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 1ºx1º
60 niveles en la vertical
(14 por debajo de 1500m)
• 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.
● t0,q0
….
● 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< q0) o ganado
humedad por evaporación desde la
superficie e (q-1< q0 )
Las variaciones de humedad de una partícula a lo largo de
una trayectoria se pueden calcular por medio de los
cambios en q:
● e-p0
e pm
dq
….
● e-p-1
● e-p-2
dt
● 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, L18707, doi:10.1029/2006GL027232
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:
1950s & 1960s  anómalamente húmedo
1970s & 1980s  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#Sec7
NCAR-NCEP data T42 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 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
GPCP V1DD dataset from NASA (1º daily
combination precipitation estimates
(http://ingrid.ldeo.columbia.edu/SOURCES/
.NASA/.GPCP/.V1DD)
 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
(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 x100)
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 x109)
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 SubTropical 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 x1012)
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 78.5S, 106.8E
(E-P)1
(E-P)3
(E-P)10
*
(E-P)5
(E-P)10
0.50
-0.50
Scale (mmx100 / day2)
-0.50
50º-30ºS
0.50
-0.50
Scale (mmx100 /
day2)
0.50
Byrd 80.0S,119.5W
(E-P)1
(E-P)3
(E-P)10
*
(E-P)5
50º-30ºS
(E-P)10
0.50
-0.50
Scale (mmx100 / day2)
-0.50
0.50
-0.50
Scale (mmx100 / day2)
0.50
Aplicacion de métodos Lagrangianos
para la identificación de fuentes de
humedad en diversas regiones de
interés climático
Luis Gimeno
NorOeste i10 estacional
EFM
JAS
AMJ
OND
Norte i10 estacional
EFM
JAS
AMJ
OND
Centro-Sur i10 estacional
EFM
JAS
AMJ
OND
Este-Mediterráneo i10 estacional
EFM
JAS
AMJ
OND
E-P<0 Iberia Anual 2000-2004
E-P<0 Iberia Anual 2000-2004
E-P i10 ANUAL 2000-2004
Ltcero Iberia i10 estacional
EFM
JAS
AMJ
OND
PARTICULAS IBERIA ANUAL 2000-2004
Nº partículas total= 118373000
niveles=[800,1600,3200,6400,12800,25600,51200,102400]
a 4.37242e+006
b 1.47079e+007
c 3.37373e+007
d 6.52375e+007
e 8.67251e+007
f 1.00652e+008
g 1.09954e+008
h 1.14426e+008
3.69378%
12.4250%
28.5009%
55.1119%
73.2644%
85.0297%
92.8879%
96.6655%
Nº/day
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Identificación dinámica de la fuentes de humedad