Módulo 2 : Ciencia del Clima y Resiliencia Tema : Variabilidad Climática Profesor : René GARREAUD Departamento de Geofísica, Universidad de Chile + CR2

Programa El clima mas alla del cambio Principales modos de variabilidad ENSO PDO SAM Cambios observados Conclusiones

Podemos terminar esta clase? Proyecciones de Temperatura y precipitación para Chile central en base a ensemble multi-modelo CMIP3 Podemos terminar esta clase?

Nuestro clima cambiante Variabilidad interanual/decadal + Saltos Climáticos + Tendencia ENSO - PDO GEI Salto Climático Santiago (Quinta Normal) +0.15°/década EN Promedio Anual Temperatura (°C) EN EN 18.5 18 17.5 17 16.5 16 LN EN Promedio Anual Temperatura (°C) Antofagasta (Cerro Moreno) -0.18°/década Año

Variabilidad interanual de Precipitación La Serena P(JJA)

General circulation in an aqua-planet Perpetual Equinox ITCZ: Intertropical Convergence Zone NE trades Tropical Tropopause (15 km) Belt of lower pressure 0° SE trades Belt of higher pressure Surface westerlies 45° Surface wind (arrows) Precipitation (green shadow)

General circulation in an aqua-planet Perpetual Equinox ITCZ 0° Jet stream (westerly flow) aloft (10-12 km): long term mean. Boundary between subtropical and extratropical air masses 60° Midlatitude precipitation maximum and westerly belt

The big picture Continental Low Level Jet S. Atlantic Anticyclone SE Pacific Anticyclone Midlat. Precip. Tropical rainfall SCu & Cold SST Midlatitude Storm track

Principales modos de variabilidad atmosférica ENOS – PDO – AAO (SAM) ENOS: El Niño – Oscilación del Sur PDO: Oscilación Decadal del Pacifico AAO: Oscilación Antártica (SAM: Modo Anular del Sur)

Annual mean Precip/SAT regressed upon index of large-scale modes (50 years of data)

ENOS: El Niño – Oscilación del Sur Periodicidad: 3-7 años, duración: 1-2 años, Amplitud ~1-2°C El Niño La Niña

GHCN Compuestos para años de El Niño Rainfall Surface Air Temperature JJA DJF Lluvioso Frío Seco Cálido http://www.knmi.nl/research/global_climate/enso/effects/

Impactos climáticos de EN verano invierno Ref: CPC/NCEP/NOAA

Impactos climáticos de LN

El Niño La Niña

Valores invernales del Índice Niño3 Valores invernales del Índice Niño3.4 y Precipitación en Santiago (1876-2013) 19°C 20° 21°C TSM en región Niño 3.4 1987 1997 1982 Condición lluviosa Temperatura media d invierno QN [°C] Precipitación de invierno (MJJAS) en Quinta Normal [mm] 2010 2013 Condición Seca 2011 2012 La Niña 1998 1924 1968 El Niño Indice Niño3.4 [°C] durante MJJAS

IMPACTO DE ENSO SOBRE LA LLUVIA EN CHILE CENTRAL Numero de días en cada categoría

LA LLUVIA EN CHILE CENTRAL IMPACTO DE ENSO SOBRE LA LLUVIA EN CHILE CENTRAL JJA ON EFM Montecinos & Aceituno 2003

ENSO representa, por lejos, la mayor fuente de variabilidad interanual a nivel global (y por cierto sobre Sud América). Para comprender su dinámica primero debemos entender el estado medio del sistema Océano-atmosfera en la cuenca del Pacifico Climatología de TSM (colores) y PNM (contornos) Notar gradiente zonal en ambas variables 1005 >28°C <20°C 1020

Introducción a la Meteorología – ENOS UCH/FCFM/DGF – R. Garreaud Surgencia: Afloramiento de aguas profundas (frías, ricas en O2 y nutrientes) por efecto del viento Surgencia costera Surgencia ecuatorial

Introducción a la Meteorología – ENOS UCH/FCFM/DGF – R. Garreaud Acoplamiento océano-atmosfera es un elemento clave en el funcionamiento del sistema El gradiente térmico E-W (caliente en el W y frío en el E) condiciona un gradiente bárico (baja en el W y alta en el E) El gradiente E-W de presión condiciona una circulación persistente de E a W (vientos alisios) Los vientos alisios hacen aumentar el nivel del mar en Oceanía y favorecen el desarrollo de surgencia. La surgencia de aguas relativamente fría a lo largo del Pacífico Ecuatorial tiende a mantener el contraste térmico y por esta vía, el gradiente de presión.

FENOMENO EL NIÑO Disminuye la presión frente a la costa de Ecuador, Perú y norte de Chile, y aumenta en el Pacífico occidental (fase negativa de la OS) Los vientos alisios se debilitan por menor gradiente de presión. Se debilita la surgencia a lo largo del Pacífico ecuatorial, como resultado del debilitamiento de los alisios Aumenta la temperatura superficial del mar debido a la menor surgencia. La zona de ascenso de la celda de Walker se mueve hacia el Este. Aumenta el nivel del mar en la costa de América del Sur, y disminuye en Oceanía. El contraste térmico E-W disminuye a lo largo del Pacífico ecuatorial Lo anterior favorece un reforzamiento de las anomalías de presión y de los efectos asociados. El fenómeno persiste ! !

H H Interannual variability - Major ENSO impacts Wetter-JFMA Warmer - DJF Stronger upper- Level ST Jet Drier/Warmer DJF Wetter-OND H Wetter-JJA Weakened ST High Drier-DJF H Colder EN years Storm Track Blocking High Climo. Storm Track

Valores invernales del Índice Niño3 Valores invernales del Índice Niño3.4 y Precipitación en Santiago (1876-2013) 19°C 20° 21°C TSM en región Niño 3.4 1987 1997 1982 Condición lluviosa Temperatura media d invierno QN [°C] Precipitación de invierno (MJJAS) en Quinta Normal [mm] 2010 2013 Condición Seca 2011 2012 La Niña 1998 1924 1968 El Niño Indice Niño3.4 [°C] durante MJJAS

ENSO en el pasado Variability of El Niño/Southern Oscillation activity at millennial timescales during the Holocene epoch Nature, 420, 162 - 165 (2002); doi:10.1038/nature01194 Christopher M. Moy1,4, Geoffrey O. Seltzer1, Donald T. Rodbell2, and David M. Anderson3

ENOS en el futuro

Principales modos de variabilidad atmosférica ENOS – PDO – AAO (SAM)

http://research.jisao.washington.edu/pdo/

The "Pacific Decadal Oscillation" (PDO) is a long-lived El Niño-like pattern of Pacific climate variability. While the two climate oscillations have similar spatial climate fingerprints, they have very different behavior in time. Causes for the PDO are not currently known. Two main characteristics distinguish PDO from ENSO: 1. 20th century PDO "events" persisted for 20-to-30 years, while typical ENSO events persisted for 6 to 18 months 2. The climatic fingerprints of the PDO are most visible in the North Pacific/North American sector, while secondary signatures exist in the tropics and the SH - the opposite is true for ENSO. Several independent studies find evidence for just two full PDO cycles in the past century: "cool" PDO regimes prevailed from 1890-1924 and again from 1947-1976, while "warm" PDO regimes dominated from 1925-1946 and from 1977 through (at least) the mid-1990's.

Annual mean Precip/SAT regressed upon index of large-scale modes (50 years of data)

Promedio Anual Temperatura (°C) La PDO y temperatura… 18.5 18 17.5 17 16.5 16 Salto Climático / PDO Santiago (Quinta Normal) +0.15°/década Antofagasta (Cerro Moreno) -0.18°/década Promedio Anual Temperatura (°C) Año EN LN

La PDO y precipitación… Snowpack Streamflow

La PDO y precipitación… Cold PDO periods Warm PDO periods The error bars indicate the dispersion in the mean values when the initial or final year of each period is changed 1 year 1991-2003 1926-42 1915-22 1977-90 1900-10 Mean QN Annual Precipitation [mm/year] Long term mean 1942-57 PDO Index 1961-75 2007-2014 Year Mean PDO Index

El desafio de la próxima década… PDO index (from JISAO-UW) ? Frío Cálido

El desafio de la próxima década… Next Decade Unlikely 100% 90% 80% 70% 0% 10% 20% 30% * Likely ** Rainfall anomaly wrt 1970-2000 Rainfall deficit wrt 1970-2000 Unlikely Climate Change Signal Very unlikely Recent Past Mega Drought Mid Future RCP8.5 Far Future RCP8.5 1995 2005 2015 2025 2080 MD Forcing (*) Anthropogenic (**) Natural (ENSO, PDO, Internal)

The Southern Hemisphere Annular mode (SAM), or Antarctic Oscillation, is the leading mode of monthly and longer variability of the tropospheric circulation poleward of 20ºS. SAM is tropospheric deep, highly symmetric mode, involving mass exchange between high and mid latitudes. What causes SAM is not well known, likely eddy – mean flow interaction The SAM has shown a trend toward decreases pressure over Antarctica (positive polarity; faster polar vortex), partially attributed to decrease in stratospheric O3.  AAOI regressed upon SLP (upper panel) and zonal average of zonal wind (lower panel) Baja presión Altas presiones Oestes intensos Oestes débiles Thompson and Wallace 1999

SAMi: Diferencia de presion 60°S-40°S SAMi mensual: Alta variabilidad + tendencia https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/marshall-southern-annular-mode-sam-index-station-based

Annual mean Precip/SAT regressed upon index of large-scale modes (50 years of data)

Comparación entre la precipitación de Pto. Montt y el caudal del Río Puelo (Fuente: Antonio Lara, UACH) Caudal (m3/seg) Year 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 300 400 500 600 700 800 900 r=0.71 Caudal anual Precipitación (mm) 1000 1200 1400 1600 1800 2200 2400 2600 Precipitación

Greenhouse gases and Ozone: the main drivers of climate change

Surface Temperature Change Falvey and Garreaud 2007

Contemporaneous rainfall trends in central Chile (1960-2000)

Contemporaneous rainfall trends in central Chile (Updated) 2009-2015(?) drought Bosier et al. 2016

Warning: uncertainty is not obviously related to accuracy. Hawkins and Sutton 2009 Fractional uncertainty = signal/noise = ensemble mean / ensemble spread Warning: uncertainty is not obviously related to accuracy.

A quienes afecta el cambio climático? Años 200 150 100 50 2200 2150 2100 2050 2000 Período de retorno en años Vida útil del proyecto  Precip RPC8.5  Temp RPC2.6  Temp RPC8.5 Puentes de carretera Sistemas de aguas lluvias en poblados Vertederos represas grandes Obras de canalización en predios menores Vertederos represas pequeñas

Conclusiones Las variaciones climáticas ocurren en todas las escalas de tiempo (años y décadas) Adicionalmente, han comenzado a emerger tendencias en temperatura y precipitación asociadas al cambio climático de origen antrópico La variabilidad climática es la señal más importante que determinara el clima en la próxima década (al menos) Es muy difícil realizar predicciones decadales.