Anexo del Informe de Proyecto SIP 20070930

Titulo:

Identificación de las condiciones oceánicas asociadas al paso de huracanes en los

mares Intra-Americanos (Golfo de México y Mar Caribe)

Dr. Orzo Sánchez Montante

Ing. Aldo Olivares Hernández

Ciencias Oceanográficas Aplicadas a la Ingeniería Oceánica y Costera (COAIOC)

CICATA-IPN Altamira

Resumen.

A partir del procesamiento de los datos satelitales de altimetría y de los parámetros físicos de la evolución de ciclones tropicales históricos se desarrolla una metodología observacional para la identificación de las condiciones oceánicas favorables para la intensificación de huracanes en el Golfo de México y Mar Caribe, los cuales son aquí denominados en conjunto como mares Intra-Americanos.

Ambas bases de datos se encuentran disponibles al dominio publico, por lo que la metodología aquí desarrollada puede ser de gran utilidad en la optimización de las técnicas operacionales de monitoreo de huracanes. Dicha metodología consiste en el análisis estadístico de los datos de altimetría que abarcan la región de los mares Intra-Americanos en correlación con los de los parámetros históricos de la evolución de ciclones tropicales en la región de estudio a fin de identificar las condiciones oceánicas estadísticamente representables de la intensificación de huracanes. Los resultados no indican claramente un único patrón de distribución de la altura del nivel del mar relativa a la intensificación de huracanes.

Introducción.

Regi ó n de estudio.

El Golfo de México (GM) y Mar Caribe (MC), referidos en conjunto en lo

consiguiente como mares Intra-Americanos (MIAs), conforman un mar semicerrado que

se comunica con el océano Atlántico a través del estrecho de Florida en el Golfo de

México y el arco Antillano en el Mar Caribe. La circulación media del GM esta formada

por la corriente de Yucatán, la corriente del Lazo, giros anticiclónicos en las regiones

centro y noreste, y ciclónicos en la bahía de Campeche. (Maul y Herman, 1985; Vázquez,

1993). Las corrientes mas intensas conforman la corriente del Lazo, su intensificación

está identificada por la máxima penetración hacia el norte de la corriente que atraviesa el

estrecho de Yucatán una vez que esta penetración disminuye ocurre un desprendimiento

de un remolino anticiclónico de aproximadamente 250 km de diámetro (Vukovich 1995;

1988), cuya propagación hacia el oeste se registra con una rapidez de 3.5 a 7 cms-1 (Elliot,

1982; Hamilton, 1990). La interacción de los remolinos anticiclónicos con la topografía

del fondo generan a su vez remolinos ciclónicos de menor tamaño que los anticiclónicos,

además de afloramientos y hundimientos de masas de agua (Vidal et al., 1994). Estas

características medias de la circulación superficial tienen asociado una distribución

espacial media de la energía térmica superficial.

Un aspecto importante de la circulación en los MIAs y particularmente en el GM es el

impacto que tiene en el clima de la región ya que su carácter de mar semicerrado lo hace

mas propenso a responder térmica y dinámicamente a variaciones atmosféricas

(Sheinbaum, 1996). De aquí que loas MIAs están considerados como un deposito de agua

caliente en el que se generan, o por el cual transitan un numero importante de huracanes y

frentes fríos cada año y constituyen la fuente primordial de humedad y agua precipitable

(Gallegos y Czitrom, 1990).

Ciclones tropicales.

Se denomina ciclón tropical a las tormentas atmosféricas intensas constituidas por

agrupaciones de nubes en una o más bandas espirales, que describen una circulación

ciclónica1 en torno de un centro de baja presión atmosférica que se desarrolla sobre

ciertas regiones específicas de los mares tropicales cuando preexisten ciertas condiciones

atmosféricas favorables. El desarrollo de ciclones tropicales se presenta en los MIA

durante los meses de Junio a Noviembre, estos meteoros son acompañados de oleaje y

mareas de tormenta (Ortiz-Pérez et al., 1996). Aproximadamente se forman 10 tormentas

tropicales anualmente entre el Mar Caribe y el GM, de las cuales 6 desarrollan como

huracanes. Durante la primera mitad del siglo pasado a partir de 1932, se encontró que

más del 78% de los ciclones tropicales ocurridos en el GM sólo un 36% ha alcanzado la

fuerza de huracán. La duración de las depresiones tropicales ha sido de 4.4 días y la de

1 La circulación ciclónica se refiere a un movimiento en la dirección destrogira en el hemisferio norte, esto es en el sentido contrario de las manecillas del reloj y levogira en el hemisferio sur es decir en el sentido de las manecillas del reloj.

los huracanes de 2.2 días. La Península de Yucatán es el área más afectada por las

tormentas tropicales, un 46% del total mencionado anteriormente (Luis Capurrro, 2001).

En términos generales los ciclones tropicales se forman cuando las altas temperaturas

de la superficie del mar ( > 26°C ) y los vientos marinos prevalecientes en la superficie

provocan una intensa evaporación de la capa superficial del océano. El vapor de agua se

condensa, dando origen a una abundante nubosidad y precipitación, liberándose una gran

cantidad de calor. Este calentamiento de la atmósfera hace descender la presión

atmosférica, generando una intensificacion tanto del viento en superficie como de la

evaporación dando como resultado el proceso de ciclogenesis.

Diversas investigaciones han asociado la intensificación de ciclones tropicales al

coincidir en su trayectoria giros oceánicos de agua cálida (Shay et al., 2000; Namias and

Canyan, 1981). Es ampliamente reconocido que el océano provee de gran parte de la

energía para el desarrollo e intensificación de ciclones tropicales a través de la

transferencia resultante de los flujos de calor en la superficie (Kuo, 1965). El

debilitamiento de ciclones tropicales se presenta rápidamente una vez que estos flujos no

están presentes, tal es el caso cuando estas estructuras atmosféricas circulan sobre

regiones continentales o sobre aguas de temperatura menor que 26 °C (Fredrerick, 2003).

La dependencia de ciclones tropicales a las condiciones oceánicas favorables se

encuentra documentada en una gran cantidad de estudios observacionales (Fisher 1958;

Miller 1958). La intensificación y permanencia de los ciclones tropicales depende en

forma independiente de 2 procesos, uno de ellos de origen interno ha sido descrito

satisfactoriamente por la termodinámica del meteoro, en la que el mecanismo generador

es atribuido a la evaporación inducida por el océano sin la participación de la convección

atmosférica por turbulencia (Emanuel 1986; 1988), el otro proceso corresponde a las

condiciones atmosféricas favorables. De acuerdo con Gray (1968, 1979), los parámetros

favorables para la intensificación de las circulaciones ciclónicas son:

•Un espesor superficial considerable con una temperatura media mayor que

26.5°C.

•Una vorticidad3 absoluta considerable en las capas superficiales de la atmósfera.

•Alto contenido de humedad relativa en la troposfera media.

3

•Gradiente vertical intenso en la capa superficial de la atmósfera.

•Condiciones atmosféricas de inestabilidad.

Los ciclones tropicales se debilitan al inhibirse al menos alguna de sus condiciones de

formación. Los casos observables mas comunes de debilitamiento son desplazamientos

del meteoro sobre aguas con temperaturas superficiales menores a los 26 °C, arribo a las

regiones continentales, o intersección del meteoro con algún otro sistema atmosférico

con vientos intensos.

Aplicabilidad de la altimetría satelital.

La altimetría en oceanografía es una técnica utilizada para medir la altura del nivel del

mar. Particularmente, la altimetría satelital mide el tiempo que tarda un pulso de radar,

con longitud de onda de 847nm, en viajar de la antena del satélite a la superficie del mar

y en regresar al satélite. Estas señales son permanentemente emitidas con una frecuencia

de 1700 pulsos por segundo. Una descripción detallada de las técnicas empleadas en la

altimetría satelital se encuentra en la página electrónica con dirección:

www.jason.oceanobs.com/ html/alti/welcome_uk.html.

Con la técnica de análisis de la altimetría satelital es posible obtener información

sobre la dinámica oceánica (Kuragano, T. and A. Shibata, 1997), las variaciones de la

circulación oceánica (Schott F.A. and Boning C.W. , 1991; Burrage, D. M., C. R.

Steinberg, W. J. Skirving and J. A. Kleypas, 1996), la altura del oleaje, la velocidad del

viento, (Elfouhaily T., D. Vandemark, J. Gourrion and B. Chapron, 1997), las anomalías

del nivel del mar, (Roemmich, D., 1990), e inferir los transporte de masa, los flujos de

calor océano-atmósfera (Bindoff, N.L., R. Coleman, H. van Gysen and J.O Wolff, 1997;

Hastenrath, S. L. 1978). Particularmente a los intereses de esta investigación, mediante la

generación de mapas topográficos ha sido posible analizar la evolución de giros

oceánicos (Chelton and Schlax, 1996), el seguimiento de circulaciones tropicales y la

detección oportuna de fenómenos climáticos asociados a fin de prever su desarrollo,

anticipar sus impactos y reducir su incidencia.( Birkett, C.M., 1995,a). Actualmente se

realizan trabajos en los que se utilizan las mediciones de los sensores satelitales para la

detección de masas de agua cálida y para calcular el contenido de calor potencial de los

ciclones tropicales (Goñi y Trianes, NASA, http://astrobiologia.astroseti.org/astrobio).

El proyecto AVISO/DUACS del acrónimo en ingles (archivo, validación, e

interpretación de datos satelitales oceanográficos/unificación de datos y sistema de la

combinación de altímetros) distribuye datos de altimetría satelital al dominio público vía

Internet (http://www.aviso.oceanobs.com/duacs/) en la forma de anomalías respecto del

promedio global del periodo 1993-1999. Los datos disponibles corresponden a un

producto mezclado de las mediciones obtenidas por los altímetros instalados en los

satélites: Sensoramiento Remoto Europeo (ERS-1 y 2) y TOPEX/Poseidon (T/P),

GeoSAT y JASÓN-1. La resolución temporal de estos datos varía, T/P realiza

repeticiones de orbita de cada 10 días, con espaciamiento amplio entre los registros en

superficie, mientras que ERS tiene una repetición orbital de cada 35 días con mayor

resolución espacial. No obstante la base de datos global generada en DUACS, resulta de

la interpolación en una malla Mercator con una resolución espacial de 1/3°, cubre el

periodo de Octubre de 1992 a Julio 2001 con una frecuencia temporal de 5 días. Debido

a que el producto generado resulta de la combinación de la medición de diferentes

altímetros, los datos resuelven la variabilidad en escalas de 150 a 200 km con una

precisión de centímetros (Ducet et al., 2000).

Hipótesis.

Los datos de altimetría satelital dispuestos por el proyecto AVISO resuelven las

señales de las condición oceánica superficial del nivel mar que es favorable para la

intensificación de huracanes en los mares Intra-Americanos.

Objetivo general.

Identificar en los datos de altimetría satelital dispuestos por el proyecto AVISO las

condiciones oceánicas superficiales de elevación del nivel del mar asociadas a la

intensificación de huracanes en los mares Intra-Americanos a partir del análisis

estadístico de los parámetros físicos de la evolución de los ciclones tropicales disponibles

al dominio publico, en el periodo de 1993 a 2006.

Objetivos específicos.1. Obtener la climatología regional de las condiciones oceánicas superficiales del nivel del

mar en MIAs.

2. Identificar las estructuras dinámicas de la circulación media en la climatología de las condiciones oceánicas superficiales de los MIAs.

3. Identificar las regiones de máxima intensificación de los huracanes históricos de los MIAs.

4. Determinar la escala de variabilidad de las estructuras de agua cálida en función de la probabilidad de intensificación de huracanes en los MIAs.

5. Identificar las condiciones superficiales del nivel del mar asociadas a la intensificación de huracanes en los MIAs.

6. Caracterizar la respuesta de las condiciones oceánicas superficiales del nivel del mar asociadas a la perturbación generada por el paso de un huracán en los MIAs.

Métodos y materiales.

La metodologia considerada para el desarrollo de la presente propuesta de

investigación incluye la aplicación de técnicas de asimilación y procesamiento estadístico

de datos de altimetría satelital. Estas técnicas han sido utilizadas en otras investigaciones

de la climatología oceánica tales como Arnault (1997). Las actividades realizadas son:

1. Obtención de la base de datos.

Utilizando los datos de altimetría satelital dispuestos al dominio publico por el

proyecto DUACS/AVISO se generó una base de datos de la anomalía del nivel del mar

para el Golfo de México. Esta base de datos de altimetría regional se almacenó en

formato estándar netCDF (acrónimo de Network Common Data Format). Debido a que la

base de datos DUACS/AVISO tiene una cobertura global, los datos correspondientes al

interior de la región de los MIAs fueron segmentados por una correspondencia entre las

coordenadas geográficas de la región de estudio y los georeferenciados previamente en

la base de datos de altimetría.

2. Análisis estadístico de la base de datos.

El análisis estadístico de las series de tiempo de la base de datos regional consiste en

el desarrollo de las siguientes actividades:

• La eliminación de la tendencia de las series de tiempo de los datos se realizó

mediante la sustracción del campo promedio de la base de datos del periodo de

análisis 1993 al 2006, es decir:

20061993sin ),(),(),( −−= txslatxslatxsla tendencia

(1)

donde ),( txsla es la anomalía del nivel del mar como función del vector de posición

x y el tiempo t en un espacio de coordenadas curvilíneales. El termino t∆ψ denota

el promedio temporal de la variable ψ en el periodo t∆ indicado como subíndice en

la barra vertical. La relación anterior indica que la anomalía del nivel del mar

referida con subíndice “sin tendencia” corresponde al residual del campo de

anomalía del nivel del mar extraída sin procesamiento de la base de datos

AVISO/DUACS respecto del promedio regional en los MIAs de esta base de datos

en el periodo de estudio 1993-2006.

La eliminación de la tendencia garantiza que:

0),( sin ≅tendenciatxsla , (2)

excepto por la difusión numérica del esquema de interpolación con que fue

previamente generada la base de datos DUACS/AVISO

• La generación de la climatología regional en los MIAs se realizó a partir de la

estimación del promedio mensual para cada año, esto es:

),(1),(1

ii

n

ikañojmes txsla

ntxsla ∑

=

= (3)

donde kañojmestxsla

),( denota el promedio de la variable ),( txsla

referida en el mes j,

del año k, ∑ ψ es la sumatoria de la variable ψ y n representa el numero de

campos existentes por cada mes de la base de datos AVISO/DUACS..

Seguido de la estimación del campo medio mensual de la base de datos jmestxsla ),( ,

según:

kañojmes

kjmes txslatxsla

2006

1993 ),(

199320061),( ∑

=−=

. (5)

Y finalmente la estimación del campo de las anomalías de cada año respecto de la

media mensual de la base de datos, de acuerdo con:

jmeskañojmes

kañojmes txslatxslatxsla

),(),(),( −= . (6)

• El ajuste armónico de funciones ortogonales para la obtención de la amplitud y

fase de la señal de las frecuencias anual, semianual, de cada 15.

• El análisis de los modos principales de variabilidad de la anomalía del nivel del

mar mediante la descomposición de las series de tiempo en funciones

empíricas ortogonales (FEOs). Esta descomposición consiste en considerar el

conjunto de las series de tiempo de tal manera que en cada punto espacial ix al

tiempo it , las anomalías del nivel del mar son expresadas como funciones del

espacio y del tiempo, esto es:

)()(),(1

tTxXtxsla i

m

ii∑

=

= (7)

donde m es el numero de modos normales. El análisis de FEOs será realizado a la serie

completa de la base de datos AVISO/DUACS y a la serie de tiempo filtrada de las

frecuencias mayores que la quincenal.

3. Identificación de las regiones de intensificaciones de ciclones tropicales.

Las regiones de intensificación se identificaron directamente mediante la

regionalización de los gradientes máximos de los parámetros físicos climatológicos que

caracterizan la evolución de ciclones tropicales históricos en los MIAs. Estos parámetros

conforman una base de datos climatológicos de tormentas tropicales, la cual es

administrada por la UNYSIS.

4. Identificación en los datos de altimetría de las condiciones oceánicas

superficiales del nivel del mar asociadas al paso de ciclones tropicales.

A partir de la identificación de la fecha de registro de máxima intensificación

alcanzada por cada huracán en la base de datos de UNYSIS, se identifica en la base de

datos de altimetría satelital la distribución espacial de la anomalía del nivel del mar de la

fecha inmediatamente anterior a la de máxima intensificación del huracán. Esta

identificación es realizada de manera sistemática para cada huracán del periodo y la

región de estudio, información que se expresa en la forma gráfica de diagrama de barras,

obteniendo así una distribución de los valores de la anomalía del nivel del mar asociada a

las intensidades de los huracanes históricos de la región de estudio.

Resultados.

Mediante una caracterización de las categorías de huracanes históricos registrados en

los MIAs durante el periodo de operación de sensóres satelitales, 1993-a la fecha, se

obtiene un diagrama que contabiliza la ocurrencia mensual y anual de ciclones tropicales

(CT) correspondiente a cada una de las categorías de intensidad de acuerdo con la escala

Saffir-Simpson. Este diagrama presentado como figura (1), indica una ocurrencia anual

de 5 CT en promedio durante el periodo de estudio.

Es interesante notar la ocurrencia de un escaso numero de CT en los años de 1997

y 2006, mismos que han sido caracterizados por presentar condiciones climatológicas de

El Niño. Así mismo es el caso de los 14 CT que ocurrieron en los MIAs durante el año

del 2005, en donde también se tiene registrado 6 huracanes mayores, es decir CT con

intensidades mayores o iguales que la que se asigna por la categoría 3 en la escala de

Saffir-Simpson cuándo los vientos máximos sostenidos son mayores a los 180 km/hr. De

esta categorización de huracanes se presentan entre 1 y 3 CT cada año excepto en los

años en los que se tienen condiciones climatológicas de El Niño, tales como son los años

de 1993, 1994, 1997, 2003 y 2006.

Otra característica de la frecuencia anual de ocurrencia de huracanes es la

diferencia observada en la forma de variación de algunos años (1995, 1998, 2001, 2002 y

2004), en las curvas de los conteos de CT que evolucionaron a intensidad de huracán y lo

que no. Estas diferencias son indican que las condiciones ambientales que favorecen la

ciclogénesis son distintos a los que favorecen la intensificación de CT en estos años. Los

años antes señalados son característicos climatológicamente como los ciclos estacionales

de transición entre eventos de El Niño y La Niña.

La variabilidad intra-estacional de la frecuencia de ocurrencia de CT en los MIAs

se caracteriza por el número máximo de CT que se presentan entre los meses de Agosto y

Octubre, con excepción de tan solo algunos años (1994, 1997, 1999, 2001 y 2006).

Particularmente, se distingue una tendencia de crecimiento del numero de CT desde 1994

hasta el 2002, con una interrupción durante el año Niño de 1997. El número máximo de

CT alcanzado durante estos meses fue de 5 en el año de 2002.

Las trayectorias de los CT contabilizados mensualmente se muestran en conjunto

en la figura (2). En esta se observan tanto CT que se originan sobre el Atlántico Tropical

como también sobre el interior de los MIAs. Se distingue que la máxima categoría

alcanzada por los CT se presenta únicamente en el interior de los MIAs, y de hecho se

observa un mayor número de CT que alcanzan categoría 5 en el MC que en el GM. No

obstante el numero de huracanes mayores desarrollados en el GM es mayor a los del MC,

tal como se ilustra en la figura (3). En ésta se muestran las regiones identificadas donde

se alcanza la máxima intensidad de los huracanes mayores, de acuerdo con la

regionalización realizada de las posiciones iniciales de máxima intensidad en una malla

homogénea de 220 km de resolución. De tal manera que cada región de esta malla indica

el número de huracanes mayores que se han inicialmente desarrollado en su interior. El

mayor número de regiones identificadas de intensificación de huracanes mayores se

presentan en Septiembre y Octubre. En el primero de estos se observa un mayor numero

de regiones en el GM mientras que en el segundo, en el MC.

En un intento de identificar las condiciones oceánicas superficiales que están

asociadas a la intensificación de CT en los MIAs, se caracteriza inicialmente la

variabilidad intra-estacional del campo medio de la anomalía del nivel del mar (Fig. 4).

En esta figura, los contornos mayor resaltados (en línea negra) corresponden a sobre

elevaciones del nivel del mar mientras que los contornos menos resaltados (en línea gris)

a depresiones del nivel del mar. De tal forma se distingue por un lado en el GM 2

características predominantes, una de carácter oceánico, la cual está relacionada con la

propagación de giros oceánicos, y otra de carácter costero, la cual está asociada a la

propagación de una onda atrapada a la costa. Ambas características se propagan con

dirección hacia el Oeste, excepto la propagación de los giros oceánicos generados al

noreste del estrecho de Yucatán, que se propagan hacia el Este con la dirección de la

Corriente del Lazo. La dinámica del nivel del mar en el MC es un tanto más complicada

y sus detalles son aún una tarea pendiente en nuestro estudio.

A fin de identificar las condiciones oceánicas superficiales asociadas con la

intensificación de huracanes en los MIAs se realiza una clasificación de los huracanes en

función de los valores locales de la anomalía del nivel del mar del nodo más cercano a la

posición inicial de intensificación y del instante inmediato anterior al registro inicial de

intensificación, tal como se muestra en la figura (5). En ésta es posible observar que

localmente la intensificación inicial de huracanes no tiene un rango específico de valores

en la anomalía del nivel del mar, principalmente debido a que no se esta considerando la

extensión que abarca el sistema atmosférico del huracán (~200 km de diametro).

Impacto.

Hasta el momento se ha generado una serie de programas computacionales dedicados a la

extracción de los datos de altimetría y de los parámetros de evolución de CT históricos en

los MIAs. La funcionalidad de estos programas permite identificar las condiciones

oceánicas superficiales del nivel del mar que están asociadas con la intensificación de

huracanes en la región de estudio. Aún cuando los resultados parciales no sean

completamente determinantes de las condiciones oceánicas superficiales favorables para

la intensificación de huracanes en los MIAs. La información procesada corresponde a una

valiosa caracterización que permite esclarecer la fenomenología característica para cada

huracán de interés, y con ello generar una serie de casos de estudio.

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Figura 1. Frecuencia anual (grafico superior) y mensual (grafico inferior) de la ocurrencia de ciclones tropicales en los MIAs.

Figura 2. Trayectorias de los ciclones tropicales que se registraron sobre los MIAs.

Figura 3. Regiones de máxima intensificación de huracanes mayores en los MIAs.

Figura 5. Secuencia mensual de la distribución media de la anomalía del nivel del mar en los mIAs.

Figura 6. Clasificación de los huracanes mayores de los MIAs en función de la anomalía del nivel del mar correspondientes a la posición próxima y a la fecha inmediatamente anterior de intensificación.