Capítulo 1 Introducción
La circulación general del hemisferio sur es más zonalmente simétrica que la del hemisferio norte, pero las anomalías zonales de la circulación tienen impactos regionales importantes en este hemisferio (p.ej. Hoskins y Hodges 2005). Las anomalías zonales modulan fuertemente los sistemas meteorológicos y el clima regional al influenciar el transporte meridional de calor, humedad y momento (Trenberth 1980; Raphael 2007) e incluso están relacionadas con la ocurrencia de extremos climáticos de alto impacto (Pezza, Rashid y Simmonds 2012).
A pesar de estos impactos, las anomalías zonales de circulación han sido poco estudiadas en el hemisferio sur. Por ejemplo, el principal patrón de circulación en latitudes medias – el Modo Anular del Sur (SAM, por sus siglas en inglés) – es entendido como un patrón zonalmente simétrico (Fogt y Marshall 2020) a pesar de estar asociado a significativas anomalías zonales de altura geopotencial. Estas asimetrías zonales no han sido estudiadas extensivamente, pero en trabajos previos se ha sugerido que tienen un rol importante en modular los impactos regionales del SAM (Fan 2007; Silvestri y Vera 2009; Fogt, Jones y Renwick 2012; Rosso et al. 2018).
La circulación zonalmente asimétrica suele describirse en base a la amplitud y la fase de las ondas zonales obtenidas por la descomposición de Fourier de la altura geopotencial o de la presión a nivel del mar en cada latitud (p.ej., van Loon y Jenne 1972; Trenberth 1980; Turner et al. 2017). Bajo este enfoque, las ondas zonales 1 y 3 explican casi el 99% de la varianza total del campo medio anual de las anomalías zonales de altura geopotencial de 500 hPa en 50ºS (van Loon y Jenne 1972). Trenberth y Mo (1985) concluyeron que la onda 3 tiene un rol importante en el desarrollo de los fenómenos de bloqueo. Además, otros trabajos previos identificaron patrones de onda con números de onda dominantes 3-4 en latitudes extratropicales y subpolares con impactos regionales distintivos, como en las anomalías en la concentración de hielo marino antártico (Raphael 2007).
Con el propósito de identificar los factores importantes en el mantenimiento de la onda zonal 1 climatológica, Quintanar y Mechoso (1995) realizaron un conjunto de experimentos de sensibilidad. Encontró que ni la temperatura ni la orografía de la Antártida eran suficientes para explicar la amplitud de esta onda en latitudes subpolares, por lo que concluyó que los forzantes remotos debían jugar un papel importante. Sin embargo, Watterson y James (1992) y más recientemente Goyal et al. (2021) sugieren que la orografía antártica sí genera una onda 1 significativa. Por otro lado Wang, Kushner y Waugh (2013) encontraron que la destrucción y recuperación de la capa de ozono por forzantes antropogénicos está asociada a un aumento y disminución de la actividad de las ondas planetarias, respectivamente, pero su análisis no distingue cómo se modifican los distintos números de onda.
En cuanto a la onda zonal 3, Campitelli (2018) realizó un estudio de sus propiedades y climatología. Encontró que la onda zonal 3 mensual alcanza su máximo de amplitud entre 200 y 300 hPa y en 50ºS. Además, la fase de esta onda zonal tiene un ciclo anual de aproximadamente 30º entre enero y junio, en coincidencia con lo observado por Mo y White (1985). Excepto en noviembre y diciembre, la fase varía poco año a año con respecto a la fase media mensual, lo cual explica su relevancia en el campo medio. En estos dos meses, en cambio, su fase es tan variable que no es posible hablar de una onda zonal 3 climatológica.
Experimentos de sensibilidad sugieren que los forzantes tropicales no son importantes para determinar la amplitud de la onda 3, sino que ayudan a fijarla en una fase preferencial y así se vea reflejada en el campo medio. Para mostrar esto Campitelli (2018) realizó simulaciones con el modelo SPEEDY eliminando la variabilidad de la temperatura de la superficie del mar (TSM) tropical, encontrando que la amplitud de la onda 3 era similar a la simulación control, pero que su fase era mucho más variable. Estas conclusiones son consistentes con Goyal et al. (2021) quien realizó simulaciones con aquaplanet al que le agregó los continentes individualmente, sugiriendo que la distribución de los tres continentes del hemisferio sur no tiene un rol relevante en el establecimiento de la onda 3 ni su importancia en el campo medio. Este último trabajo además propone que la onda 3 representa un tren de onda con propagación meridional y amplitud relativamente localizada en vez de una onda planetaria con amplitud constante en todo el hemisferio.
Si la onda 3 es mejor entendida en término de trenes de onda con propagación meridional, el uso de la descomposición de Fourier no es válido, ya que ésta asume que la circulación puede describirse aproximadamente en términos de ondas zonales de amplitud constante a lo largo de un círculo de latitud. Para abordar esta limitación, la técnica de Fourier puede generalizarse para integrar toda la amplitud de las ondas planetarias, independientemente del número de onda, calculando la envolvente de la onda (Irving y Simmonds 2015). La envolvente de onda puede representar ondas planetarias con diferente amplitud en diferentes longitudes, pero carece de información sobre la fase y el número de onda. Utilizando este método, Irving y Simmonds (2015) demostró que la amplitud de las ondas planetarias en general está asociada a anomalías de concentración de hielo marino antártico y temperatura, así como a las anomalías de precipitación en regiones de topografía significativa en latitudes medias del hemisferio sur y en la Antártida.
Otro enfoque ampliamente utilizado para caracterizar las anomalías de la circulación troposférica del hemisferio sur es el cálculo de las Funciones Ortogonales Empíricas (EOF, también conocidas como Análisis de Componentes Principales). El SAM aparece como el EOF que explica la mayor parte de la varianza de la circulación del hemisferio sur (Fogt y Marshall 2020), seguido por los EOF 2 y 3, normalmente conocidos como PSA1 y PSA2 (Patrón del Pacífico-Sudamérica), respectivamente. Éstos describen trenes de ondas con propagación meridional que se originan en el Pacífico ecuatorial oriental y en el sector australiano-océano Índico, y viajan hacia el Atlántico Sur siguiendo un arco a lo largo de la costa antártica (Mo y Paegle 2001). Estos patrones influyen en las anomalías de precipitación en Sudamérica (Mo y Paegle 2001). Aunque estos patrones suelen derivarse aplicando EOF a anomalías temporales, Raphael (2003) también aplicó métodos EOF específicamente a anomalías zonales. Irving y Simmonds (2016) propuso una metodología novedosa para identificar objetivamente el patrón PSA utilizando la descomposición de Fourier. Más recientemente Goyal et al. (2022) creó un índice de amplitud y fase de la variabilidad zonal tipo onda 3 combinando los dos EOF principales de las anomalías del viento meridional.
Los patrones resultantes del análisis EOF son más flexibles que los modos derivados de la descomposición de Fourier, ya que pueden captar patrones de oscilación que no pueden caracterizarse por ondas puramente sinusoidales con amplitud constante. No obstante, se limitan a los modos de oscilación estacionarios y no pueden representar correctamente la propagación meridional o la variación espacial de amplitud y fase. Un único EOF también puede representar una mezcla de dos o más modos físicos.
Una tercera metodología comúnmente utilizada para describir anomalías de circulación consiste en identificar características particulares de interés y crear índices utilizando métodos simples como promedios y diferencias. Ejemplos de esta metodología son el índice SAM de Gong y Wang (1999), el índice de actividad de la onda 3 hemisferio sur definido por Raphael (2004) y el índice de circulación zonalmente asimétrica del hemisferio sur de Hobbs y Raphael (2010). Estos métodos derivados se fundamentan en otras técnicas, como la descomposición de Fourier o las EOF, para identificar los centros de acción de los fenómenos descritos y pueden ser útiles para caracterizar rasgos que no se aprecian fácilmente mediante las mismas. Este tipo de índices suelen ser fáciles de calcular, pero no suelen captar patrones no estacionarios.
En conclusión, las metodologías usadas en la literatura para estudiar la circulación atmosférica de gran escala no son apropiadas para el estudio de la onda 3, la cual es un patrón ondulatorio no estacionario con propagación meridional y amplitud no constante a lo largo de un círculo de latitud.
Una metodología alternativa que se ha propuesto para estudiar las ondas propagantes y estacionarias son las funciones ortogonales empíricas complejas (cEOF, Horel 1984). Este método amplía el análisis EOF para capturar oscilaciones con amplitud y fase variables y se ha aplicado al dominio temporal. Por ejemplo, Krokhin y Luxemburg (2007) aplicó cEOF a las anomalías mensuales de precipitación basadas en estaciones y a las anomalías mensuales de temperatura en la región de Siberia Oriental y Extremo Oriente, lo cual permitió evaluar las características de propagación del principal patrón de cada variable. Del mismo modo, Gelbrecht, Boers y Kurths (2018) aplicó cEOF a la precipitación diaria en Sudamérica, lo cual permitió caracterizar las características de propagación del dipolo de anomalías de precipitación observado entre el Sur de Sudamérica (SESA) y la Zona de Convergencia del Atlántico Sur. Hasta donde se sabe, el análisis cEOF no se ha aplicado en el dominio espacial para capturar la naturaleza variable en fase de las ondas planetarias en la atmósfera.
El objetivo de esta tesis es entonces mejorar la descripción y comprensión de las asimetrías zonales de la circulación extratropical del hemisferio sur a través de:
La identificación de los patrones principales de variabilidad de las asimetrías zonales identificándolas con el método de cEOF, porque permite considerar ondas planetarias de fase variable con amplitud variable. Se pone especial atención en el patrón de onda 1 y onda 3 por el conocimiento previo de su importante influencia tanto en la circulación extratropical del hemisferio sur como en el clima de sus continentes.
La exploración de las condiciones dinámicas estratosféricas, troposféricas y de superficie que explican la actividad de los patrones principales identificados en 1.
La exploración de las características simétricas y asimétricas del SAM a través de metodologías innovadoras, teniendo en cuenta que es el primer patrón de variabilidad temporal de la circulación extratropical del hemisferio sur.
La evaluación de la capacidad actual de los modelos climáticos como el CMIP6 para describir estos patrones principales de variabilidad.