Modulación multidecenal de la lluvia invernal en el noroeste de Baja California

Multidecadal variation of winter rainfall in northwestern Baja California

Sergio Reyes-Coca¹* y Ricardo Troncoso-Gaytán²

¹ CICESE Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada Ensenada, C.P. 22860, Baja California, México. *E-mail: sreyes@cicese.mx

Recibido en septiembre de 2002;
Aceptado en marzo de 2003.

Resumen

Se examinaron algunas características climáticas relativas a la precipitación sobre el noroeste de Baja California (México) en relación con la variabilidad interanual, decenal y multidecenal de algunos índices del Océano Pacífico. El análisis se basa en valores anuales de 1900 a 2001 de datos de precipitación invernal (de noviembre a abril) en Ensenada, Baja California, región climatológicamente representativa del noroeste de Baja California. También se examinan el Índice de la Oscilación del Sur (IOS) y la Oscilación Decenal del Pacífico (ODP). Los resultados se obtuvieron de análisis estadísticos y ondiculares de los datos de precipitación invernal. La evolución tiempo-frecuencia de los datos muestra una asociación cercana con las señales interanual (2-7 años), decenal (10-20 años) y multianual (20-70 años) presentes en el IOS y la ODP. Es interesante notar que el periodo multidecenal de sequías en el noroeste de Baja California (1941/1942 a 1976/77) coincide con valores negativos de la ODP (caracterizada por aguas marinas superficiales frías frente a Norteamérica) y frecuentes eventos de La Niña, mientras que condiciones lluviosas (1977/1978 a 1998/1999) coinciden con valores positivos de la ODP (caracterizada por aguas marinas superficiales cálidas frente a Norteamérica) y frecuentes e intensos eventos El Niño. Finalmente, un escenario futuro, derivado del análisis ondicular, muestra la posibilidad de un periodo decenal seco para el noroeste de Baja California de 1999 a 2015, aproximadamente.

Palabras clave: lluvia invernal, Índice de Oscilación del Sur, Oscilación Decenal del Pacífico, sequía, análisis ondicular.

Abstract

Key words: winter rainfall, Southern Oscillation Index, Pacific Decadal Oscillation, drought, wavelet analysis.

Introducción

Muchos de los fenómenos meteorológicos y climáticos que se observan en Baja California, tales como lluvias, sequías, ondas de calor, Santanas, etc., están altamente influenciados y controlados, pero no necesariamente producidos, por el irregular fenómeno tropical de El Niño/Oscilación del Sur (ENOS). Cuando ocurre un evento cálido del ENOS (conocido como El Niño), se tiene una mayor probabilidad de lluvias e incluso de inundaciones en Baja California durante el invierno (Reyes y Rojo, 1985; Minnich et al., 2000) y aumenta la probabilidad de un número mayor que el normal de huracanes frente al suroeste de México durante el verano (Reyes y Mejía-Trejo, 1991). Por el contrario, cuando se genera un evento frío del ENOS (conocido como La Niña, el otro extremo del ciclo) se tienen grandes posibilidades de un incremento en el número de huracanes en el Atlántico (Goldenberg et al., 2001; Reyes y Troncoso, 1999), así como de sequías y pocas lluvias en la región occidental de Norteamérica (Kiladis y Diaz , 1989; McCabe y Dettinger, 1999).

Las escalas de tiempo del fenómeno ENOS son del orden de 2 a 7 años, siendo ésta la señal natural de mayor importancia que regula las condiciones climáticas en gran parte del mundo (Meyers et al., 1999, y las citas ahí presentadas). Sin embargo, cuando el ciclo ENOS es neutro, como ha sido el caso durante los últimos años (1999-2001), otros fenómenos, principalmente oceánicos con escalas de tiempo mayores por ejemplo de varias décadas, son los que pueden ejercer control sobre las condiciones del clima. Este es el caso de la Oscilación Decenal del Pacífico (ODP), que probablemente es el segundo mecanismo en importancia que regula el clima en la región del Pacífico Norte. Ambos fenómenos, ENOS y ODP, parecen ser los principales moduladores del clima en la región de Norteamérica (Mantua et al., 1997; Zhang et al., 1997). La ODP se caracteriza por una alternancia del signo en el campo de anomalías de la temperatura superficial del mar (TSM), entre el Pacífico Norte occidental y oriental (Minobe, 1997, 1999). Los resultados aquí mostrados y los estudios de otros investigadores (McFarlane et al., 2000, y otros presentados en la red mundial) sugieren que la ODP ha llegado al fin de un ciclo positivo (tal vez en 1999), iniciando un nuevo ciclo negativo en el que se podrían observar, durante los siguientes 15 a 20 años, condiciones dominantemente frías sobre el Pacífico nororiental (americano) y cálidas sobre el Pacífico noroccidental (asiático). Se han identificado otros momentos de transición para la ODP durante el siglo pasado, a mediados de los años veinte, principios de los cuarenta y mediados de los setenta (Chao et al., 2000; Gedalof y Smith, 2001). Asimismo, se ha observado que los cambios en la presión atmosférica superficial corresponden a cambios en la temperatura superficial del mar, de tal manera que una fase positiva de la ODP coincide con aguas cálidas en el Pacífico americano y condiciones de presión atmosférica baja, y viceversa, una fase negativa de la ODP coincide con aguas frías en el Pacífico americano y condiciones de presión atmosférica alta (Gershunov y Barnett, 1998).

Además, se sabe que la temperatura global se ha incrementado aproximadamente 0.5°C durante los últimos 50 años (Angell, 1999). Este aumento se ha asociado principalmente a dos causas, por un lado, a un cambio climático aparentemente inducido por la contaminación ambiental humana (efecto antropogénico) y por el otro, a una oscilación propia del sistema climático terrestre (efecto natural) (Folland et al., 1998). Si sólo se considera la hipótesis antropogénica, entonces se podría esperar un continuado incremento en la temperatura global. Sin embargo, también se deben considerar las variaciones climáticas naturales, particularmente las observadas en los océanos, de tal manera que la tendencia positiva al incremento de la temperatura global se puede atenuar o incluso revertir si los procesos naturales así lo favorecen.

En este trabajo se presenta un análisis de la variación multidecenal de la lluvia en Ensenada, Baja California. En la siguiente sección se presentan los datos utilizados y se describe brevemente el método del análisis ondicular y la forma en que se reconstruyen las señales decenales y multidecenales de la lluvia. En la tercera sección se presentan los principales resultados, haciendo énfasis en las oscilaciones decenales, multidecenales e interanuales que existen en la lluvia en la región noroeste de Baja California y su asociación con las señales del Índice de la Oscilación del Sur (IOS) y de la ODP. Finalmente, en la última sección se discuten los resultados, comparándolos con resultados similares y haciendo énfasis en los escenarios futuros que se podrían observar para las lluvias en la región noroeste de Baja California.

Materiales y métodos

La información usada en este estudio se basa en los datos mensuales de precipitación en las ciudades de Ensenada, Baja California (México), y San Diego, California (EUA), el IOS y la ODP. Los datos de San Diego se obtuvieron del National Weather Service de San Diego, a través de su página electrónica (http://nimbo.wrh.noaa.gov/Sandiego/archivesan.html) y comprenden el periodo de 1900 a 2001 de forma continua. Los datos del IOS fueron obtenidos de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), en Colorado, vía internet, gracias al apoyo del Dr. Henry Díaz, y comprenden el periodo de 1900 a 1952; los datos posteriores también fueron obtenidos de la página electrónica de la NOAA (http://www.cdc.noaa.gov/%7Ekew/MEI/#outlook). Los datos de la ODP provienen de la Universidad de Washington, a través de su página electrónica (ftp://ftp.atmos.washington.edu/mantua/pnwimpacts/INDICESPDO.latest). Finalmente, los datos de precipitación en Ensenada fueron proporcionados por la Gerencia Estatal de Mexicali de la Comisión Nacional del Agua; éstos corresponden al periodo de 1894 a 2001, pero presentan algunos vacíos, principalmente durante el periodo de 1911 a 1947, durante y después de la Revolución Mexicana. De la serie original, se tienen dos intervalos (1911-20 y 1945-47) sin datos y varios vacíos mensuales intercalados en el intervalo de 1921 a 1945 (Reyes et al., 1990). Con el fin de tener una serie completa y confiable de 100 años, se tuvo que reconstruir parcialmente la lluvia en Ensenada. Para esto, se utilizó la información de San Diego, que tiene muchas similitudes con el clima de Ensenada. Lo primero fue hacer comparaciones estadísticas y espectrales entre ambos conjuntos de datos para el periodo coincidente, de 1948 a 2001. En la tabla 1 se presentan las estadísticas principales, y en la figura 1 los espectros de Fourier y la coherencia de la precipitación en Ensenada y San Diego, para dicho periodo.

De estos resultados se tiene que los datos de Ensenada y San Diego son homogéneos (es decir, sus momentos estadísticos son similares y tienen una diferencia menor al 10% en sus medias anuales), por lo que siguiendo procedimientos usuales en climatología e hidrología (Instituto de Investigaciones Eléctricas, 1982) se procedió a dividir los valores de la lluvia de San Diego por el factor de 0.95 (correlación lineal entre ambas series) para reconstruir los datos faltantes de Ensenada. Una vez formada la serie completa de datos mensuales de precipitación de 1900 a 2001, se calcularon los valores anuales de lluvia acumulada durante cada invierno (fig. 2).

Análisis ondicular

El análisis ondicular se ha vuelto muy popular para la extracción de información de series de tiempo. En nuestro caso utilizamos la ondícula de Morlet, que es una onda plana modulada con una Gaussiana (Lau y Weng, 1995) y tiene una representación satisfactoria en el dominio de Fourier, de acuerdo con la frecuencia de la ondícula (figura 4 de Kumar y Foufoula-Georgiou, 1997). La ondícula es expandida desde una escala mínima equivalente a la frecuencia de Nyquist (frecuencia máxima) hasta la escala máxima permitida por la longitud de la serie de tiempo (frecuencia mínima). Cada dilatación de la ondícula, con el cambio de frecuencia asociado, es convolucionada con la serie de tiempo. De tal manera que, si hacemos M dilataciones de la ondícula dentro del rango de las frecuencias señaladas, obtendremos una matriz de N × M, que representa la transformada ondicular, donde N es la longitud de la serie de tiempo. Se puede mostrar que el módulo de la transformada ondicular para todas las escalas m en un momento dado n ∈ N, es una estimación del espectro de Fourier local y puede ser comparado contra un ruido rojo a algún nivel de significancia. Estas relaciones son aprovechadas en el método de Torrence y Compo (1998) para marcar valores de la transformada ondicular que difieren significativamente de un ruido rojo. Dado que la ondícula empleada (Morlet) posee la propiedad que deseamos sea revelada a partir de la serie de tiempo (definición en el dominio de las frecuencias), un análisis con esta ondícula puede revelar la estructura tiempo-frecuencia contenida en la serie, incluyendo tanto oscilaciones estacionarias, como modulaciones en frecuencia y amplitud (Kumar y Foufoula-Georgiou, 1997; Lau y Weng, 1995).

El método es relativamente fácil de aplicar y es posible extraer la variabilidad entre escalas definidas de la ondícula de Morlet, que corresponden a periodos de Fourier equivalentes. La relación entre escalas de la ondícula de Morlet y las frecuencias o longitudes de onda de Fourier es explorada en detalle en Meyers et al. (1993). Sumando y escalando adecuadamente entre las convoluciones correspondientes a las escalas m_i y m_s ∈ M de la ondícula (ecuación 29 de Torrence y Compo, 1998), se obtiene una serie cuya variación puede ser atribuida a las frecuencias o periodos de Fourier correspondientes a las escalas de dilatación m_i y m_s. Es decir, se puede reconstruir una serie de tiempo similarmente a la que se obtiene al aplicar un filtro pasa banda entre las frecuencias de Fourier equivalentes a las escalas de la ondícula. Es importante señalar que, dada la longitud finita de la serie analizada, al ir dilatando las ondículas, éstas van introduciendo una deformación al convolucionarlas desde los extremos de la serie. Este efecto deformante se marca como líneas exponenciales que van de las altas a las bajas frecuencias en ambos lados del espectro ondicular.

Resultados

Al aplicar el análisis ondicular de Morlet a las series de tiempo de lluvia invernal (lluvia acumulada de noviembre a abril) en Ensenada se pueden detectar algunas características importantes que dan idea del comportamiento oscilatorio del clima en diferentes intervalos durante el siglo pasado (fig. 3). Las áreas marcadas entre líneas punteadas son distintas de un ruido rojo al 5% de significancia. Se notan dos áreas significativas en las escalas de alrededor de 40 y 15 años, particularmente después de 1940. También se observan áreas aisladas significativas en la banda de actividad de ENOS (2 a 7 años). Se puede notar que las oscilaciones multidecenales (~40 años) significativas (al 5%) se localizan en la segunda mitad del siglo pasado (desde fines de los 1940). El hecho de que esta señal se encuentre dentro del área de influencia deformante de los extremos de la serie, introduce incertidumbre precisamente en su forma, mas probablemente no en su existencia dado que la señal es significativa (5%) en el espectro ondicular. Las oscilaciones decenales (~15 años) significativas se localizan principalmente en el periodo de 1965 a 1995, mientras que las oscilaciones interanuales (2-7 años) significativas se localizan a principios y fines del siglo XX, dejando un periodo centrado a mitad del siglo (de los años cuarenta a los setenta) sin oscilaciones ENOS significativas.

Las señales reconstruidas que presentan una variación multidecenal, ~40 años, y decenal, ~15 años, así como la correspondiente a la variabilidad del ENOS, se muestran en la figura 4. Ya que la señal reconstruida de ~40 años aparece similar a un armónico simple, asumimos que la incertidumbre en su forma, introducida por el análisis, es tolerable en cuanto a la proyección de un escenario probable. También se muestran, para las variaciones decenales, los modelos armónicos ajustados y su proyección hasta el año 2050. Dada la complejidad de la señal del ENOS, esta variabilidad difícilmente puede ser proyectada, aunque es necesario hacer notar que la amplitud de esta variabilidad es tan importante como la de las variaciones decenales. La suma de las contribuciones de las variabilidades decenal y multidecenal, esto es, excluyendo la variabilidad debida a ENOS, se muestra en la figura 5. A partir de estos resultados se pudo sugerir que la temporada invernal (noviembre a abril) de 2001/2002 presentaría un déficit en la precipitación (Reyes y Troncoso, 2001). Quizás lo más importante es que, a partir de estos resultados, se puede proponer un escenario futuro en el que una posible sequía se extendería hasta cerca de 2015. Dado que los ajustes de los modelos armónicos no han sido objetivamente optimizados, aunado al hecho de que la señal de ~40 años esté probablemente deformada, las fechas y periodos presentados deben interpretarse con cautela. Además, no se puede asegurar que las oscilaciones decenales continúen con las mismas características y comportamiento observados en el siglo XX, por lo que la intensidad de los valores también debe interpretarse con cuidado.

Sin embargo, estos resultados apoyan la hipótesis de que un cambio climático ocurrió ya en el Pacífico Norte, tal como aparentemente ocurrió con la ODP (McFarlane et al., 2000, y otros presentados en la red mundial). Esta oscilación bien podría estar modulando la lluvia en el noroeste de México, así como otros parámetros climáticos e incluso fenómenos como el ENOS, como será discutido en la siguiente sección.

Los escenarios obtenidos al aplicar el análisis ondicular a los datos de la lluvia invernal en Ensenada, sugieren que se ha iniciado un periodo de sequías a partir de fines del siglo pasado (desde 1999) y que podría continuar hasta 2015, aproximadamente. Es decir, a partir de este siglo XXI podríamos estar entrando en un nuevo ciclo de sequías para la región noroeste de Baja California. Además, se podría esperar que el probable cambio de fase en la ODP en 1999 coincida con un incremento en la intensidad y la formación de eventos fríos del ciclo ENOS (La Niña), similar a lo observado durante el periodo de 1941 a 1975 (fig. 6). Quizás este fenómeno de la ODP en todo el Pacífico Norte, superpuesto al fenómeno ENOS, localizado principalmente en la región del Pacífico tropical, podría estar contribuyendo a inhibir y debilitar los eventos cálidos de El Niño, pues mientras el Pacífico oriental se mantenga con temperaturas bajas, no habrá suficiente energía calorífica para un El Niño intenso. Además de lo anterior, cuando se tienen "condiciones neutras o normales", la variabilidad del estado del tiempo día con día y semana a semana también aumenta en nuestra región. Esto se puede explicar si recordamos que las corrientes de aire de la alta atmósfera (la corriente de chorro), que conducen los frentes meteorológicos y las tormentas de invierno, no tienen una dirección preferida durante condiciones neutras del ENOS en la atmósfera. En cambio, durante los eventos de El Niño, la corriente de chorro se desplaza muy al sur, trayendo las tormentas a Baja California. Por el contrario, durante los eventos de La Niña, ocurre que la corriente de chorro se encuentra preferentemente desplazada hacia el norte, propiciando una zona de bloqueo y reduciendo, por lo tanto, la entrada de tormentas y lluvias a nuestra península (Brito-Castillo et al., 2002).

A largo plazo se puede decir que si bien nos encontrábamos en una fase de lluvias relativamente abundantes, probablemente iniciada en 1977 y que nos sorprendió con las desastrosas lluvias del invierno de 1977/1978, ésta debió llegar a su fin a fines del siglo pasado, para iniciarse una fase de relativa sequía. Como soporte a esta conclusión, en la figura 6 se muestran los ciclos multidecenales para la lluvia en Ensenada y las correspondientes series en sus fases positiva y negativa del índice de ODP y del IOS. Los máximos y mínimos se corresponden aproximadamente y el periodo de sequía de 1941 a 1976 muestra valores predominantemente negativos tanto para la lluvia como para la ODP. De 1977 a 1998 se observa la cresta de la onda, que coincide con frecuentes e intensos eventos El Niño (valores muy negativos del IOS) que dejaron conjuntamente lluvias abundantes en la región de estudio. A partir de esa fecha posiblemente se ha iniciado, una temporada donde dominarán de nuevo los valores por debajo del normal.

Como se dijo más arriba, estos saltos climáticos que corresponden a cambios más o menos abruptos hacia intervalos de tiempo con dominancia de anomalías de un signo a otro, han sido claramente identificados en el clima del Pacífico nororiental en otros estudios (Chao et al., 2000; Gedalof y Smith, 2001) y se manifiestan en diversos elementos del clima, afectando entre otras, a la lluvia en la región noroeste de Baja California. En particular, consideramos que durante el lustro de 2000 a 2005 se deberá confirmar la ocurrencia de un 'salto climático', similar a los observados en el invierno de 1940/1941 (de fase cálida a fría en la ODP) y el de 1976/1977 (de fase fría a cálida), por lo que podremos observar una tendencia negativa de la temperatura del aire y del mar, lo que podría afectar significativamente los diferentes componentes del clima como son el campo de presión atmosférica y la precipitación en toda la región de estudio. Estas oscilaciones multidecenales en el mar y en la atmósfera pueden ser clasificadas como naturales, al igual que la irregular oscilación multianual mar-atmósfera del ciclo ENOS. Resta preguntarnos si estos ciclos y sus interrelaciones se mantendrán en el futuro cercano, a pesar a la actividad humana, o si el efecto antropogénico será lo suficientemente intenso para modificar los patrones naturales del clima.

Las variaciones de la temperatura del mar y del campo de presión atmosférica tienen un fuerte impacto en el comportamiento de la corriente de chorro y en la trayectoria e intensidad de las tormentas extratropicales que afectan el oeste de Norteamérica durante el invierno. Se podría favorecer que, durante la fase fría de la ODP, la corriente de chorro se vea desplazada al norte, desviando las tormentas extratropicales invernales al norte de California, incrementando las posibilidades de sequías y lluvias escasas en Baja California, como se observó recurrentemente durante el periodo de principios de los años cuarenta hasta mediados de los setenta (Namias, 1978, 1983).

Los resultados de los análisis efectuados y la necesaria probabilidad de la recurrencia de un régimen similar al de 1941 a 1976, nos permiten plantear los siguientes escenarios.

Si la ODP en efecto ha cambiado de la fase cálida (de 1977 a 1998) a una fase fría (a partir de 1999) se podría esperar que continúe el periodo de sequías para Baja California y el sur de California hasta mediados de la década de 2010. Además, sería de esperarse que este cambio de fase en la ODP traiga asociado un incremento en la formación e intensidad de los eventos La Niña, similarmente a lo observado durante el periodo de 1941 a 1976. Gershunov y Barnett (1998) han sugerido que cuando la ODP está en su fase negativa (fría), los Niños son menos y de menor magnitud, mientras que en la fase positiva (cálida) de la ODP, las Niñas son más débiles e infrecuentes. Si el próximo El Niño, que se espera para el invierno de 2002/2003, es débil o moderado (Climate Diagnostic Center, 2002) podría traer poco alivio a la presente sequía (1999-2001). Tendremos que esperar varios años más para verificar, primero, que el salto climático ya ocurrió y, segundo, que éste trae asociado un periodo de sequías en nuestra región al inhibir la formación de eventos El Niño a favor de eventos La Niña dentro del ciclo ENOS. Mientras ocurría la revisión y publicación del presente artículo concluyeron las temporadas de lluvia 2001/2002 y 2002/2003; en la primera se observó una precipitación récord muy por debajo de la normal, mientras que en la segunda, incluso en condiciones cálidas de El Niño, la precipitación sólo estuvo ligeramente por encima de la normal. Todo esto coincide con los escenarios propuestos en este trabajo.

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