CLIMATOLOGÍACLASE 1

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

Balance de energía del sistema tierra-atmósferaQué factores pueden producir cambios en el balance?

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

DIMENSIÓN RELATIVA

Masa99 % 30 km

D2r

1400

~

~r 6000 km

D

16 km

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

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

Factores del ClimaINTERNOS

EXTERNOS

Generales

Locales

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