Aplicación de métodos Lagrangianos para la identificación de fuentes de humedad en diversas regiones

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. (Gp:) Pcp de la humedad ya existente en la atm.
sobre la región de estudio (muy reducida en promedios a
largo plazo) (Gp:) “Recycling” (generación de
precipitación a partir de la humedad procedente de la
evapotraspiración desde la misma superficie sobre la que
llueve) (Gp:) A la advección de humedad desde otras
regiones (Gp:) La precipitación sobre una región
proviene de 3 contribuciones principalmente: (Gp:) 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”. 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 (Gp:) 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)
(Gp:) afectarán indudablemente a la dinámica
atmosférica (Gp:) Modificación de la
localización de las fuentes de humedad significativas para
una región dada

La identificación directa de estas regiones fuente
presenta complicaciones metodológicas: (Gp:) la
identificación del lugar de origen de la
precipitación se realiza mediante el análisis
isotópico del agua precipitada (Gp:) Tradicionalmente
(Gp:) * 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) 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). (Gp:) Nuevos métodos para el
análisis de fuentes de humedad basados en modelos
dinámicos de transporte atmosférico (Gp:)
computadoras de elevada potencia + grandes bases de datos con
información meteorológica a escala global
FLEXPART

Método modelo FLEXPART + datos analizados del ECMWF
división homogénea de la atmósfera en
1.398.801 “partículas” de igual masa m
constante 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 3D de
viento observado. cada 6 horas resolución horizontal de
1ºx1º 60 niveles en la vertical (14 por debajo de
1500m) 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< q0) o ganado
humedad por evaporación desde la superficie e (q-1< q0
) (Gp:) ? t0,q0 (Gp:) ? t-1,q-1 (Gp:) ? t-2,q-2 (Gp:) ? t-3,q-3
(Gp:) ? t-10,q-10 (Gp:) …. (Gp:) ….

Las variaciones de humedad de una partícula a lo largo de
una trayectoria se pueden calcular por medio de los cambios en q:
(Gp:) ? e-p0 (Gp:) ? e-p-1 (Gp:) ? e-p-2 (Gp:) ? e-p-3 (Gp:) ?
e-p-10 (Gp:) …. (Gp:) …. 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) (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) .
(Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) .
(Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) . (Gp:) .
(Gp:) . E ? evaporación total sobre la superficie P ?
precipitación K ? nº de part. que residen en el
área Las partículas se identifican cada 6 horas y
se calculan trayectorias hacia atrás para 10 días
(Gp:) Formalismo Euleriano

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

SAHEL Nieto, R., L. Gimeno, and R.M. Trigo (2006) “A
Lagrangian identification of major sources of Sahel
moisture” Geophys. Res. Lett., 33, L18707,
doi:10.1029/2006GL027232

SAHEL INTERÉS: Es una región semi-árida
Altamente vulnerable a la variabilidad climática En la
segunda mitad del siglo XX experimentó 2 periodos muy
diferentes: 1950s & 1960s ? anómalamente húmedo
1970s & 1980s ? anómalamente seco Ha experimentado
fluctuaciones importantes en el régimen de
precipitación, incluyendo largos períodos de
sequías. (Gp:) 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 P entre los resultados Lagrangianos y
datos de GPCP La isolinea de 1mm/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 ? El acuerdo obtenido
parece ser satisfactorio Eulerian data:
http://www.cgd.ucar.edu/cas/catalog/newbudgets/index.html#Sec7
NCAR-NCEP data T42 spectral truncation on a 128 x 64 Gaussian
grid Comparación de los resultados de E-P entre el
método Lagrangiano y Euleriano (2000-2001) Buen acuerdo ?
Independencia del método, del tipo de reanálisis y
de las escalas. Lagrangian data: ECMWF data on a 360 x 180 grid
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. GPCP V1DD dataset from NASA
(1º daily combination precipitation estimates
(http://ingrid.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.NASA/.GPCP/.V1DD)

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
(Gp:) * 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. (Gp:) (E-P)1>0 rojos: (Gp:) * SE de Sahel en
África Central (continente) ?área de P de masas de
aire con origen en el Océano Índico (Gp:)
(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) (Gp:)
(E-P)2 (Gp:) Similar para (E-P)2.

Continúa el transporte. * (E-P)1>0 rojos: Aparece el
Mediterráneo como nueva fuente de humedad (Gp:) (E-P)3
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

El patrón es muy similar entre el 5º día de
transporte y el 10º. (E-P)<0: Expansión por el
Atlántico, alcanzando Iberia Las partículas se
expanden sobre la mayor parte del Mediterráneo y el Mar
Rojo. 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. (E-P)5 (E-P)10
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 (Gp:) (E-P)3

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 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 ?

(Gp:) E Mediterráneo , Costa Atlántica ,
Atlántico Sur/Golfo Guinea y Sahel 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 CUANTIFICACIÓN DEL
TRANSPORTE DE HUMEDAD B: Valores absolutos de las series
temporales de (E-P)n (escala x100) C: Valores relativos de las
series temporales de (E-P)n, se tiene encuenta el área de
cada región (escala x109) 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 N-Atlántico ? aporte siempre
positivo pero menor (debido a su tamaño más
pequeño) 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

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 W-
Africano ? 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

(E-P)n no es completamente positivo sobre el Sahel para los 3
primeros días de transporte No existe area de (E-P)
negativa entre el Sahel y la región fuente del Atlantico
Sur. 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. 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]). 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)

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 RESUMEN 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

(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. Media anual
de los campos (E-P)n para la región de Islandia para
días con precipitación sobre Reykjavik

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 S Islandia ,
NW Atlántico y Mar de Noruega 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 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 x1012) Se
evidencia la importancia relativa del Mar de Noruega

La región dominate en aporte de humedad es el Mar de
Noruega RESUMEN 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. 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.

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 NO N CS
E

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

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

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 TAMBIÉN ESTÁ HECHO 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 Medias anuales
y estacionales de las trayectorias de las partículas sin
analizar las ganancias o pérdidas de humedad.

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

(E-P)1 (E-P)10 (E-P)5 (E-P)3 (E-P)10 Vostok 78.5S, 106.8E * (Gp:)
ÍNDICO (Gp:) 50º-30ºS -0.50 0.50 -0.50 0.50
-0.50 0.50 Scale (mmx100 / day2) Scale (mmx100 / day2)

Byrd 80.0S,119.5W (E-P)10 * (Gp:) ÍNDICO (Gp:)
PACÍFICO (Gp:) 50º-30ºS (E-P)1 (E-P)10 (E-P)5
(E-P)3 -0.50 -0.50 -0.50 0.50 0.50 0.50 Scale (mmx100 / day2)
Scale (mmx100 / day2)

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

NorOeste i10 estacional EFM AMJ OND JAS

Norte i10 estacional EFM AMJ OND JAS

Centro-Sur i10 estacional EFM AMJ OND JAS

Este-Mediterráneo i10 estacional EFM AMJ OND JAS

E-P<0 Iberia Anual 2000-2004 E-P i10 ANUAL 2000-2004 E-P<0
Iberia Anual 2000-2004

Ltcero Iberia i10 estacional EFM AMJ OND JAS

PARTICULAS IBERIA ANUAL 2000-2004 Nº/day a 4.37242e+006
3.69378% b 1.47079e+007 12.4250% c 3.37373e+007 28.5009% d
6.52375e+007 55.1119% e 8.67251e+007 73.2644% f 1.00652e+008
85.0297% g 1.09954e+008 92.8879% h 1.14426e+008 96.6655%
niveles=[800,1600,3200,6400,12800,25600,51200,102400] Nº
partículas total= 118373000