Métodos de reducción de escala : aplicaciones al tiempo, clima, variabilidad climática y cambio climático

Los Modelos de Circulación General Atmosféricos-Oceánicos Acoplados muestran buena habilidad para simular la evolución de las circulaciones de escala global. Sin embargo, esta bondad no es muy útil para el estudio de impactos locales debido a que la resolución espacial de esos modelos está por encima de la escala de los impactos locales que se desean analizar. Es importante tomar esto en cuenta al estudiar impactos del clima en las actividades del hombre, en la biodiversidad, en ambientes marino-costeros y en arrecifes en las regiones tropicales, por ejemplo. Existen dos aproximaciones para lidiar con esta diferencia de escala e información: los métodos de reducción de escala dinámica y estadística. En este trabajo, se discuten los elementos básicos del sistema climático y las posibles causas de los cambios atmosféricos observados en este sistema. Se discuten brevemente los principales conceptos físicos del sistema climático, el clima de una región, la variabilidad climática y las generalidades del problema del cambio climático global con énfasis en el aspecto regional del mismo. Se describen también los esquemas metodológicos del proceso de reducción de escala y se presenta una discusión sobre sus ventajas y limitaciones, así como algunas aplicaciones al tiempo atmosférico y clima regional.Coupled Atmosphere-Ocean General Circulation Models demonstrate good skill in simulating large scale circulations. However this output is not very useful to study local impacts, as its spatial resolution is courser than the scale of local impacts. It is very important to consider this issue when studying, for instance, climate impacts on human activities, coastal-marine biodiversity and tropical coral reefs. In general terms, there have been two different approaches to deal with this scale and information difference: the dynamic and the statistic downscaling methods. In this work, the basic climate elements are presented and the possible physical causes of atmospheric changes are discussed. Also, a summary of the main physical concepts that define the climate system as well as the climate and climate variability of a region with respect to the mean atmospheric state and the general aspects of the problem of climate change with emphasis on regional scales, is presented. In addition, this study describes the methodological schemes of the downscaling process and presents a discussion of downscaling advantages and disadvantages, while providing applications for regional weather and climate as well as for socio-economic benefits in coastal, agricultural and tourism activities, among others

Un análisis observacional de la circulación meridional somera del Pacífico tropical oriental utilizando datos YOTC y globos piloto de la Isla del Coco, Costa Rica

The low-level circulation of the atmosphere over Isla del Coco has been studied and the presence of a northerly wind at low levels of the atmosphere in the eastern tropical Pacific, in addition to the deep Hadley circulation cell, has been confirmed. Using data from pilot balloons (May 1997 through January 1999, October 2007 through April 2008), the northern flow is between 1 and 5 km high, depending on the time of year, with a maximum speed located between 2 and 3 km above the surface. The generating mechanism of the surface return flow in the Hadley circulation cell has been formulated as a sea breeze, Ekman pumping of the boundary layer, and it could even be a response to the Rossby wave generated by warming in the Chocó region. These results agree with those obtained from the ERA5 reanalysis (January 1979 through December 2020), which show that the southern return cell varies in position and height during the course of the year, with a poorly organized circulation in March and strengthening from July to February. The incorporation of data of low, medium and high cloud cover from Year of the Tropical Convection (boreal summer 2009) evidenced the presence of high-level clouds in the ITCZ region and low-level clouds to the south of the ITCZ, latitudes where the south surface circulation cell is located.Se ha estudiado la circulación de la atmósfera en niveles bajos sobre la Isla del Coco y se ha confirmado la presencia de un viento del norte en los niveles bajos de la atmósfera en el Pacífico Oriental Tropical, además de la celda de circulación profunda de Hadley. Utilizando datos de globos piloto (mayo 1997 a enero 1999, octubre 2007 a abril 2008), el flujo del norte está entre 1 y 5 km de altura, dependiendo de la época del año, con una velocidad máxima situada entre 2 y 3 km sobre la superficie. El mecanismo generador del flujo de retorno superficial en la celda de circulación de Hadley ha sido formulado como una brisa marina, bombeo de Ekman de la capa límite, e incluso podría ser una respuesta a la onda de Rossby generada por el calentamiento en la región del Chocó. Estos resultados concuerdan con los obtenidos del reanálisis ERA5 (enero 1979 a diciembre 20020), que muestran que la celda de retorno sur varía en posición y altura a lo largo del año, con una circulación mal organizada en marzo y fortaleciéndose de julio a febrero. La incorporación de datos de nubosidad baja, media y alta del Año de la Convección Tropical (verano boreal 2009) evidenció la presencia de nubes altas en la región de la ZCIT y nubes bajas al sur de la ZCIT, latitudes donde se encuentra la situada la celda de circulación superficial sur

Caracterización de la Zona Mínima de Oxígeno en el Pacífico Tropical Oriental costarricense utilizando datos in situ de campañas de campo

For conservation and sustainable fisheries, it is important to characterize the Oxygen Minimum Zones or OMZ in and around the methane seeps of the Eastern Tropical Pacific (ETP), Costa Rica, through the analysis of temperature, salinity, density, and oxygen profiles. The data used in this work were collected during several oceanographic research campaigns in the Pacific continental margin and offshore of Costa Rica, between 2009 and 2019, using a CTDs, as the profiler of physical parameters of the water column. In general, it was observed that dissolved oxygen gradually decreases with depth to the thermocline, then its concentration decreases more rapidly and remains low, indicating the presence of the OMZ and tends to increase slightly at greater depths. Mean vertical extension of the OMZ near and around the seeps was 763 m and the mean depth for the minimum dissolved oxygen value was 393 m. Spatial differences of measurements taken at stations near the methane seeps were calculated with respect to the measurements at the station located above them. Overall, a greater variability of the oxygen anomalies was observed within the mixed layer, while under the thermocline their values remain stable and around zero.Para la conservación y la pesca sostenible, es importante caracterizar las Zonas de Mínimo de Oxígeno o ZMO en y alrededor de las filtraciones de metano del Pacífico Tropical Oriental, Costa Rica, mediante el análisis de perfiles de temperatura, salinidad, densidad y oxígeno. Los datos utilizados en este trabajo fueron recolectados durante diferentes campañas de investigación oceanográfica en el margen continental del Pacífico de Costa Rica, entre 2009 y 2019, utilizando un CTD, como perfilador de parámetros físicos de la columna de agua. En general, se observó que el oxígeno disuelto disminuye gradualmente con la profundidad hasta la termoclina, luego su concentración disminuye más rápidamente y permanece baja, indicando la presencia de la OMZ y tiende a aumentar ligeramente a mayores profundidades. La extensión vertical media de la OMZ cerca y alrededor de las filtraciones fue de 763 m y la profundidad media del valor mínimo de oxígeno disuelto fue de 393 m. Se calcularon las diferencias espaciales de las mediciones realizadas en las estaciones cercanas a las filtraciones de metano con respecto a las mediciones en la estación ubicada sobre ellas. En términos generales, se observó una mayor variabilidad de las anomalías de oxígeno dentro de la capa de mezcla, mientras que bajo la termoclina sus valores se mantienen estables y alrededor de cero

Métodos de reducción de escala: aplicaciones al tiempo, clima, variabilidad climática y cambio climático

Los Modelos de Circulación General Atmosféricos-Oceánicos Acoplados muestran buena habilidad para simular la evolución de las circulaciones de escala global. Sin embargo, esta bondad no es muy útil para el estudio de impactos locales debido a que la resolución espacial de esos modelos está por encima de la escala de los impactos locales que se desean analizar. Es importante tomar esto en cuenta al estudiar impactos del clima en las actividades del hombre, en la biodiversidad, en ambientes marino-costeros y en arrecifes en las regiones tropicales, por ejemplo. Existen dos aproximaciones para lidiar con esta diferencia de escala e información: los métodos de reducción de escala dinámica y estadística. En este trabajo, se discuten los elementos básicos del sistema climático y las posibles causas de los cambios atmosféricos observados en este sistema. Se discuten brevemente los principales conceptos físicos del sistema climático, el clima de una región, la variabilidad climática y las generalidades del problema del cambio climático global con énfasis en el aspecto regional del mismo. Se describen también los esquemas metodológicos del proceso de reducción de escala y se presenta una discusión sobre sus ventajas y limitaciones, así como algunas aplicaciones al tiempo atmosférico y clima regional.Reducción dinámica de escala, reducción estadística de escala, clima, variabilidad climática, cambio climático

Climate of an oceanic island in the Eastern Pacific: Isla del Coco, Costa Rica, Central America

Studies of atmosphere-ocean interaction in the Pacific of Costa Rican are scarce. To identify oceanographic systems that may be influencing climate near Cocos Island (Eastern Tropical Pacific Seascape) we conducted six scientific expeditions between 2007 and 2012. Two automated weather stations were set near Chatham and Wafer bays during the expeditions. Data included records from National Meteorological Institute, Global Precipitation Climatology Project (GPCP) and Extended Reconstructed Sea Surface Temperature (ERSST). The climate is typical of the Eastern Tropical Pacific. Its seasonality is driven by precipitation variability associated with meridional migration of the Intertropical Convergence Zone. The seasonal cycle has two peaks, in May and July, a relative minimum between them in June, and the absolute minimum in February. Most of the precipitation is recorded from April to November. Most rain events have short duration and low intensity. An SST trend was observed from January 1854 to December 2013, coherent with regional warming temperature observations. From 1998 to 2013 there were changes in distributions of almost all meteorological parameters. The combination of these factors resulted in higher evapotranspiration values through the daily cycle, especially during the night time. Precipitation (P) positive anomalies tended to be associated with positive air surface temperature (AST) and SST anomalies and negative global radiation (GR) anomalies. Negative P anomalies tended to be associated with negative AST, SST and positive GR anomalies. Relative humidity (RH) negative anomalies tend to be associated with positive wind speed (WS) anomalies, and the WS effect is opposite for positive RH anomalies. During the cold Niño 3 condition of October 2007, negative P, AST, SST and RH anomalies were observed in concordance with positive WS and GR anomalies, in agreement with the conceptual model of climate system response at Isla del Coco to cold ENSO conditions.Estudios de la interacción atmósfera-océano en el Pacífico de Costa Rica son escasos. Para identificar los sistemas oceanográficos que pueden estar influyendo el clima cerca de la Isla del Coco (Corredor de Protección Marina del Pacífico Tropical del Este), realizamos seis expediciones científicas entre 2007 y 2012. Dos estaciones meteorológicas automáticas fueron instaladas cerca de las bahías de Chatham y Wafer durante las expediciones. Entre los datos se incluyeron registros del Instituto Meteorológico Nacional, el Proyecto de Climatología Global de Precipitación (GPCP por sus siglas en inglés) y la Reconstrucción Extendida de Temperatura Superficial del Mar (ERSST por sus siglas en inglés). El clima es típico del Pacífico Tropical del Este. Su estacionalidad está impulsada por la variabilidad en la precipitación asociada con la migración meridional de la Zona de Convergencia Intertropical. El ciclo anual de precipitación tiene dos picos en mayo y julio, un mínimo relativo entre ellos en junio, y un mínimo absoluto en febrero. La mayoría de la precipitación se registra de abril a noviembre. La mayoría de los eventos tienen corta duración y baja intensidad. Una tendencia en temperatura superficial del mar (TSM) fue observada de enero 1854 a diciembre 2013, coherente con las observaciones de calentamiento en la región. De 1998 a 2013 hubo cambios en las distribuciones de casi todos los parámetros meteorológicos. La combinación de estos factores resultó en tasas más altas de evapotranspiración a través del ciclo diario, especialmente durante la noche. Anomalías positivas de precipitación (P) tienden a ser asociados con anomalías positivas de temperatura superficial del aire (TSA) y de TSM, y con anomalías negativas de radiación global (RG). Anomalías negativas de P tienden a ser asociadas con anomalías negativas de TSA, TSM y anomalías positivas de RG. Anomalías negativas de humedad relativa (HR) tienden a ser asociadas con anomalías positivas de velocidad del viento (VV), y el efecto de la VV es opuesto para anomalías positivas de HR. Durante la condición fría de Niño 3 de octubre del 2007, anomalías negativas de P, TSA, TSM y HR fueron observadas en concordancia con anomalías positivas de VV y RG, de acuerdo con el modelo conceptual de la respuesta del sistema climático en la Isla del Coco ante condiciones frías de ENOS

Spatio-temporal Downscaling Emulator for Regional Climate Models: a Comparative Study

Regional Climate Models (RCM) describe the meso scale global atmospheric and oceanic dynamics and serve as dynamical downscaling models. In other words, RCMs use atmospheric and oceanic climate output from General Circulation Models (GCM) to develop a higher resolution climate output. They are computationally demanding and, depending on the application, require several orders of magnitude of computer time more than statistical climate downscaling. In this paper we describe how to use a spatio-temporal statistical model with varying coefficients (VC), as a downscaling emulator for a RCM using varying coefficients. In order to estimate the proposed model, two options are compared: INLA, and varycoef. We set up a simulation to compare the performance of both methods for building a statistical downscaling emulator for RCM, and then show that the emulator works properly for NARCCAP data. The results show that the model is able to estimate non-stationary marginal effects, which means that the downscaling output can vary over space. Furthermore, the model has flexibility to estimate the mean of any variable in space and time, and has good prediction results. INLA was the fastest method for all the cases, and the approximation with best accuracy to estimate the different parameters from the model and the posterior distribution of the response variable

Spatial and temporal dynamics of the hydrology at Salinas Bay, Costa Rica, Eastern Tropical Pacific.

Introduction: Salinas Bay is located in the warm pool of the Eastern Tropical Pacific (ETP), characterized by warm, shallow surface waters, a strong and shallow thermocline, and an important biological diversity. The primary productivity of the region is influenced by the coastal upwelling, which occurs during the boreal winter as a result of the strengthening of trade winds. Objective: To study the spatial and temporal dynamics of physical and chemical parameters at seven hydrographic stations in Salinas Bay, Costa Rica, through the analysis of CTD data, and relate the warm and cold events to the regional atmospheric conditions present when measuring the data. Methods: Seven hydrographic stations, sampled at Salinas Bay between August 2008 and December 2014, were selected. The variables processed for analysis are temperature, density, salinity, oxygen, chl-a and turbidity. Once the data was processed, 42 Hovmöller kind diagrams were plotted. Results: All variables, except turbidity, presented a seasonal periodicity associated with the upwelling. In general, colder and denser waters, higher salinity and chl-a concentrations and lower dissolved oxygen values were observed during the dry season, when the upwelling was active. Whereas, during the rainy season water masses were warmer and less dense, salinity and chl-a concentrations decreased and dissolved oxygen values tended to increase. Conclusions: The spatial and temporal dynamics of the hydrology in Salinas Bay was influenced by the coastal upwelling events. The region also presented an interannual variability associated with ENSO. Seasonal and interannual variability can counteract their effects on the oceanographic parameters when they coincide temporally.Universidad de Costa Rica/[808-A5-037]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[805-B8-766]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[805-B9-454]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[EC-497]/UCR/Costa RicaUniversidad de Costa Rica/[805-C0-610]/UCR/Costa RicaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro de Investigaciones Geofísicas (CIGEFI)UCR::Vicerrectoría de Docencia::Ciencias Básicas::Facultad de Ciencias::Escuela de FísicaUCR::Vicerrectoría de Docencia::Ciencias Básicas::Facultad de Ciencias::Escuela de BiologíaUCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Básicas::Centro de Investigación en Ciencias del Mar y Limnología (CIMAR