Teleconexiones climáticas (I): Explicando la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y la Oscilación Ártica.

Estos días se está hablando mucho sobre dos conocidas teleconexiones climáticas, la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y la Oscilación Ártica. Repasamos, en artículo, algunos conceptos básicos para entender estos patrones climáticos y como pueden afectarnos.

Un artículo de nuestro compañero, el meteorólogo Enrique Fernández Barrera.

Estos días en los medios se han leído titulares que dicen que la AEMET alerta sobre el patrón NAO, o el triple episodio de la Niña. Sin embargo, lo primero que tenemos que recordar es que AEMET no alerta (eso lo hacen otras autoridades como Protección Civil), AEMET avisa, que es la competencia que se le asigna en su Estatuto. Vamos a explicar en una serie de artículos en qué consisten estas teleconexiones climáticas, que son esencialmente patrones climáticos, que afectan a lugares muy lejanos entre sí.

Los centros de acción

Primero vamos a hacer un breve recordatorio de Climatología. El tiempo en España y en general en latitudes medias se ve afectado en nuestro día a día por sistemas de bajas presiones (borrascas, DANAs) y de altas presiones (anticiclones). Aún así, hay lugares donde este tipo de sistemas permanecen durante un largo tiempo durante el año y se mueven siguiendo un patrón estacional.

Una simplificación de las características climáticas de la Tierra se hacen con los modelos de circulación general, que describen cómo son los vientos en las tres direcciones. Según este modelo, en torno a los 30º de latitud, existen unos grandes anticiclones subtropicales que se producen por el descenso de aire cálido que se da en estas latitudes y que proviene del aire que asciende desde cerca del Ecuador. El ejemplo que mejor conocemos es el anticiclón de las Azores. Como los anticiclones subtropicales se mueven hacia el polo en verano, este anticiclón se acerca hacia nuestras latitudes en verano, lo que impide la llegada de borrascas a la mayor parte del país. El aire cálido y seco descendente en estas latitudes explica la presencia de desiertos como el Sahara o la poca precipitación registradas en los océanos subtropicales, los llamados desiertos oceánicos.

Alrededor de estos anticiclones, como si de un cinturón se tratase, hay zonas de bajas presiones que tienen que compensar el exceso de altas presiones (como el frente polar). El sistema de bajas presiones más importante para nosotros es la baja islandesa. Tanto estos anticiclones subtropicales como bajas se denominan centros de acción semipermanentes.

Figura 1. Principales centros de acción en enero y julio. Observen como en julio se instala cerca de la Península Ibérica un anticiclón (A) que sería el de las Azores y como en invierno este se desplaza hacia el sur, fortaleciéndose la baja (B) que hay encima, la islandesa. Imagen de COMET program.

Patrón de oscilaciones atmosféricas: la NAO y la AO

Estos centros de acción no solo varían su posición de forma estacional, tanto su fuerza como su posición pueden variar debido a otras causas: por simple aleatoriedad o por un forzamiento externo a distintas escalas temporales (algún cambio climático). Por ejemplo, el actual cambio climático antropogénico estaría provocando que el Anticiclón de las Azores aumentara su extensión. No solo eso, algunos centros de acción están conectados con otros como son la baja islandesa y el anticiclón de las Azores. Si se debilita uno, se refuerza otro y viceversa, existiendo una correlación negativa entre ambos. Esto es un patrón dipolar de presión y para el caso de estos dos centros de acción se llama Oscilación del Atlántico Norte, NAO, por sus siglas en inglés. Puede cuantificarse usando diversos índices. El más común es el NAO Index (NAOI), que se obtiene a partir de la diferencia de las anomalías de presión al nivel del mar, respecto a sus valores promediados en 30 años, entre las zonas de Azores e Islandia:

NAOI=(PAzores-P Islandia)

Las fases de la NAO se pueden apreciar de forma gráfica en la Figura 2. Si el valor de NAOI es positivo quiere decir que la presión en las Azores es mayor de lo normal y sobre Islandia presenta valores inferiores a lo normal. Entonces habrá un bloqueo anticiclónico en la Península y el tiempo será seco. En cambio, si el índice NAO es muy negativo, el debilitamiento de las altas permitirá la penetración de las borrascas en la Península Ibérica, por lo que predominará el tiempo húmedo. El tiempo seco predominará en el norte de Europa. Es una correlación negativa entre los centros de acción.

Figura 2: Los dos modos de la NAO, el negativo a la izquierda y el positivo a la derecha. Imagen base de Meteoglosario de AEMET.

El índice NAO es un índice que puede ser diario, mensual o anual. Los registros mensuales de la NAO se pueden ver en la web de la NOAA. También hay que comentar que hay muchos modos de calcularlo, por ejemplo usando la presión en otros lugares como Gibraltar (en lugar de la presión en las Azores) y que se realizan reconstrucciones de este índice para estudiar los climas del pasado. Algunas reconstrucciones pueden alcanzar los 2000 años y se basan en todo tipo de registros paleoclimáticos como son los anillos de árboles o corales.

Solo los meses donde hay grandes anomalías positivas o negativas de este índice son los que se pueden asociar con grandes anomalías en las precipitaciones o temperatura.

Es importante aclarar que este indice no es algo que sea o blanco o negro. La NAO es un patrón que afecta a la variabilidad régimen de precipitaciones de la Península Ibérica en invierno y cuya influencia decrece hacia el este. La influencia en la variabilidad de temperatura en la Península Ibérica no es tan clara, pero sí en el norte de Europa, por lo que la NAO explica gran parte de la variabilidad climática invernal en la región del Atlántico Norte. Su influencia se extiende desde Norteamérica Central a Europa, y norte de Asia, determinando la variabilidad de clima invernal en la región del Atlántico Norte. Para estudiar su influencia se necesita de complejos estudios estadísticos, como el análisis de componente principales.

Estos días también hemos oído hablar de la presencia de anticiclones que se han instalado en la Península Escandinava y en Groenlandia, lo que ha favorecido la presencia de bajas presiones en el sur y la entrada de borrascas en nuestras latitudes. Esto está relacionado con otro patrón dipolar de fluctuación en la presión, la Oscilación Ártica (AO). La AO es otro patrón de circulación atmosférico sobre latitudes medias y altas en el Hemisferio Norte. Influye fuertemente en el tiempo y clima en Norteamérica, Europa y Asia, especialmente durante el invierno.

Las fases de la OA se aprecian en la Figura 3. La fase positiva está caracterizada por presiones más bajas que el promedio sobre el Ártico y más altas sobre el Pacífico Norte y el Atlántico. La corriente en chorro se sitúa mucho más al norte durante estas condiciones, y con ello, las tormentas también se desplazan al norte de sus lugares normales. Además, las latitudes medias de Norteamérica, Europa, Siberia y Asia occidental experimentan un descenso de la temperatura. En la fase negativa, la corriente en chorro se desplaza hacia el sur. El índice que mide la Oscilación Ártica es más complejo de calcular, pero en general suele ser con las diferencias de presión entre un lugar en latitudes polares y otro lugar en latitudes medias.

Consecuentemente, las latitudes medias experimentan roturas de aire polar frío durante invierno cuando la AO es negativa. En la Península Ibérica, una fase negativa generaría más precipitación y una positiva un tiempo más seco. La AO y la NAO presentan una marcada relación de tal forma que se considera que la NAO es la manifestación de la AO en la región noratlántica. De manera que una fase positiva de la AO está relacionada con una fase positiva de la NAO y una negativa de la AO con la de la NAO. Esta semana hemos tenido una clara fase negativa de ambos patrones, lo que ha favorecido el paso de borrascas a la Península Ibérica. Pero como ya he mencionado, no todo es blanco o negro.

Figura 3: Arriba, esquema de la Oscilación Ártica, en a se muestra la fase positiva y en b la negativa. Abajo, las anomalías de presión del invierno de 2009-2010 y 1988-1989 respecto a la media climatológica (1981-2010) durante las diferentes fases de la AO. La fase positiva está relacionada con una fase positiva de la NAO y una negativa de la AO con la negativa de la NAO. Imagen superior de la NASA, disponible en Wikimedia Commons e inferior de la NOAA.

Si habéis leído el hilo que hemos publicado esta semana en la cuenta de Twitter de AEMET, esto último os habrá recordado a una situación de vórtice polar debilitado, ya que tanto esta situación como la fase negativa de la AO implican una corriente en chorro muy perturbada y con más meandros, lo que genera un tiempo más inestable en nuestra zona. Pero ojo, el vórtice polar está en la estratosfera y la AO oscilación es troposférica, por lo que es importante hacer estudios de si ambas situaciones están relacionadas. Este tipo de situaciones pueden anticipar la famosa rotura del vórtice polar, pero no siempre implican una rotura del vórtice polar, como ocurrió en el invierno de 2009-2010.

Los estudios estadísticos

La AO y la NAO no son los únicos patrones oscilatorios de presión. La AO tiene una contraparte en la Antártida, la Oscilación Ártica, y existen otros muchos índices, como la Oscilación del Mediterráneo. En los océanos existen patrones de fluctuaciones periódicos de temperatura, como son la Niña y el Niño. En un próximo artículo explicaremos en qué consisten y su relación con otro patrón dipolar de presión, la Oscilación del Sur. Todos estos índices sirven para realizar las predicciones estacionales que realizan AEMET y otros organismos meteorológicos. Para estudiarlos se realizan complejos estudios estadísticos, por eso la definición más correcta de teleconexión climática sería Asociación estadística entre las variables climáticas en lugares geográficos fijos muy distantes entre sí. Fenómenos como la Niña pueden afectar a la NAO, como veremos en un próximo artículo.

Uno de los tipos de estudios más frecuentes que se realizan para identificar estos patrones son los estudios de funciones empíricas ortogonales (EOFs), también llamados Análisis de Componentes Principales. Estos estudios analizan las anomalías de presión o de otras variables en distintos lugares y para distintos periodos. La técnica transforma esta serie de datos en otros que no están correlacionados entre ellos, pero consiguen que la variabilidad (la varianza estadística) entre ellos sea máxima. Estos datos transformados se pueden representar en mapas para mostrar patrones espaciales en mapas (vectores propios) y oscilaciones de esos patrones en series temporales, (componentes principales). Este sería el modo S, donde se agrupan variables espaciales que tienen un patrón similar. El modo T, en cambio, muestra patrones temporales (las componentes principales) en mapas y oscilaciones algún lugar en específico en series temporales (vectores propios). Cada mapa y serie temporal explican un porcentaje de la variabilidad. Si un pequeño número de estos vectores propios recoge un gran porcentaje, tendremos un buen estudio.

Por ejemplo, Dukerton y Baldwin hicieron este tipo de análisis con datos de presión de 1958 a 1997 en diferentes niveles. En el mapa que mayor variabilidad explicaba (un 23%) aparecía la Oscilación Ártica, por lo que que la Oscilación Ártica sería el modo principal de variabilidad climática en el Hemisferio Norte extratropical. Otro ejemplo, en un análisis del National Atmospheric Research de anomalias de presión del periodo 1899-2020, el mapa que tenía mayor porcentaje de variabilidad tenía asociada una serie temporal que resultó ser la NAO. Esto se muestra en la Figura 4. Por eso es importante señalar que patrones como la NAO o la AO explican un porcentaje de la variabilidad del clima y no todo o nada.

Nota más técnica: primero se obtiene la matriz de anomalías, en el que cada elemento de matriz recoge datos de presión en un lugar o tiempo y se le resta su promedio. Luego se calcula la matriz de covarianzas o correlaciones, por lo que cada elemento tiene la covarianza/correlación en la matriz. Esta última es diagonalizada y se obtienen los autovalores y vectores propios (los EOFs). El primer vector propio recoge la máxima varianza y el resto se ordenan de forma de creciente. La proyección de la matriz de anomalías en los vectores propios es la matriz de componentes principales (se multiplica la matriz de anomalías por la de vectores propios). Esta matriz tiene la propiedad de que la varianza de cada componente principal es igual al autovalor de la matriz.

Figura 4: análisis de componentes principales para datos de presión invernales entre 1899 y 2020. La componente principal es la serie temporal y el primer vector propio el mapa, que explica un 39,3% de la varianza en los datos de presión. Estudio del National Atmospheric Data Research.

Referencias:

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