Teorías físicas de El Niño-Oscilación Sur Ken Takahashi Instituto Geofísico del Perú Coloquio de Física PUCP, 20 de octubre de 2011

Clima promedio en el Pacífico tropical Temperatura superficial del mar y viento cerca a la superficie Vientos alisios ecuatoriales C Fuente de datos: NCEP

Condiciones normales Termoclina Peru Australia Figura: NOAA PMEL

Procesos a lo largo del ecuador Viento ` Agua cálida Afloramiento ecuatorial* Termoclina Agua fría * El afloramiento ecuatorial se debe a la fuerza del viento del este y a la fuerza de Coriolis

Variación interanual extrema en temperatura superficial del mar Setiembre 1997: El Niño Setiembre 1998: La Niña Fuente de datos: NCEP

Anomalía* de temperatura superficial del mar Setiembre 1997: El Niño Niño 3.4 Niño 1+2 Pto. Chicama Setiembre 1998: La Niña Niño 4 Niño 3 Fuente de datos: NCEP * “Anomalía” = Diferencia con respecto al valor promedio de al menos 20 años

Temperatura del mar ecuatorial Oeste Este Menor presión en el este Mayor presión en el este

Durante El Niño… Cambio en presión (contornos, positivo sólido), Mayor presión Menor presión Darwin Tahiti Cambio en presión (contornos, positivo sólido), cambio en lluvia (aumento=rojo, disminución=azul), Cambio en viento superficial (vectores) Wallace et al., JGR 1998

Condiciones normales Termoclina Peru Australia Figura: NOAA PMEL

Crecimiento del evento cálido Proceso de retroalimentación positiva (Bjerknes 1969) 1 1. Calentamiento 2 2. Desplazamiento de la convección 3 3. Debilitamiento del viento del este 4 4. Profundización de la termoclina Peru Australia Termoclina Figura: NOAA PMEL

¿Qué detiene el crecimiento del Niño? (1) Onda de Kelvin ecuatorial Onda de Rossby ecuatorial Dinámica ecuatorial Ej. Evolución de una perturbación en la profundidad de la termoclina Philander et al., 1984 t = 10 dias Las ondas de Kelvin se siempre se propagan al este a lo largo del ecuador. Las de Rossby hacia el oeste alrededor del ecuador. La velocidad de las Kelvin es al menos 3 veces mayor que las de Rossby (demoran ~3 meses en cruzar el Pacífico) t = 20 dias

¿Qué detiene el crecimiento del Niño? (2) Reflexión en las costas Ej. Ajuste ante un viento del oeste súbitamente impuesto McCreary y Anderson, 1984 R Ecuador K R R El viento genera ondas Kelvin +vas hacia el este y Rossby –vas al oeste Las ondas de Kelvin +vas se reflejan como Rossby +vas Las de Rossby –vas se reflejan como Kelvin -vas Ecuador R R K Ecuador

La memoria está en la dinámica oceánica Profundidad de la termoclina Temperatura superficial Kessler, 2002

El modelo más simple TE: Temperatura en el este h: Profundidad de la termoclina Burgers et al., 2005 Oscilador amortiguado con periodo ~37 meses y tiempo de decaimiento de ~24 meses Pero El Niño real es irregular, no periódico

Espectro de potencia (Niño 3) Observado Simulaciones numéricas El Niño Wittenberg, 2009

Modelo simple de ENOS Φ Atmósfera . V -Φ T u H Oceano h Termoclina Basado en Cane & Zebiak (1987)

Modelo simple de ENOS . La interacción entre la atmósfera y el océano es esencial Atmósfera Oceano Basado en Cane & Zebiak (1987)

Simulación con el modelo simple Indice Niño 3 Anomalías de TSM La irregularidad parece realista pero ¿qué la produce? Zebiak & Cane 1987

¿Es El Niño un fenómeno caótico? En el modelo de Cane-Zebiak, el caos parace surgir de la interacción no-lineal con el ciclo anual Science, 1994

¿O es El Niño un fenómeno estocástico? Neutro ¿O es El Niño un fenómeno estocástico? Modelos forzados por ruido blanco Un modelo lineal estable (i.e. no oscilatorio) forzado por ruido puede producir “oscilaciones” irregulares similares a lo observado. La predictabilidad es baja en este caso. Estable Observado Thompson & Battisti, 2001

¿Caótico o estocástico? Sarachik & Cane, 2010

E J E

El Niño 1957-58 El Niño 1965-66 Data: HadISST 1.1

El Niño 1965-66 El Niño 1972-73 Data: HadISST 1.1

*Escala diferente El Niño 1982-83 El Niño 1997-98 Data: HadISST 1.1

El Niño 1977-78 El Niño 1991-92 Data: HadISST 1.1

El Niño 2002-03 El Niño 2009-10 Data: HadISST 1.1

“ENSO mode” Patrones dominantes en TSM (Componentes principales o Funciones Ortogonales Empíricas) A B C - + - “El Niño Modoki mode” Ashok et al., 2007

Correlation lineal nula por construcción

¿Es este un nuevo fenómeno? Normal El Niño El Niño Modoki ¿Es este un nuevo fenómeno? Ashok & Yamagata, 2009

The first EOFs are not independent C axis E axis DJF means E = (PC1-PC2)/√2 C = (PC1+PC2)/√2 New indices E ≈ N1+2 - 0.5N4 C ≈ 1.7N4 - 0.1N1+2 Approx.: Takahashi et al., 2011

ENSO regimes El Niño Modoki Moderate El Niño Extreme El Niño La Niña DJF mean Takahashi et al., 2011

Sea surface temperature anomaly patterns Both E and C patterns are related to ENSO Takahashi et al., 2011

Evolution of historical El Niño events in phase space Warming in central Pacific Extreme o = May x = Following January Canonical Warming in eastern Pacific Modoki-like Other moderate events Takahashi et al., 2011

Monthly data × Apr to Sep Moderate canonical or Modoki El Niño Extraordinary El Niño La Niña Monthly data × Apr to Sep  Oct to Mar Takahashi et al., 2011

Increasing trend in central Pacific El Niño? Lee and McPhaden, 2010

Cambios decadales recientes en El Niño Media móvil Data: NOAA ERSST E C E no MegaNiños Desv. Est. móvil C E E no MegaNiños Takahashi et al., 2011

El Niño and climate change These climate models project a shift of El Niño to the central Pacific Yeh et al. 2009

Este comportamiento se observa aproximadamente en algunos modelos existentes, incluso en los simples Observaciones Modelo “realista” Modelo simple no-lineal Modelo poco menos simple no-lineal Takahashi et al., 2011

Modelo simple de El Niño y el efecto del cambio climático Calentamiento por radiación (TR, TR) T1: Temperatura oeste T2: Temperatura este TR: Temperatura de balance radiativo Temperatura este Temperatura oeste Pero este modelo no presenta los dos regímenes Kim & An, 2011

Algunas conclusiones Se ha avanzado mucho en el entendimiento de la dinámica de El Niño en los últimos 30 años No se conoce qué condiciona la ocurrencia de los eventos extremos No se sabe cómo el cambio climático afectará a El Niño Gracias ken.takahashi@igp.gob.pe