climatologÍa - departamento de ciencias de la atmosfera y ... 1-2007_clima.pdf · 8) la...
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PROGRAMA:
1) Sistema climático. Predictabilidad y aleatoriedad. Concepto de Clima. Condiciones externas e internas. Ergodicidad. Transitividad. Climatología Descriptiva, Física, Sinóptica y Dinámica.
2) Factores astronómicos del clima. Radiación solar. Distancia tierra-sol. Altura del sol en función de la latitud, día y hora.
3) Radiación solar en el sistema climático. Absorción por ozono, vapor de agua y otros gases. Difusión y dispersión. Transmitancia. masa óptica. Refracción. Variación diaria, estacional y espacial. Reflexión por gases, partículas y nubes. Albedo de diferentes superficies de la críósfera y océanos. Distribución global y variación estacional del albero total.
4) Radiación terrestre. Emisividad. Bandas de absorción del agua y otros gases. Ventana de radiación. Gases de invernadero. Mecanismo de calentamiento de la atmósfera. Variación estacional y geográfica de la radiación terrestre. Balance de radiación del sistema climático.
5) Criosfera: nieve estacional, hielo marino, mantos continentales, glaciares y permafrost. El rol de los océanos en el sistema climático: Calentamiento por radiación, flujo vertical de calor, capa de mezcla y termoclima estacional. Balance térmico con la atmósfera. Almacenamiento y transporte de calor en los océanos. Litosfera: flujo de calor en el suelo. Penetración desfasaje de las ondas térmicas, diurnas y anuales..
6) Balance global de radiación y calor en el sistema climático y en la atmósfera. Transporte meridional de energía. Teorías antiguas sobre la circulación general. Experimentos físicos y matemáticos sobre el transporte meridional de momento angular y calor. Circulación de Hadley y de Rossby. Transporte meridional medio celular y turbulento.
7) La circulación observada. Resolución de la circulación general. campos medios promediados zonalmente. Las circulaciones meridionales. Transporte meridional de calor, momento angular y agua. Esquema global de la circulación general. los campos medios en superficie., troposfera media, alta y estratosfera. Variación estacional. Implicancias climáticas. Convergencia y movimientos verticales.
8) La circulación de los trópicos. Características generales de la atmósfera tropical. Los océanos en los trópicos: corrientes y temperatura. La zona de convergencia intertropical. La circulación del Walker. La circulación Atlántico-Amazonas. Las oscilaciones de 30-60 días. El monzón asiático. El monzón africano. Las ondas de los Estes. Tormentas y ciclones tropicales. otras perturbaciones tropicales. Efectos diurnos y topográficos.
9) Aspectos generales de la circulación de los Oestes. Variabilidad. Distribución geográfica ce las masas de aire. Mecanismos de formación del frente polar. Familias de ciclones, circulación general. Distribución geográfica del frente polar y del jet subtropical. Trayectorias de las depresiones en los hemisferios. Variabilidad de distintas frecuencias. El patrón PNA. Fenómeno de vacilación. Transición entre regímenes climáticos diferentes. La onda semianual de presión en el Hemisferio Sur.
10) La precipitación a escala global. El continente ideal. Los climas del mundo. El clima de Sudamérica. La circulación sobre Sudamérica. La zona del Pacífico: Colombia, Ecuador; los climas de Perú y norte de Chile; centro y sur de Chile. La zona atlàntica: latitudes medias y subtropicales, el nordeste de Brasil. El Amazonas. El litoral de Caribe.
11) El clima de Argentina. La circulación sobre Argentina. Los sistemas de Jets. La depresión del noroeste. Las situaciones típicas. El pasaje de sistemas frontales el desarrollo de ciclones. Campos medios de precitación y su variación anual.
12) Factores que controlan el clima local. El clima urbano. La isla urbana de calor. Flujos alrededor de obstáculos. La influencia de la topografía. La brisa de mar y tierra. Vientos locales. Contaminación.
13) Cambio climático. Concepto. Relación señal-ruido. Test de significancia para la media y la varianza. Intervalo de confianza. Relación de confiabilidad. Estimación de la relación señal-ruido. Cambios climáticos en la escala de 10 a 10 años. El actual interglaciar. Influencia de los cambios en la Historia. El clima de los últimos cien años. Cambios de la temperatura en función de la latitud y región Geográfica.
14) El fenómeno de El Niño. Historia: Carranza, Lockyel, Walker, Wyrtky, Bjernes, Ichrye, Quin. El Niño, La niña y la Oscilación del Sur; ENSO. Descripción del fenómeno. El Niño fuera de su área de influencia directa: Africa, India, ONA, Sudamérica.
Actitud antropocéntrica Socio económica
- Temperatura- Precipitación- Contenido de agua en el suelo- Vector viento- Humedad relativa- Insolación- Nubosidad- Visibilidad- Presión- Tiempo significativo: Niebla- Tormentas, heladas, etc
ELEMENTOS DEL CLIMA
Geomorfólogo
Agricultor
Turista
V, Temp., PPP, H suelo
H suelo, Temp., Insolación
PPP, H, Nubosidad
Temp, PPP, Nubosidad Insolación, V, H
Generalización del vocabulario
Clima del Ozono
Clima de 500 hPa
Contextos
CLIMA
Actitud antropocéntrica Socio económica
- Temperatura- Precipitación- Contenido de agua en el suelo- Vector viento- Humedad relativa- Insolación- Nubosidad- Visibilidad- Presión- Tiempo significativo: Niebla- Tormentas, heladas, etc
Es el sistema que es afectado por la variabilidad de los elementos climáticos.Depende de la escala del tiempo.
Lo que no es parte del sistema climático pero influye en el mismo: Factores externos. Ej: Variabilidad de la radiación solar.
Movimientos astronómicos de la tierra
Axiomática: Según OMM el SC está compuesto por los subsistemas. ATMÓSFERA
. HIDRÓSFERA (Ríos, lagos, océanos, etc)
. CRIÓSFERA ( Hielos continentales y marinos, Nieve y permafrost)
. SUELO (Primeros metros de la litósfera)
. BIÓSFERA (terrestre y marina)
SISTEMA CLIMÁTICO (SC)
ELEMENTOS DEL CLIMA
Actitud científica Variables significativa (suceptibles de cambio)
(Exclusiva)
Ej. Si el Sistema Climático = Atmósfera
Todas las variaciones del sistema hidrodinámico más todas las variables del resto de la física.
ELEMENTOS DEL CLIMA
T
PPP
H
V
H suelo
Insolacion
Nub
Tiempo significativo :
Nieblas, tormentas,etc.
Actitud antropocéntricaSocial-económica
Te ∼∼∼∼ 1-100 años
SOL ATMÓSFERAOCÉANO (no todo)LITÓSFERA (no todo)CRIÓSFERA
Factores internos del climaCaracterísticas termo e hidrodinámicas de la atmósfera
Posición extrema: Todo lo que interactúa con las variables climáticas depende de Te
Posición manejable: Todo lo que es influenciado por los elementos climáticos de superficie
Factores externos del climaFísica del SolMovimientos Astronómicos
O.M.M.Atmósfera Capa límite planetaria
Atmósfera libre
Hidrósfera Ríos, lagos, mares, océanos.
Criósfera Hielos continentales y marinosNievePermafrost
Suelo Primeros mts. de la Litósfera
Biósfera Terrestre y marina
SISTEMA CLIMÁTICO
Cuando un subsitema tiene
El subsitema llega a condiciones medias estacionarias
Es una medida de tiempo que tarda un sistema en equilibrarse después de una perturbación pequeña sobre el mismo
TIEMPO DE RESPUESTA : T
Una expresión: l – folding time = T
Perturbación de magnitud A A´ = Ae –ααααt
cuando t = 1/α t = T ya que A´ = A/e
En general en el sistema climático
T de respuesta es el T respuesta térmico
T << que el T del resto del sistema que interactúa con él
SUBSISTEMAS
ATMÓSFERA HIDRÓSFERA
-Densidad y capacidad calorífica muy pequeña
-- T de respuesta pequeño
- Muy Inestable
- Mas dinámico de los subsistemas
- Dimensiones: Horizontal >> Vertical
- Movimientos esencialmente horizantales
. Equilibrio hidrostático
. Fuerte interacción con la superficie y el espacio exterior
- Densidad y calor específico >> atmósfera
T de respuesta grande
- Masa * Calor específico >> que todos los otros subsistemas
- Reservorio de energía
- Gran inercia mecánica
- Dimensiones idem atmósfera
. Equilibrio hidrostático
. Fuerte interacción con la
atmósfera
Dimensiones
SUBSISTEMAS
ATMÓSFERA HIDRÓSFERA
ρ, Cv más pequeñosT pequeñomás inestablemás dinámica
ρ , Cv >> atmósfera
Masa . Cv >> Todos los otros subsistemas
Reservorio de energía
Gran inercia mecánica
Dimensiones:Océano idem Atmósfera pero aún más Hidrostático
Fuerte interacción con la superficie
Redistribución propiedades
por movimientos esencialmente horizontales
Relación hidrostática
Fuerte interacción Mar – Atmósfera
LITÓSFERA
- Condicionado por el clima
- Agente Vulcanismo
- Intercambia con atmósfera:
- Momento
- Energía
- Masa (agua)
BIÓSFERA
- Ciclo de gases de invernadero
CO2- CH4, NO7
- Reflexión de la luz
- Ciclo del agua
CRIÓSFERA
- Hielo en Antártida y Groenlandia
- Hielo cont. en glaciares
- Hielo marino , capas y témpanos
- Nieve (transitoria estacionalmente)
Permafrost
Desacopla Océano –Atmósfera en lat.
altas
FEEDBACK
input outputSISTEMA
FEEDBACK
ejemplos:
T + sup. con HIELO y NIEVE
+ reflexión de la LUZ SOLART
FEEDBACK POSITIVO
T mas capacidad de contenerH2O vapor en la atmósfera
mayor retención de la emisión de onda larga
otra vez FEEDBACK POSITIVO
+ H2O vapor
FEEDBACK NEGATIVO
T
+ Nubosidad
+ Albedo
- Radiación O. larga saliente
eventualmente
T
Complicado, aunquegeneralmente
+ H2O vapor
FEEDBACK NEGATIVO
T
+ Nubosidad
+ Albedo
- Radiación O. larga saliente
eventualmente
T
Complicado, aunquegeneralmente
FORZANTE EXTERNO Y VARIABILIDAD INTERNA
FB-
FB+
Perturbación decrece
Perturbación crece y puede dar lugar a otros procesos con FB- ó FB+
VARIABILIDAD INTERNA
Para que la respuesta periódica tenga la misma frecuencia que el forzante debe haber una relación lineal
R(t) = a F(t) + b
R= respuesta
F= forzante
Importancia de la variabilidad interna
gafico 2.7
Predecible al tiempo t1 – t0
si para cada ε ∃ un δ
tal que si ???? S1to – S2to ???? < δ
???? S1t – S2t ???? < εsi no ocurre es impredictible al tiempo t1 – t0
En la atmósfera ε puede ser la distancia media entre dos estados cualquiera tomados al azar
¿Predictabilidad?
n: enorme
4x2 xn
x1
t1t0
S1δδδδ
εεεε
t1 – t0
Depende de la escala
Impredictabilidad
Sus procesos son esencialmente no lineales
Aleatoria en los promedios climáticos
La predicción del clima no puede ser una simple extensión de la predicción numérica del tiempo
¿Por qué la atmósfera es impredictible?
se propaga A LA GRAN ESCALA
en la gran escala las ondas son inestables dinámicamente
CRECEN
ENERGÍA DE LAS PEQUEÑAS ESCALAS
CONCEPTO DE CLIMA
Idea de promedio
T enero un año difiere
T 30 eneros difiere generalmente
mucho menos
Tentación: Clima como promedio sobre t ::::
Problema práctico: No se puede calcular
Problema conceptual: No se puede hablar de cambio climático
Problema similar al de la macánica estadística
Se introduce el concepto de población
Colección infinita del mismo sistema dinámico, cada una de ellas evolucionando en forma independiente y diferente.
T enero de otro año
T otros 30 eneros
APLICACIÓN AL CLIMA
Copia : de sistemas con las mismas condiciones
Astronómicas
Geográficas
Componentes Químicos
Etc.
El tiempo en cada sistema evoluciona independientemente
La distribución de probabilidad no cambia si no cambian las condiciones externas.
Clima como promedio sobre la población
En este caso la variabilidad sobre la población constituye el ruido climático
Clima como la distribución de la probabilidad multivariada
El ruido climático sería parte del clima y en el lugar de promedio se hablaría de valor esperado del clima.
Herramienta de estudio Modelos de Circulación General (MCG)
1° En el caso de los “climas” de los MCG la vantaja es evidente:
se puede en un principio construír una muestra de la población
¿Qué se ganó?
1° En el caso de los “climas” de los MCG la ventaja es evidente:
se puede en un principio construír una muestra de la población
Sistema climático real
2° En el supuesto que ambos promedios * y todas las estadísticas coincidan
• Promedio en una realización cuando t tiende a infinito
• Promedio sobre la población
(el proceso es ergódico)
se dispone de una realización y es posible calcular sobre ella las estadísticas pues se va ganando un marco conceptual que permite aplicar la teoría estadística.
Este nuevo concepto es tan invasible y teórico como el del promedio
¿Qué se ganó?
1° En el caso de los “climas” de los MCG la vantaja es evidente:
se puede en un principio construír una población (una muestra)
Sistema climático real
2° En el supuesto que ambos promedios * y todas las estadísticas coincidan
• Promedio en la realización cuando t tiende a infinito
* Promedio sobre la población
(el proceso es ergódico)
se dispone de una realización y es posible calcular sobre ella las estadísticas pues se va ganando un marco conceptual que permite aplicar la teoría estadística.
3° Se ha tenido que precisar las ideas y se ha debido introducir el concepto de condiciones externas
lo que termina por definir en cada caso de quésistema se está hablando.
Este nuevo concepto es tan invasible y teórico como el del promedio
En la definición del sistema climático
- puede haber cierta LIBERTAD
- aunque no puede ser ARBITRARIA
Las condiciones ó variables externas no pueden ser influídas por la evolución del sistema
Son variables externas al sistema aquellas que en el lapso de tiempo de interés sufren una influencia despreciable por parte del mismo.
La elección de las variables externas está estrechamente vinculada con la escala de tiempo
que se elige
En la definición del sistema climático
- puede haber cierta LIBERTAD
- aunque no puede ser ARBITRARIA
Las condiciones Ó variables externas no pueden ser influídas por la evolución del sistema
Son externas las vaiables qu en el lapso de tiempo de interés sufren una influencia despreciable por parte del mismo.
La elección de las variables externas está estrechamente vinculada con la escala de tiempo que se elige
FINALIDAD
Predicción del tiempo
(pocos días)
Simulación climática
SISTEMA
MCG (atmósfera) +Balance térmico en la superficie de la
Litósfera
MCG + Al menos parte del océano y la Criósfera
CONDICIONES EXTERNAS
T prefijada en el mar y la Criósfera como condición de borde
Cambios en la órbita terrestreAstronómicos
Variabilidad de la emisión solar
Deriva de los continentesGeológicos
Movimientos orogénicos
Vulcanismo
Variabilidad interna del sistema
Composición
de la atmósfera Cambios en la concentración
de GEI
Cambios en la concentración
y distribución de aerosoles
Cambios en la órbita terrestreAstronómicos
Variabilidad de la emisión solar
Deriva de los continentesGeológicos
Movimientos orogénicos
Vulcanismo
Variabilidad interna del sistema
Composición
de la atmósfera Cambios en la concentración de GEI
Cambios en la concentración de aerosoles
¿El sistema climático es o no ergódico?
En un sentido estricto no puede haber respuesta parece una pregunta inútil
Explorar sistemas similares matemáticos (sistemas de ecuaciones) o físicos.
Los sistemas matemáticos similares presentan en principio infinitas soluciones.
Cada solución tiene sus propias estadísticas de largo plazo.
Si al elegir una solución cualquiera del sistema hay un sólo conjunto de estadísticas de largo plazo el sistema es transitivo.
Es decir que las estadísticas no van a depender de qué valores haya tomado el sistema en algún momento
¿Por qué transitivo?Los valores de las soluciones no están impedidos de transitar por cualquier valor.
En el largo plazo presentarán las mismas estadísticas.
Si hay más de un conjunto de estadísticas con probabilidades no nula el sitema es intransitivo
Analogía física
Sistema Transitivo
V V = 0
Sistema Intransitivo
V V = 0
Sistema TRANSITIVO
Sistema INTRANSITIVO
Proceso ergódico
No ergódico
Enseñanza del experimento
Podría ocurrir:Cambio en las condiciones externas modifica el clima en forma irreversible
Tercera posibilidad
Sistema es transitivo pero por ciertos tiempos mantiene estadísticas diferentes.
Esto es un
Sistema semitransitivo
Posibles explicaciones de:
NIÑO NO-NIÑO
Periodos Interglaciares Periodos Glaciares