1800,Mınimo de Dalton, asociado a una gran actividadvolcanica.La relacion entre la variabilidad climatica de una re-gion y la circulacion atmosferica dominante sobre es-ta region es un hecho claro, por ello, analizar el papelque los forzamientos externos tienen sobre la dinami-ca atmosferica puede ayudar a entender, en parte, suvariabilidad climatica. Una forma de caracterizar lacirculacion atmosferica dominante sobre un area esa traves de los Tipos de Circulacion (TCs) (Garcıa-Valero et al., 2012). Estos se pueden asimilar comoaquellos estados atractores del comportamiento caoti-co de la dinamica atmosferica en los que se podrıaresumir todo el conjunto de estados atmosfericos po-sibles (Lorenz, 1956). La relacion entre forzamientosy TCs se podrıa ivestigar analizando si los forzamie-tos favorecen o inhiben la aparicion de unos TCs uotros.

Hay muy pocos estudios que han tratado de buscarrelaciones entre los forzamientos y los TCs. En Huthet al. (2008) se analiza la relacion entre el forzamientosolar y los TCs de la clasificacion de Hess-Brezowskysobre Europa para el perıodo 1949-2003. Los resul-tados indicaron que en invierno se producıa un in-

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cremento (descenso) de la frecuencia de los Oestes(Estes) sobre Europa Central durante los perıodos dealta (baja) actividad solar. Por otro lado, dentro delproyecto EMULATE (European and North Atlanticdaily to MULtidecadal climATE variability), se eva-luo el papel del forzamiento antropogenico en losTCs usando para ello simulaciones climaticas con ysin forzamiento antropico (Knight et al., 2007). Lassimulaciones se llevaron a cabo para la segunda mitaddel siglo XX y todo el siglo actual. Los resultados deeste estudio evidenciaron cambios muy importates enla frecuencia de los TCs cuando en las simulacionesse consideraba el forzamiento de origen antropogeni-co, observandose los cambios mas relevantes en ve-rano que en cualquier otra estacion del ano.

El objetivo principal de este estudio consiste enanalizar las posibles relaciones existentes entre unaserie de forzamientos externos como son los cambiosen la irradiancia solar, actividad volcanica y cambiosen las concentraciones de CO2, sobre la frecuencia deun conjunto serie de TCs obtenidos para una ventanaEuropea, mediante el empleo de una serie de simula-ciones paleoclimaticas. El perıodo de estudio a consi-derar es toda la segunda mitad del milenio pasado per-mitiendo un analisis mas profundo en comparacion alos estudios mencionados anteriormente que usaronTCs. Como novedad de este estudio es que por pri-mera vez se analiza el papel del forzamiento volcani-co desde la optica de los TCs.Para responder a estos objetivos, este artıculo se es-tructura de la siguiente manera: La Seccion 2 muestrala metodologıa y los datos empleados en este estudio.En la Seccion 3 se muestran los resultados de mayorinteres. Por ultimo en la Seccion 4 se enumeran lasprincipales conclusiones.

2. Datos y Metodo

2.1. DatosPara este estudio se han considerado datos dia-

rios de Presion a Nivel del Mar (SLP, en sus siglasen ingles) del perıodo 1500-1990 resultantes de 4simulaciones paleoclimaticas. Dos de estas paleosi-mulaciones se llevaron a cabo con el modelo globalECHO-G (Legutke and Voss, 1999), mientras que lasotras dos se efectuaron con la version climatica demodelo regional MM5 (Dudhia, 1993), empleandosecomo condiciones de contorno para su ejecucion lasdos simulaciones obtenidas del modelo global. Unacaracterıstica fundamental de las simulaciones globa-les es que en ambas se emplearon los mismos forza-mientos externos (cambios en la irradiancia solar, ga-ses de efecto invernadero y actividad volcanica), difi-riendo exclusivamente en las condiciones iniciales departida Zorita et al. (2005). Ası, una de las simula-ciones globales, denominada ERIK1, parte de condi-

ciones mas frıas que la otra simulacion denominadaERIK2. Esta caracterıstica facilita el estudio del pa-pel de los forzamientos en ambas simulaciones, pues-to que al inicializarse cada una de ellas con condicio-nes distintas, el papel de la variabilidad interna pro-vocara que la evolucion climatica de cada una de ellassea diferente, de modo que si el forzamiento externose impone en algunos perıodos a la variabilidad inter-na, entonces la evolucion climatica de ambas simu-laciones deberıa ser parecida durante esos perıodosde tiempo. Mas detalles acerca de estas simulacionesglobales, ası como de los forzamiento externos con-siderados en este estudio (Figura 1) pueden encontra-se en Zorita et al. (2005). En cuanto a las simulacio-nes regionales, sus detalles se describen ampliamenteen Gomez-Navarro et al. (2011).

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300

330

360

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000year A.D.

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1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000300

600

900

1200

1500

18001360

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1368

1370-50-40-30-20-10

0

[CO

2](p

pm)

Vol

.Rad

.For

c.(W

/m²)

[CH4]

(ppb

)Sol

.Net

.Rd.

For

c.(W

/m²)

[N2O

](pp

b)

Figura 1. Forzamientos externos usados en las simulacionespaleoclimaticas.

2.2. Obtencion de los TCs

Para cada una de las simulaciones paleoclimati-cas se ha obtenido una clasificacion de TCs en in-vierno (DEF) y verano (JJA). El metodo de clasifica-cion considerado utiliza tecnicas de clustering previofiltrado de los datos mediante Componentes Principa-les, el cual se describe con detalle en Garcıa-Valeroet al. (2012). En este caso, la clasificacion de TCs sedesarrollo empleando una ventana Euroatlantica ([35o

- 54oN] y [19oW - 23oE]).Previo a la obtencion de las clasificaciones con el mo-delo regional, los datos de este se remapearon a laventana del modelo global, empleandose para ello unainterpolacion bilinear. Por otro lado, debido a que du-rante el largo espacio de tiempo simulado los cam-bios en temperatura sobre Europa fueron importan-tes, y para evitar la influencia de la temperatura en losresultados finales, es necesario eliminar o reducir entodo lo posible, la senal de la temperatura en los datosutilizados. Para ello en cada punto grid y para cadainstante de tiempo los datos de SLP se normalizarondividiendolos por el valor de SLP promediado paratoda la ventana geografica descrita antes.

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2.3. Metodos de analisis sobre la influen-cia de los forzamientos

Una vez obtenidas las clasificaciones de TCs contodas las simulaciones para analizar la influencia delos forzamientos sobre la circulacion atmosferica seobtuvieron las correlaciones entre las series de fre-cuencia de los diferentes TCs y las series de forza-mientos. El uso de correlaciones se justifica si se tieneen cuenta lo que se describe a continuacion:Si se considera que la evolucion de la frecuencia delos TCs viene determinada por la variabilidad internay el forzamiento externo, entonces la evolucion des-cribirse considerando la siguiente ecuacion:

ϑ = αW + f (1)

Donde:T: variable climatica; f: efecto del forzamiento ex-terno en la variable T; α: constante de proporcionali-dad; W: variable aleatoria normalizada representandola variabilidad interna (incorrelada con el forzamien-to).Entonces si ϑi y ϑ j representan la evolucion de la fre-cuencia de un determinado TC obtenida con dos si-mulaciones identicas, ejecutadas con el mismo mo-delo climatico y con las mismas condiciones de for-zamiento pero distintas condiciones iniciales. La co-rrelacion entre ambas simulaciones, considerando queVar(ϑi)=Var(ϑ j), se puede demostrar que:

cor(ϑi,ϑ j) =Var( f )

Var( f )+α2 (2)

Y por tanto la correlacion se puede usar como medidade la importancia de la variabilidad interna (Zoritaet al., 2005; Gomez-Navarro et al., 2011) en la evo-lucion de los TCs. Ası, si la evolucion de la variabledepende fuertemente de la variabilidad interna (αgrande), esta no estara correlada entre los diferentesexperimentos. En caso contrario, existira una correla-cion positiva significativa, y en ambos experimentosla evolucion vendra determinada por el forzamiento.

De esto modo, se ha analizado la influencia delconjunto de forzamientos utilizados en las simulacio-nes. No obstante, en nuestro estudio se ha analizadotambien la existencia de relaciones lineales por se-parado entre los forzamientos solar, y por cambiosen las concentraciones de CO2, con las series de fre-cuencia de los TCs, empleando para ello la correla-cion. Ademas de calcularse estas relaciones en todo elperıodo de estudio, en el caso del forzamiento solar seha analizado tambien el perıodo 1650-1850, de ma-yor variabilidad solar (Waple et al., 2002), ası comoel perıodo 1850-1990 para el caso del forzamiento delCO2.Todas las correlaciones se han obtenido tras filtrar la

variabilidad de alta frecuencia de las series conside-radas, empleando para ello una media movil de 31anos. Para el analisis de la significacion estadıstica delas relaciones se ha empleado el test t-student.

El metodo seguido para el analisis de la influenciavolcanica difiere del que se acaba de describir. En estecaso, debido a que el forzamiento volcanico represen-ta una varicion brusca en la radiacion solar neta, y queel tiempo de vida medio residente en la atmosfera deestos aerosoles es del orden de unos pocos anos poste-riores a la erupcion, cabe esperar que su efecto sobrelos TCs sea rapido y de corta duracion. Con el finde resaltar la senal de este forzamiento respecto a lasenal impuesta por otros forzamientos o por la propiavariabilidad interna, se han considerado solo aquelloseventos volcanicos con un forzamiento radiativo su-perior a 10 W/m2, identificandose 19 eventos. Paracada uno de estos episodios se analizo el cambio enla frecuencia de los TCs en los 5 anos posterioresa la erupcion respecto su frecuencia media en los 5anos anteriores. De este modo, para cada TC, se ob-tuvo una poblacion de cambios que se comparo conla poblacion de cambios obtenida en perıodos de 5anos anteriores y posteriores a anos en los que no seprodujo ninguno de estos grandes eventos. De estemodo, se compararon las medias de ambas poblacio-nes mediante el test de Mann-Withney, con el fin dedeterminar el grado de significacion de los cambios.Ası, se considero que el TC respode a las erupcionesvolcanicas si se observa un cambio significativo en elmismo sentido, de aumento o disminucion, en las dossimulaciones llevadas a cabo con el mismo modeloclimatico.

3. Resultados

3.1. TCs sensibles al conjunto del forza-miento externo

Para cada una de las simulaciones paleoclimaticasconsideradas se obtuvieron 14 y 10 TCs en inviernoy verano, respectivamente, obteniendose una dinami-ca atmosferica muy similar en todas las simulaciones(mismos TCs). No obstante, solo en 2 TCs de inviernoy 6 de verano se encontro sensibilidad al forzamientoexterno (Figura 2). El mayor numero de TCs sensi-bles en verano que en invierno esta en concordanciacon los resultados obtenidos en Gomez-Navarro et al.(2010) quienes detectaron una mayor influencia enverano del forzamiento sobre la variabilidad climaticade la PI, ası como con los resultados de Knight et al.(2007).En la Figura 2 se representan los TCs sensibles alconjunto de los forzamientos externos indicandose encada grafica si esta relacion se ha observado en lassimulaciones globales (GCM), regionales (RCM) o

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Figura 2. TCs sensibles al conjunto de los forzamientos. Cada TC se representa con sus Tipos de Tiempo, patrones de ano-malıas, de precipitacion y temperatura media. En cada TC se indica ademas si la sensibilidad del patron al forzamiento se haencontrado el las simulaciones del modelo global (GCM) o en el regional (RCM).

en ambas. Ademas, para cada TC aparece represen-tado tambien el patron de anomalıas en precipitaciony temperatura asociado a estas situaciones sinopticas.En invierno, la Figura 2 muestra que un TC presen-ta sensibilidad tanto en las simulaciones globales co-mo en las regionales. La situacion se corresponde conla presencia de bajas presiones extratropicales al NWde la PI. Esta situacion es especialmente interesan-te pues representa un TC que aperce en otro tipo declasificaciones sinopticas. Ası, en Garcıa-Valero et al.(2012) este patron presenta una fuerte tendencia nega-tiva en el perıodo 1958-2008, y tambien es especial-mente sensible al forzamiento antropico consideradoen los escenarios de Cambio Climatico para el presen-te siglo (Knight et al., 2007).Por otro lado, el efecto del modelo regional sobre ladinamica atmosferica impuesta por el modelo globalqueda patente si se tiene en cuenta el mayor numerode TCs sensibles obtenido con las simulaciones glo-bales.

3.2. TCs sensibles a los diferentes tiposde forzamiento

En cuanto al analisis por separado de la influen-cia del forzamiento solar y CO2, no se ha obtenidoninguna correlacion significativa en el perıodo com-pleto considerado, ni tampoco en los diferentes sub-perıodos descritos en la Seccion 2. No obstante, sehan encontrado cambios significativos en la frecuen-cia de algunos TCs tras intensos episodios volcanicos,epecialmente en invierno.La Figura 3 muestra los tres patrones atmosferi-cos sensibles a los forzamientos durante el invierno,

ası como el signo de cambio en la frecuencia de ca-da uno de ellos. Como resumen de estos cambios seobserva que las situaciones de bloqueo sobre el nortede Europa disminuyen su frecuencia en contra delaumento de la frecuencia de una situacion mas zonalque advecta hacia estas regiones aire mas humedo ycalido, propiciando anomalıas positivas tanto en pre-cipitacion como temperatura. Estos cambios van en lalınea de los resultados obtenidos en otros trabajos lle-vados a cabo con reconstrucciones (Zanchettin et al.,2013) y simulaciones paleoclimaticas (Jones et al.,2003). En estos se destaca la ocurrencia de anomalıaspositivas en temperatura y precipitacion en el Nortede Europa, coincidiendo con un predominio de la fasepositiva del patron de Oscilacion del Atlantico Norte(NAO, en sus siglas en ingles).La influencia volcanica sobre los TCs en verano noes tan clara como en invierno, obteniendose solamen-te un patron afectado (Figura 4). Sus anomalıas detemperatura no se corresponden con aquellas obte-nidas por medio de reconstrucciones que indican laocurrencia de veranos mas frıos en toda Europa, espe-cialmente en el Norte (Zanchettin et al., 2013). Estavariabilidad reconstruida, segun nuestros resultados,no parece estar relacionada con cambios en la fre-cuencia de situaciones sinopticas, y probablemente seexplique mejor si se tiene en cuenta el efecto radiativode los aerosoles, mayor en esta epoca del ano por lamayor radiacion incidente durante esta estacion.

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Figura 3. TCs sensibles al forzamiento volcanico en invierno. En cada uno de ellos se indica el signo del cambio en la frecuencia.

Figura 4. TC sensible al forzamiento volcanico en verano.

4. Resumen y ConclusionesEn este estudio se ha llevado a cabo un analisis

de la influencia sobre la dinamica atmosferica de unaserie de forzamientos externos: cambios en la irra-diancia solar en el techo de la atmosfera, cambios enlas concentraciones de gases de efecto invernaderoy actividad volcanica. Para ello se han empleado losresultados de 4 simulaciones paleoclimaticas utilespara caracterizar la dinamica atmosferica medianteun conjunto de Tipos de Circulacion (TCs). El estudiose ha llevado a cabo sobre una ventana euroatlantica,analizadose las estaciones de verano e invierno delperıodo 1500-1990. Este estudio constituye el primerintento de este tipo de analisis mediante el uso deTCs, siendo la primera vez que se analiza la influen-cia volcanica bajo la optica de los TCs.Los principales resultados pueden resumirse de la si-guiente manera:

En invierno y verano se han encontado relacio-nes significativas entre el conjunto de los forza-mientos y algunos TCs. Observandose un ma-yor numero de TCs sensibles en verano que eninvierno.

No se ha encontrado ninguna relacion de la in-fluencia de los forzamientos solar y de CO2 deforma independiente con los TCs.

En invierno hay una respuesta significativa de3 TCs al forzamiento volcanico, senal que escompatible con la prevalencia de la fase positi-va de la NAO.

Las anomalıas frıas reconstruidas sobre Europadurante los veranos posteriores a una gran erup-

cion, no son compatibles con el cambio de lafrecuencia del TC sensible a este forzamiento.Este resultado indicarıa que los efectos radia-tivos provocados por los aerosoles son los queprobablemente controlen dichas anomalıas.

ReferenciasDudhia, J.: A nonhydrostatic version of the Penn

State-NCAR mesoscale model: Validation tests andsimulation of an Atlantic cyclone and cold front,Monthly Weather Review, 121, 1493–1513, 1993.

Garcıa-Valero, J. A., Montavez, J. P., Jerez, S.,Gomez-Navarro, J. J., Lorente-Plazas, R., andJimenez-Guerrero, P.: A seasonal study of theatmospheric dynamics over the Iberian Peninsu-la based on circulation types, Theoretical andApplied Climatology, 110, 291–310, doi:10.1007/s00704-012-0623-0, URL http://dx.doi.org/10.1007/s00704-012-0623-0, 2012.

Gomez-Navarro, J. J., Montavez, J. P., Jimenez-Guerrero, P., Jerez, S., A., G.-V. J., and Gonzalez-Rouco, J. F.: Warming patterns in regional climatechange projections over the Iberian Peninsula, Me-teorologische Zeitschrift, 19, 275–285, 2010.

Gomez-Navarro, J. J., Montavez, J. P., Jerez,S., Jimenez-Guerrero, P., Lorente-Plazas, R.,Gonzalez-Rouco, J. F., and Zorita, E.: A regionalclimate simulation over the Iberian Peninsula forthe last millennium, Climate of the Past, 7, 451–472, doi:10.5194/cp-7-451-2011, 2011.

Huth, R., Kysely, J., Bochnıcek, J., and Hejda, P.: So-lar activity affects the occurrence of synoptic typesover Europe, in: Annales Geophysicae, vol. 26, pp.1999–2004, Copernicus GmbH, 2008.

Jones, P. D., Moberg, A., Osborn, T. J., and Briffa,K. R.: Surface climate responses to explosive vol-canic eruptions seen in long European temperaturerecords and mid-to-high latitude tree-ring densityaround the Northern Hemisphere, Geophysical mo-nograph, 139, 239–254, 2003.

Knight, J., Scaife, A., Fereday, D., Folland, C., andXoplaki, E.: EMULATE Deliverable D13: Assess-ment of the relative influence of external forcing

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factors (natural and human) and internal variabilityand their seasonal differences, Tech. rep., HadleyCenter, 2007.

Legutke, S. and Voss, R.: The Hamburg atmosphere-ocean coupled circulation model ECHO-G, Tech.rep., DKRZ, 1999.

Lorenz, E. N.: Technical report, Statistical ForecastProject Report 1. Dep.of Meteorology.MIT 49,vol. 1, chap. Empirical orthogonal functions andstatistical weather prediction, p. 52, MassachusettsInstitute of Technology, 1956.

Waple, A., Mann, M., and Bradley, R.: Long-term pat-terns of solar irradiance forcing in model experi-

ments and proxy based surface temperature recons-tructions, Climate Dynamics, 18, 563–578, 2002.

Zanchettin, D., Timmreck, C., Bothe, O., Lorenz,S. J., Hegerl, G., Graf, H. F., Luterbacher, J., andJungclaus, J. H.: Delayed winter warming: A robustdecadal response to strong tropical volcanic erup-tions?, Geophysical Research Letters, 40, 204–209,doi:10.1029/2012GL054403, 2013.

Zorita, E., Gonzalez-Rouco, J. F., Von Storch, H.,Montavez, J. P., and Valero, F.: Natural and anth-ropogenic modes of surface temperature variationsin the last thousand years, Geophysical ResearchLetters, 32, 2005.

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