1.11: Clima

a) Tiempo y Clima

El clima y el clima están relacionados pero difieren en las escalas de tiempo de los cambios y su previsibilidad. Se pueden definir de la siguiente manera.

El clima es el estado instantáneo de la atmósfera que nos rodea. Consiste en variaciones a corto plazo de minutos a días de variables como temperatura, precipitación, humedad, presión del aire, nubosidad, radiación, viento y visibilidad. Debido a la naturaleza no lineal y caótica de sus ecuaciones gobernantes, la previsibilidad del clima se limita a días.

El clima es la estadística del tiempo a lo largo de un periodo más largo. Se puede considerar como el clima promedio que varía lentamente a lo largo de periodos de meses, o más. Sin embargo, también incluye otras estadísticas como probabilidades o frecuencias de eventos extremos. El clima es potencialmente predecible si se conoce el forzamiento porque la temperatura promedio de la Tierra está controlada por la conservación de energía. Para el clima, no solo es importante el estado de la atmósfera sino también el del océano, el hielo, la superficie terrestre y la biosfera.

En resumen: 'El clima es lo que esperas. El clima es lo que obtienes”.

b) El Sistema Climático

El sistema climático de la Tierra consiste en componentes que interactúan (Figura 1). La atmósfera, que es el aire y las nubes sobre la superficie, tiene aproximadamente 10 km de espesor (más de dos tercios de su masa está contenida por debajo de esa altura). El océano cubre más de dos tercios de la superficie de la Tierra y tiene una profundidad promedio de aproximadamente 4 km. Contraste esos números con el radio de la Tierra que es de aproximadamente 6,400 km y encontrarás que la atmósfera y el océano de la Tierra son capas muy delgadas en comparación con el tamaño del propio planeta. De hecho, son unas mil veces más delgadas. Son comparables quizás a la capa exterior de una cebolla o al agua sobre un balón de fútbol mojado. Sin embargo, toda la vida está limitada a estas delgadas capas. Las principales cuencas oceánicas son el Pacífico, el Atlántico, el Índico y el Océano Austral. El hielo y la nieve comprenden la criosfera, que incluye hielo marino, glaciares de montaña y capas de hielo en tierra. El hielo marino es agua de mar congelada, de hasta varios metros de espesor, flotando en el océano. Las capas de hielo en tierra, hechas de nieve comprimida, pueden tener varios kilómetros de espesor. La biosfera es todo seres vivos en tierra y en el mar desde los microbios más pequeños hasta árboles y ballenas.

Figura 1: El mármol azul. Una imagen compuesta de la Tierra desde el espacio. Muestra los cuatro componentes del sistema climático de la Tierra. La atmósfera con sus complejos patrones de nubes. El océano, que cubre alrededor del 70% de la superficie de la Tierra. La criosfera es visible como las áreas blancas en la parte superior: el hielo marino que cubre el Océano Ártico y la capa de hielo de Groenlandia. Los colores verdes en la tierra y los tonos turquesas a lo largo del margen del océano indican la biosfera a medida que florecen bosques y fitoplancton. Observe en la parte inferior izquierda la delgada capa de la atmósfera que rodea a la Tierra. De nasa.gov.

Los componentes interactúan entre sí intercambiando energía, materia (por ejemplo, agua) e impulso, creando así un sistema acoplado deliciosamente complejo. Imagina que el agua se evapora del océano tropical calentada por el sol (Figura 1). El aire que contiene esa agua sube y se enfría. El agua se condensa en una nube. La nube es transportada por los vientos sobre tierra donde llueve. La lluvia sostiene un bosque. Los árboles son oscuros, tienen un albedo bajo. Esto influye en la cantidad de luz solar absorbida por la Tierra. Las superficies oscuras absorben más luz solar y se calientan en comparación con las superficies brillantes como la arena del desierto o la nieve. El aire calentado por la superficie se eleva y afecta al viento.

c) Procesos

La Figura 2 ilustra algunos de los procesos importantes que contribuyen a las complejas interacciones dentro del sistema climático. La fuente de energía de la Tierra es el sol. Tanto la radiación solar como la terrestre se ven afectadas por gases, aerosoles y nubes en la atmósfera. Así, la composición atmosférica afecta el calentamiento y enfriamiento de la tierra. El calentamiento y el enfriamiento afectan la temperatura y circulación de la atmósfera y los océanos. Las circulaciones del aire y del mar afectan las temperaturas y precipitaciones tanto sobre el océano como sobre la tierra, lo que impacta sobre la biosfera y la criosfera. La atmósfera y los océanos intercambian calor, agua (evaporación y precipitación) e impulso. El viento que sopla sobre el océano empuja el agua superficial hacia adelante. Las temperaturas del aire y la caída de nieve afectan el crecimiento y derretimiento de glaciares y capas de hielo. El agua del hielo derretido fluye a través de ríos hacia el océano afectando su salinidad, su densidad y movimiento. Las variaciones en la irradiancia solar pueden hacer que el clima global cambie. Los volcanes pueden expulsar grandes cantidades de aerosol a la atmósfera con implicaciones climáticas. Los humanos están influyendo en el sistema climático a través de emisiones de gases de efecto invernadero, aerosoles y cambios en el uso de la tierra.

Figura 2: Vista esquemática de componentes del sistema climático y procesos involucrados en sus interacciones. De Le Treut et al. (2007).

La complejidad hace que estudiar el sistema climático sea un desafío. Contribuyen científicos de muchas disciplinas como físicos, químicos, biólogos, geólogos, oceanógrafos, científicos atmosféricos, paleoclimatólogos, matemáticos, estadísticos e informáticos. Para mí, los retos y la naturaleza interdisciplinaria de la ciencia del clima son fascinantes y divertidos. Aprendo algo nuevo al respecto todos los días.

Referencias

Le Treut, H., R. Somerville, U. Cubasch, Y. Ding, C. Mauritzen, A. Mokssit, T. Peterson y M. Pather, 2007: Panorama histórico del cambio climático. En: Cambio climático 2007: La base de la ciencia física. Contribución del Grupo de Trabajo I al Cuarto Informe de Evaluación del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático [Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor y H.L. Miller (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, Reino Unido y Nueva York, NY, EE. UU.

Preguntas

• ¿Cuáles son las dos principales diferencias entre clima y clima?
• ¿Qué tan grande es la Tierra? ¿Qué tan espesa es la atmósfera, qué tan profundo es el océano?
• ¿Cuáles son los componentes del sistema climático de la Tierra?
• Enumerar procesos que provocan interacciones entre los componentes: atmósfera-océano, atmósfera-biosfera, atmósfera-criosfera, océano-biosfera, océano-criosfera.
• Nombrar tres procesos (forzamientos) que pueden hacer que el clima global cambie.

Explora

Vaya a uno de los siguientes sitios web y explore las variaciones temporales de las observaciones de temperatura superficial en una ubicación de su interés. Trama los datos de hoy, los de ayer, los de la semana pasada, los del mes pasado, los del año pasado, los de la última década, lo más atrás que puedas y toma algunas notas sobre lo que observas. Tenga en cuenta ciclos regulares y predecibles como el ciclo diurno y anual en contraste con variaciones irregulares e impredecibles como las fluctuaciones del día a día y año a año. ¿Qué causa los ciclos regulares? Tratar de ordenar las variaciones con respecto a su amplitud (fuerza). Discutir con compañeros e instructor.

Los datos por hora y día están disponibles en: https://www.wunderground.com/history/. Ingresa una ubicación de tu interés. Haga clic en las pestañas “Semanal”, “Mensual” o “Personalizado” para seleccionar diferentes períodos de tiempo. Desafortunadamente, cuando lo probé el 30 de enero de 2017 la opción “Personalizado” no permitía que uno trazara más de un año de datos. Sin embargo, es posible que pueda identificar ciclos diurnos (diarios) de temperatura. La Figura 3 muestra un ejemplo. Aunque algunas noches pueden ser más cálidas que algunos días y a veces los días y las noches tienen la misma temperatura, en promedio los días son más cálidos que las noches. Así, el ciclo diurno promedio es parte del clima. Es forzada por el ciclo diurno de irradiancia solar. ¿La presión tiene un ciclo diurno? Respuesta: no. ¿Cuál es la escala de tiempo típica de las variaciones de presión? Muchas veces es aproximadamente una semana más o menos. Esta escala de tiempo está asociada con la transición de los sistemas meteorológicos (sistemas de alta y baja presión) que pasan.

Figura 3: Datos meteorológicos de Corvallis, Oregón a partir de enero de 2017. En el panel superior podemos ver ciclos diurnos en temperatura. La presión varía en escalas de tiempo más largas. La baja presión se asocia con tormentas (vientos fuertes y ráfagas de viento).

La ayuda para encontrar datos meteorológicos pasados está disponible en https://www.weather.gov/help-past-weather. Siguiendo las instrucciones y haciendo clic en Oregon trae a colación http://www.wrh.noaa.gov/pqr/.

Al hacer clic en “local”, elegir la pestaña “Datos locales/Registros”, y hacer clic en “Registros diarios para ciudades en Oregon” me lleva al sitio web del Western Regional Climate Center http://www.wrcc.dri.edu/summary/climsmor.html donde puedo elegir una ciudad. Ahora elijo “Corvallis Oregon State University” y me desplazo hacia abajo en el menú del lado izquierdo hasta “Graph and Lister” debajo de “Datos diarios”. Ahora seleccione el periodo de tiempo (elijo 20120101 a 20160101) y haga clic en el botón “Precipitación diaria” y luego en “Crear Gráfico”.

Figura 4: Datos meteorológicos locales (temperatura mínima y máxima diaria y precipitación diaria) de Corvallis, Oregón, de 2012 a 2016. Grandes variaciones en las temperaturas de ~40°F en invierno a ~65°F en verano indican el ciclo estacional (o anual). La precipitación, que es muy episódica, también muestra un gran ciclo anual con mucha lluvia en invierno y menos lluvia en verano. El ciclo estacional medio se muestra en la Figura 5. De wrcc.dri.edu

Al promediar muchos años de estos datos meteorológicos se obtiene una climatología. En la página web del WRCC puedes ver parcelas de climatologías mayores de 30 años desplazándote hacia arriba por el menú del lado izquierdo y haciendo clic en una de las “Temp diarias. & Precip.” enlaces. Para Corvallis muestra temperaturas promedio alrededor de 40°F (4°C) en invierno y 65°F (18°C) en verano. También muestra un ciclo diurno mayor en verano que en invierno. ¿Cuál podría ser el motivo de th at? Respuesta: menos nubosidad en verano. Las nubes conducen a días más fríos y noches más cálidas, disminuyendo así el ciclo diurno. Como se detectó, la precipitación es baja en verano y alta en invierno. Las curvas son suaves en la climatología. En contraste con la Figura 4 se han promediado las variaciones meteorológicas.

Figura 5: Climatología de temperatura y precipitación en Corvallis, Oregón. La diferencia entre la curva roja y azul denota el ciclo diurno promedio.

Ahora pruebe un pronóstico de temperatura para el próximo agosto y enero próximo. ¿Cuáles son tus gues? Respuesta: una buena conjetura sería la climatología, es decir, 65°F para agosto y 40°F para enero. Así, el ciclo estacional promedio es el clima y es predecible porque es forzado por el ciclo estacional de irradiancia solar. Sin embargo, las desviaciones de la climatología para un determinado día del próximo año son un clima impredecible.

Las propiedades estadísticas del clima se pueden resumir en un histograma de frecuencia. Exploremos aquellos con un ejemplo. Descargue desde el sitio web del WRCC los datos diarios de temperatura promedio de un determinado día del año, por ejemplo, el 1 de mayo. Puedes hacerlo haciendo clic en el enlace “Lister” en el menú de la izquierda. A continuación, elija los días de inicio y finalización (por ejemplo, 19851001 y 20160101) para crear una lista de 30 años de datos. Ingresa “wrcc35” como contraseña. Escojamos “Temperatura Media” como el elemento a enumerar. Ahora seleccione un día del año (por ejemplo, el 1 de mayo) tanto para “Fecha de inicio” como para “Fecha de finalización”, y haga clic en el botón “Obtener listado”. Esto da la siguiente lista (o vector matemáticamente hablando) de N=30 temperaturas T = (T 1, T 2,..., T N) = (52, 52, 44, 52, 52, 54, 48, 52, 50, 56, 59, 46, 64, 58, 55, 48, 54 , 54, 63, 54, 51, 54, 42, 52, 52, 48, 48, 48, 66, 56). Aquí N = 1 corresponde a 1985, N = 2 a 1986 y así sucesivamente. Para construir el histograma de frecuencia primero tenemos que elegir tamaños de bin. Propongo elegir 6 contenedores: 40-44, 45-49, 50-54, 55-59, 60-64, y 65-70. Ahora simplemente cuente cuántos años caen en cada bin. Me sale 2, 6, 14, 6, 2, 1. Usando python produje la siguiente gráfica (Figura 6).

El cambio climático puede expresarse como un cambio en la media, que correspondería simplemente a un desplazamiento de todo el histograma a temperaturas más cálidas o más frías. Sin embargo, también puede cambiar la forma del histograma. Por ejemplo haciendo que la distribución sea más ancha o más estrecha. Esto aumentaría o disminuiría las ocurrencias de eventos extremos. Y, por supuesto, puede cambiar tanto la media como la anchura. La mayoría de las veces, incluyendo en este texto, las discusiones sobre el cambio climático solo consideran cambios en la media. Pero debemos tener en cuenta que los cambios en las colas de la distribución pueden ser igualmente importantes porque son esas colas las que pueden tener grandes impactos (olas de calor, hechizos de frío, sequías, inundaciones, etc).

Figura 6: Histograma de temperaturas a 30 años (1985-2016) en Corvallis el 1 de mayo. La mayoría de los años (14 de los 30) la temperatura está entre 50 y 55°F, la media de la distribución es 52.8°F, su desviación estándar de σ =5.4°F representa su ancho (aproximadamente 2/3 de todos los años tienen temperaturas dentro de ±1 σ de la media). El histograma, aunque se aproxima bien a una distribución gaussiana (normal), es ligeramente asimétrico de tal manera que los años muy cálidos (65-70) ocurren ligeramente más a menudo que los extremos muy fríos (35-40). Las colas de la distribución son los contenedores superior e inferior. Representan eventos raros o extremos. Solo un año fue más cálido que 65°F Este año (2014) puede considerarse como un evento extremo. Fue un año caluroso récord en Oregón.

Ahora vamos a explorar los efectos de las escalas espaciales sobre las variaciones climáticas. Vaya a https://www.ncdc.noaa.gov/cag y comience con la selección de pestañas de Estados Unidos. Queremos comparar el cambio de temperatura promedio anual en una ciudad de su elección (por ejemplo, Salem en Oregón), promediado sobre la región más grande de un estado, para Estados Unidos en su conjunto, y el mundo (use la pestaña “Globo” y la parcela “Tierra y océano”, “Tierra” y “Océano” por separado). Para “Escala temporal” seleccione “Anual”. Marque la casilla “Tendencia de visualización”. Esto incluirá una línea de tendencia en la gráfica. Comparar las tendencias y las variaciones interanuales. ¿Las tendencias son más grandes para el océano global o para la tierra global?

Comparar las variaciones y tendencias interanuales en las temperaturas promediadas regional y globalmente (Figs. 7-12) con el ciclo diurno local, las fluctuaciones meteorológicas diarias (Figura 3) y con el ciclo estacional (Figs. 4-5). Aunque las tendencias de temperatura global (~0.1°C/década) son mucho menores que las fluctuaciones diurnas, diarias o estacionales, que pueden ser de 10°C o más, veremos en lo que resta de este curso que los cambios de temperatura global de unos pocos grados C tendrán impactos importantes en los sistemas naturales y las sociedades humanas .

Figura 7: Cambios de temperatura promedio anuales en Salem, Oregón. Obsérvese las grandes variaciones interanuales de 2-3°C y la tendencia general pequeña (línea azul).

Figura 8: Promedio sobre el estado de Oregón, las fluctuaciones de temperatura de un año a otro se reducen (1-2°C) en comparación con la cifra de Salem y existe una fuerte tendencia de calentamiento (0.1°C/década).

Figura 9: Promedio sobre los Estados Unidos contiguos, la variabilidad interanual ha disminuido ligeramente en comparación con Oregón. La tendencia al calentamiento es similar pero ligeramente inferior.

Figura 10: Esta figura muestra anomalías (diferencias) con respecto al promedio de 1901-2000 de las temperaturas medias globales del suelo. En promedio en todas las áreas terrestres de la Tierra, las variaciones de año a año se reducen aún más (~1°C) y la tendencia es con 0.1°C/década ligeramente mayor que la de Estados Unidos.

Figura 11: Promedio sobre el océano global, las variaciones interanuales son aún menores (~0.5°C) que sobre la tierra y la tendencia también es menor (0.06°C/década).

Figura 12: Promedio sobre tierra y océano, el aumento de la temperatura de la Tierra en los últimos 100 años ha sido de aproximadamente 0.7°C (0.07°C/década). Este resultado es muy robusto. Varios grupos alrededor del mundo han analizado los datos disponibles de diferentes maneras y han llegado a la misma conclusión. Esta es una figura clave.