(1)SÁNCHEZ-SESMA, Jorge;
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua;
Paseo Cuauhnahuac 8532,
Jiutepec, Morelos, CP 62550, México.
E-mail: jsanchez@tajin.imta.mx
ENOS ha sido el más interesante de los sucesos meteorológico-oceánicos ocurridos en las últimas dos décadas. Además, la ocurrencia simultánea de velo de polvo volcánico VPV, aunada a un aumento de microsismicidad, previos a la intensificación de los eventos ENOS sugieren una participación importante de la litosfera. Por ello, puede considerarse que en los eventos del ENOS las capas de la geósfera involucradas son: atmósfera, hidrosfera y litosfera. Numerosos grupos de investigación se encuentran dedicados al estudio de las interacciones entre esas capas con la intención de comprender los mecanismos y procesos que se presentan en las diferentes etapas del ENOS. Considerando tanto la posible conexión entre ENOS y VPV, como los ciclos de variaciones seculares de estos fenómenos; en este artículo se presenta un análisis espectral de la ocurrencia de ENOS y VPV. Asimismo, se presenta un modelo simple de la variación temporal de ambos fenómenos que permite pronosticar a largo plazo su ocurrencia. Los resultados de la modelación temporal muestran que nos encontramos en un período de elevada actividad en lo que respecta a la ocurrencia de ENOS y en un período de actividad moderada respecto a la ocurrencia de VPV. El pronóstico para las actividades del ENOS (VPV) correspondientes a los próximos 50 años muestra períodos de actividad mayor como son: 1990-2012, 2025-2028 y 2041-2052 (2008-2012 y 2037-2045). Los resultados permiten estimar que la presencia de eventos de ENOS de intensidad y duración anómala continuará en por lo menos 10 años más.
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ENSO is considered as the most important climatological phenomena during last decades. ENSO is considered to be caused by the interaction of atmosphere and oceans. However, considering the coincident of volcanic eruptions, and micro-seismicity previous to ENSO occurrences it is possible to suggest that besides the atmosphere and hydrosphere, the lithosphere must be considered as a part of the climatic system. Although significant advances in forecasting short-term evolution of ENSO has been reached, a tremendous amount of questions continue to be asked. Last two decades were marked by intense and frequent ENSO phenomena. 1982-1983 ENSO event was the greatest registered in the century. 1991-1995 ENSO event is the longest in this century. Taking into account the possible existence of secular periodic oscillation for both ENSO and VDV values, a simple periodic model is proposed. Using data from up to 500 years ago, a model with periodic functions was used to forecast near 100 years period. Previously the model was tested hindcasting 1900-1994 period. In this hindcasted period the model explained for ENSO (VDV) more than 80%(75%) of the variance, and show its maximum near 1990, that coincide with the last and longest registered ENSO (VDV) event. The results for ENSO (VDV) activity in 1995-2100 period, show several levels of activity. For ENSO (VDV) the periods with activity above present values are 1990-2012, 2025-2028, and 2041-2052 (2008-2012 and 2037-2045). Anomalous ENSOs could be expected for next decade.
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L'ENSO est considéré comme le plus important phénomène météorologique-océanique des dernières décades. De plus, si l'on considère la coïncidence d'éruption volcaniques et des Voiles de Poussière Volcanique (VPV) et de l'augmentation de la micro-sismicité avant l'apparition d'un ENSO, il est possible que la lithosphère y participe et fasse donc partie du système climatique. Bien que l'on ait réalisé d'importants progrès dans le domaine de la prévision des ENSO à court terme, il reste en suspens un nombre impressionnant de questions. Les deux dernières décades ont été marquées par des phénomènes ENSO intenses et fréquents. 1982-83 a été le plus intense de ce siècle et 1991-95 le plus long. Nous avons proposé un modèle périodique simple en acceptant l'hypothèse d'une oscillation périodique séculaire pour l'ENSO et la VPV. En utilisant les données de près de 500 ans, ce modèle a été utilisé pour prévoir les 100 prochaines années. Le modèle avait été préalablement validé sur la période 1900-1994. Cette validation a montré que le modèle explique plus de 80% (75%) de la variance de la relation ENSO (VPV) et met en évidence un maximum vers 1990, qui coïncide avec l'ENSO (VPV) de plus longue durée enregistré. Les résultats pour la période 1995-2100 montrent plusieurs niveaux d'activité de l'ENSO (VPV). Les périodes d'activité supérieure à l'actuelle sont 1990-2012, 2025-2028 et 2041-2052 (2008-2012 et 2037-2045). Des ENSO de durée et d'intensité anormale pourraient donc survenir au cours de la prochaine décade.
Volcans, modèles, pronostic, très-long ENSO, analyse spectrale
El clima y los demás fenómenos geofísicos, muestran oscilaciones de periodos largos (décadas, siglos, milenios, etc.). Por ello, el estudio de las variaciones de la actividad climática y geofísica de periodos largos es esencial para mejorar su entendimiento. Además, las interacciones que se presentan en las componentes del sistema climático, (atmósfera, el océano y la litosfera) no se consideran de manera integrada. Aunque en las últimas dos décadas se ha aceptado la interacción entre el océano y la atmósfera, falta incluir las interacciones con la litosfera con el fin de mejorar el conocimiento de los mecanismos y procesos involucrados en el sistema climático.
El Niño Oscilación del Sur, ENOS, es una manifestación del clima terrestre. Cuando un ENOS ocurre el comportamiento normal en la atmósfera-océano se interrumpe y las condiciones anómalas ocurren en todo el mundo. Aunque el ENOS presenta sus máximas anomalías en las regiones tropicales del Pacífico, tanto en el océano como en la atmósfera, sus manifestaciones son variadas: inundaciones en algunas áreas de India y América del Sur, sequías en diversos lugares de Australia oriental, Brasil, África, y América del Norte.
Por otra parte, el VPV es una de las manifestaciones de la actividad volcánica. La actividad volcánica, que se puede considerar parte de la actividad del interior de la tierra, presenta numerosas cuestiones. Aunque se han modelado y monitoreado algunos de sus parámetros más relevantes, la ocurrencia, magnitud de los eventos de actividad volcánica son de una enorme incertidumbre. La importancia que tiene el evento VPV es que varios investigadores consideran que perturba al sistema climático.
En la últimas décadas se han recrudecido las intensidades de los sucesos ENOS y VPV. Es de notarse que durante los últimos 16 años las ocurrencias de eventos de VPV han antecedido a los eventos de ENOS más importantes. Es importante remarcar que en el periodo que 1995-1997 ha sucedido un incremento en el VPV y que durante 1997 coincide con el inicio de un evento ENOS. Por todo lo anterior, en este artículo se presentan un análisis espectral de la ocurrencia de ENOS y VPV durante los últimos 5 siglos, y un modelo simple de la variación temporal de ambos fenómenos que permite, de manera independiente, pronosticar a largo plazo su ocurrencia.
Los eventos ENOS han mostrado una interacción compleja entre la atmósfera, océanos y posiblemente la litosfera. Aunque, hay grupos de investigación dedicados a comprender estas interacciones, su iniciación y la duración presenta preguntas sin respuestas claras.
Las últimas dos décadas serán recordadas por intensos y frecuentes eventos ENOS. El evento ENOS 1982-1983 fue el más intenso registrado en la siglo. El suceso ENOS 1991-1995 fue el más largo en esta siglo. El evento que comenzó en 1997 es casi tan fuerte como el evento 1982-1983, y como se detecta en otro estudio del autor de este artículo (Sánchez-Sesma, 1998), parece que será de longitud similar al de 1991-1995. Por su parte la actividad volcánica ha ido en aumento en las últimas décadas. Los volcanes Chichón y Pinatubo han mostrado intensa actividad en 1982 y 1991, respectivamente. Dichos eventos VPV anteceden a los eventos ENSO que se iniciaron en esos mismos años y que alcanzan su máximo 6 meses después del tiempo de la erupción.
Los investigadores Quinn (1992) y Lamb (1970), a partir de información histórica han podido inferir los registros de ocurrencia e intensidad del ENOS y VPV, respectivamente, durante los últimos 5 siglos. A partir de este tipo de información estudios recientes acerca del ENOS presentan resultados interesantes. La comparación de frecuencia e intensidad de los ENOS (Michaelson 1989) sugiere una correlación entre intensidad y la frecuencia de ocurrencia. Otros estudios detectan ciclos de largo plazo asociados con ENOS, ver por ejemplo Anderson (1990), Fairbridge (1984) y Halfman y Johnson (1988).
Por otro lado, diversos autores han realizado estudios acerca de la posible conexión entre la actividad volcánica y la ocurrencia del ENOS. Portman y Gutzler (1996), con base en los estudios de Lough y Fritts (1987), detectan que la mayoría de los eventos ENOS con intensidad mayor a la media que han ocurrido durante los últimos siglos suceden en los primeros 3 años después de una erupción volcánica. Shaw y Moore (1988), plantea la posibilidad de que la actividad volcánica submarina propicie la aparición de eventos ENOS. Por otro lado también existen estudios del ENOS con otros eventos geofísicos como por ejemplo la actividad sísmica analizada por Walker (1987).
Con el afán de aumentar la resolución en el dominio de las frecuencias, Sánchez -Sesma (1997) ha propuesto aplicar la Transformada de Fourier para obtener densidades espectrales de manera continua en el dominio de la frecuencia. Con el fin de contribuir al conocimiento de la actividad histórica y futura del ENOS y VPV, en este trabajo se analizan, modelan y extrapolan sus valores temporales.
Como ya se ha mencionado, para comprender las variaciones seculares del clima, son necesarios los registros climáticos de larga duración. Sin embargo, los registros climáticos instrumentales son generalmente menores que 100 años. Es por ello que los registros inferidos a partir de información histórica o de otro tipo son indispensables. A continuación se describen los registros inferidos para los índices de actividad del ENOS y VPV.
Registro de la intensidad-duración de ENOS. Para ENOS existen diversos registros instrumentales, uno atmosférico (SOI) y otros oceánicos ( Niño 1,Niño 2, .., Niño N). Sin embargo dichos registros no rebasan una longitud temporal de más de 100 años. Por ello, para estudiar las oscilaciones seculares del ENOS, diversos autores se han dado a la tarea de recabar información de diversas fuentes para estimar con ella la ocurrencia, intensidad y duración de los sucesos ENOS a lo largo de varios siglos. Tomando en cuenta el clima anómalo en diversas partes del mundo, Quinn et al 1991, ha detectado la ocurrencia de eventos y han inferido su intensidad para más de 500 años, ver figura 1. Aunque algunos autores han propuesto cambios en la serie estimada por Quinn, esta representa un material muy importante.
Registro de la intensidad del VPV. Para identificar y analizar las oscilaciones seculares del VPV investigadores han recopilado información de diversas fuentes (históricas, meteorológicas, hidrológicas y agrícolas), que han permitido inferir la actividad del VPV. Lamb (1970), ha analizado registros climáticos para partes diferentes del mundo, y estima el velo de polvo volcánico (DVI por sus siglas en inglés). En la Figura 1 se muestra el registro inferido por Lamb. Para la variable de VPV se cuenta con un registros instrumentales de la claridad del cielo. En la Figura 2 se muestra dicho registro de los valores de la claridad del cielo medida en el volcán Mauna Loa en Hawaii. Sin embargo estos registros no cuentan con la suficiente longitud temporal.
Además de información el análisis requiere de métodos. Se describen a continuación los métodos y técnicas utilizadas:
Técnica de análisis espectral.Para el análisis espectral utiliza la transformada de Fourier. Sin embargo, para señales discretas se utiliza la Transformada de Fourier Discreta cuya expresión es la siguiente:
(1)
donde:
f es el valor de la función en estudio valorada en t
tj es el tiempo
j ) es el intervalo temporal entre los datos.
Esta expresión es una ampliación de la TFD. Se puede demostrar (Sánchez-Sesma, 1997), que esta expresión además de reproducir los valores de la TFD permite calcular los valores en el dominio de la frecuencia de manera continua.
Modelo temporal. Tomando en cuenta la existencia posible de oscilaciones periódicas, sugerida por análisis espectrales previos, para ambos registros índices de ENOS y VPV, se considera conveniente utilizar un modelo periódico simple que se describe a continuación:
(2)
donde:
T es la frecuencia
N es la fase
t es el tiempo
C es el valor de la variable climática asociada al FENOS
e es el error de la modelación
a es la amplitud de las componentes periódicas
y cuyos subíndices indican:
i el número del intervalo de tiempo
j el número de la componente periódica
k el número de la perturbación en el registro
Las frecuencias se estiman con el métodos espectral presentado en el capítulo 3 y las amplitudes con técnicas de regresión lineal múltiple.
La aplicación práctica del método se realizó mediante el paquete computacional PRONOS, desarrollado en FORTRAN por el autor.
Para entender un fenómeno como lo es el ENOS y sus conexiones geofísicas (VPV, Geomagnetismo, etc), es necesario comparar los registros de las variables en estudio, tanto en el dominio temporal, como en el dominio de las frecuencias. En este trabajo se dio énfasis al análisis espectral.
Para detectar oscilaciones en el registro climático se aplicó la TFD. Los análisis espectrales se muestran en las Figuras 3 y 4. De esas figuras se nota que ambos fenómenos presentan una distribución de densidad espectral con características parecidas. Aunque solo algunos de los periodos (cerca de 12, 42, 180 y 550 años) son parecidos, la gran mayoría no lo son. Es importante señalar algunos rangos de periodos cuyas oscilaciones presentan un mínimo de contribución a la varianza son comunes por ejemplo 25 a 35 y 90 a 120 años.
Es importante señalar que las variaciones de baja frecuencia han sido tradicionalmente detectadas en los fenómenos geofísicos. Los espectros de frecuencia rojos con gran contenido de energía a bajas frecuencias aparecen frecuentemente en meteorología e hidrología.
Pronóstico de valores. Primeramente, para la validación del modelo, este se probó para pronosticar un período histórico cuyos valores se conocen (técnica conocido como hindcasting en inglés). Las figuras 5 y 6 muestran los modelos y los datos para el ENSO y VPV, respectivamente. Para el periodo de 1900-1994 el modelo explica para ENOS (VPV) más de 80% (75%) de la varianza. La señal pronosticada del ENOS muestra su máximo cerca de 1990, que coincide con el último suceso más largo registrado. La señal pronosticada de VPV muestra un aumento de actividad desde mediados del presente siglo que coincide con el aumento de actividad manifestado por las erupciones de 1963, 1982 y 1991.
Posteriormente a la etapa de validación, se realizó el pronóstico para ambos índices de actividad ENSO y de VPV. Se usaron datos de cerca de 500 años, para ajustar un modelo con 15 funciones senoidales, usado para pronosticar un período de cerca 100 años, Figura 7. Los resultados para la actividad del ENOS (VPV) en el período 1995-2050, muestran varios niveles de actividad. Para ENOS (VPV) los períodos con la actividad arriba valores actuales son 1995-2018, 2025-2028 y 2040-2055 (2008-2012 y 2037-2045).
La ocurrencia del ENOS y del VPV en las décadas recientes, se debe estudiar teniendo en cuenta las historias correspondientes, registradas o inferidas, en los periodos que cubran los últimos siglos. Las oscilaciones cíclicas de baja frecuencia están presentes en la historia del ENOS, del VPV, y de otras variables geofísicas.
Mediante técnicas espectrales es posible detectar y evaluar los componentes periódicos de la señal climática y geofísica que nos permitan estimar sus valores futuros a largo plazo. Esta posibilidad es la que se ha explorado en este artículo.
Los resultados obtenidos muestran que nos encontramos en un período de máximo ocurrencia, intensidad y duración para ENOS que puede continuar por una década. No sobra mencionar que este tipo de estudios debe de continuar para confirmar o rechazar los resultados obtenidos.
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