Abstract
Le condizioni dell’oceano superiore nel Mar dei Caraibi sono studiate per la variabilità e le tendenze a lungo termine utilizzando osservazioni di superficie filtrate e campi di rianalisi di modelli oceanici. Viene fatta un’analisi delle componenti principali e vengono estratte le tendenze nella modalità principale. La temperatura della superficie del mare mostra una tendenza all’aumento accelerato mentre la pressione dell’aria mostra fluttuazioni quasidecadali. L’altezza della superficie del mare e la temperatura del sottosuolo aumentano linearmente, mentre la salinità del sottosuolo mostra strati superiori più freschi e strati inferiori più salati. L’ampiezza del riscaldamento è più alta nei Caraibi meridionali a est di 75°W vicino ai 150 m e più bassa vicino alla superficie, indicando uno scarso ruolo per un processo top-down come lo scambio aria-mare. Lo strato superficiale che si rinfresca non sembra collegato allo scarico dei fiumi o alle precipitazioni regionali, quindi i cambiamenti nell’avvezione oceanica e le fonti sono i probabili motori. Le correnti verso ovest mostrano una riduzione del flusso e un afflusso dal Windward Passage. La corrente caraibica ha rallentato di ~0,06 m/s nell’era della rianalisi. I raccolti mostrano poca sensibilità alle condizioni dell’oceano, ma tendono a seguire le precipitazioni. Il pescato marino pro capite nei Caraibi segue le correnti subsuperficiali e il movimento verticale ma è meno influenzato dalla temperatura e dalla salinità.
1. Introduzione
L’accumulo di gas serra e il conseguente assorbimento di radiazioni ha provocato un riscaldamento atmosferico che è più veloce nei Caraibi che altrove nei tropici. Questo è legato a un’accelerazione locale della cella di Hadley e dei pennacchi di gas che vanno alla deriva verso ovest dall’Africa, producendo una tendenza all’essiccazione che si prevede continuerà nel 21° secolo. Il modo in cui l’oceano sub-superficiale contribuisce al riscaldamento globale è stato recentemente esplorato utilizzando i profili di temperatura osservati e le proiezioni dei modelli oceanici. Attraverso le Antille centrali, il tasso di riscaldamento nella parte superiore dello strato limite atmosferico è il triplo della superficie dell’oceano, quindi i flussi di calore sensibile sono in calo. Questo ha implicazioni per l’energia termodinamica disponibile per i sistemi meteorologici tropicali all’interno della regione e per l’avvezione di calore, umidità e quantità di moto fuori dalla regione.
Il Mar dei Caraibi è delimitato a sud e a ovest dal Sud e dall’America Centrale, e delimitato a est e a nord dalla catena delle Isole Antille (8°N-25°N, 85°W-55°W) e dall’Oceano Atlantico. Gli alisei subtropicali persistenti, il sole tutto l’anno e gli scambi d’acqua costanti comportano poche variazioni stagionali. Lo strato caldo superficiale è > profondo 100 m e i 1200 m superiori sono stratificati. La maggior parte dell’acqua atlantica si infiltra nel Mar dei Caraibi attraverso i passaggi di Grenada, St. Vincent e St. Lucia a sud-est, provenienti dai meandri della Corrente del Brasile del Nord che porta acqua dolce dal fiume Orinoco. Da lì, la corrente caraibica scorre verso ovest a ~0,5 m/s alle latitudini 13-16°N . Gira a nord-ovest tra il Nicaragua e la Giamaica, con un ramo che forma il Panama Gyre in senso antiorario. Le correnti verso ovest escono attraverso il Canale dello Yucatan per essere infine attirate nella Corrente del Golfo, che riceve contributi dalla Corrente delle Antille e dalle sue fonti atlantiche. Schmitz e Richardson e Johns et al. indicano che il Mar dei Caraibi è ben ventilato con ~ 28 Sv di flusso di transito sia dal Nord che dal Sud Atlantico. Le acque del Sud Atlantico sono più fresche e più ossigenate delle acque del Nord Atlantico della stessa densità, entrano nei Caraibi vicino a Trinidad. Mentre la struttura media delle masse d’acqua e delle correnti nei Caraibi è ben nota e i processi alla base delle fluttuazioni da un anno all’altro vengono scoperti, le tendenze e le influenze a lungo termine sono relativamente inesplorate.
Qui, la variabilità e le tendenze a lungo termine nell’oceano superiore attraverso i Caraibi sono descritte in termini di modello spaziale e ampiezza temporale. Vengono studiati alcuni dei processi sottostanti le tendenze e le loro conseguenze biofisiche. La domanda chiave è: come si riflette il segnale di riscaldamento globale nel Mar dei Caraibi? L’ipotesi è che la risposta sia top-down (maggiore tendenza vicino alla superficie) e spazialmente omogenea.
2. Dati e metodi
Le tendenze a lungo termine alla superficie dell’oceano sono caratterizzate da dati navali e satellitari rianalizzati dalla National Ocean and Atmosphere Administration (NOAA) per le temperature della superficie del mare (SST; vedi ) e dal National Center for Environmental Prediction (NCEP) per il vento. La pressione a livello del mare (SLP) deriva dalla rianalisi dei dati delle navi da parte del Centro Hadley , e la prevalenza dei cicloni tropicali è da Emanuel . I dati sono stati raccolti dai siti web Climate Explorer http://climexp.knmi.nl/ e Climate Library http://iridl.ldeo.columbia.edu/ nel periodo dal 1854. I dati di superficie sono mediati sui Caraibi (8°N-25°N, 85°W-55°W; ~6 106 km2), dove le osservazioni sono relativamente dense, tranne a nord di Panama (Figura 1(a)). Questo dominio taglia il Golfo del Messico e lo Stretto della Florida. Nel corso del tempo, i rapporti delle navi sulla temperatura sub-superficiale variano da quasi zero prima del 1880 a >20/1° cella/anno dopo il 1925 (Figura 1(b)). Gli anni recenti hanno visto una forte ripresa con i galleggianti di profilazione.
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(a) Densità delle osservazioni di temperatura per cella di griglia con media 1-300 m di profondità nel periodo 1958-2007 e nomi di luogo. (b) Serie temporale delle osservazioni della temperatura del mare in media sui Caraibi. Il punto di partenza per l’analisi sub-superficiale è la linea verticale. (c) Modello spaziale del modello SLP mode-1 (1854-2007) come indicazione di ampiezza multidecadale. (d) Cospettri Wavelet di SLP e SST dei Caraibi (cfr. figure 2(a) e 2(b)), con potenza contornata a intervalli di 10, 25, 50, 75%, e cono di validità.
Le condizioni dell’oceano superiore sono descritte, dal 1958, dai campi Simple Ocean Data Assimilation (SODA) versione 2.4 che comprende l’altezza della superficie del mare (SSH), la temperatura (), la salinità (), le correnti (), e il movimento verticale () a 50 km di risoluzione orizzontale e ~ 50 m verticale. Lo stress del vento superficiale (,) è derivato dalle previsioni meteorologiche a medio raggio della Comunità Europea (ECMWF; vedi ). I campi oceanici sono basati su un modello numerico di assimilazione di dati in situ e rilevati in remoto, e includono stazioni costiere e dati idrografici delle navi; temperatura superficiale del satellite, altezza altimetrica e venti; derivazioni oceaniche e galleggianti di profilo, ingeriti dal Global Ocean Data Assimilation System e dai suoi predecessori. Anche se i Caraibi hanno una copertura ragionevole per gli elementi di superficie e i profili oceanici nell’era delle rianalisi (Figura 1(b)), è utile ridurre al minimo gli errori dovuti a osservazioni non uniformi attraverso l’aggregazione spaziale e temporale come indicato di seguito.
Per definire il modello e la tendenza nell’oceano superiore, gli autovettori all’interno di una matrice di covarianza sono calcolati tramite l’IRI Climate Library per ogni variabile: SSH, ,,,,, ,, dalle medie annuali per cella di griglia e profondità nel periodo 1958-2007. La componente principale principale (mode-1) che rappresenta la variabilità dominante è analizzata come mappe (8°N-25°N, 85°W-55°W) utilizzando le medie di profondità: 1-100 m per e , e 1-200 m per , ,. Questo metodo viene ripetuto per le sezioni di profondità E-W (85°W-55°W, 1-350 m, media su 8°N-25°N) e N-S (8°N-25°N, 1-350 m, media su 85°W-55°W). In questo modo, numerose osservazioni di profilo sono state raggruppate in ogni analisi.
L’analisi delle componenti principali (PC) è impiegata come un modo per raggruppare e dedurre la variabilità a lungo termine che qui interessa. La tabella 1 intercompara la varianza spiegata dalla prima e dalla seconda modalità. La modalità principale, che contiene la tendenza, rappresenta circa la metà della varianza in tutti i campi, tranne che per le correnti oceaniche, dove le osservazioni sono potenzialmente meno affidabili. Le tendenze sono risultate insignificanti nelle modalità secondarie. Per isolare il segnale di tendenza e stabilire il tasso di cambiamento, la pendenza del punteggio temporale del PC mode-1 è mappata per cella della griglia. Per determinare la sua importanza relativa, l’adattamento della regressione di tendenza è calcolato dopo la standardizzazione e l’attenuazione con una media corrente di 5 anni. La significatività statistica è valutata tramite il test Pearson prodotto-momento con 10 gradi di libertà per i dati sub-superficiali (al 95% di confidenza) e 25 gradi di libertà per i record di superficie più lunghi. Il confronto dei record a lungo termine di una singola stazione è limitato a SSH da Puerto Rico (1966+) e la portata del fiume Orinoco a 8°N, 63°W (1923+) e il suo deflusso di bacino dalla rianalisi idrologica.
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La ricerca di tendenze a lungo termine presenta alcune insidie. Si ritiene che le tendenze nel contenuto di calore dell’oceano superiore abbiano accelerato dagli anni ’70, e il record sub-superficiale può riflettere questo segnale. Ma la densità osservativa cambia con i dati satellitari assimilati dopo il 1979. Inoltre, le serie temporali contengono oscillazioni multidecadali che si diffondono verso i Caraibi dalle alte latitudini (cfr. SLP mode-1 pattern Figura 1(c); ). Utilizzando la tecnica di covarianza wavelet di Torrence e Compo , si vede che la SLP caraibica e la SST condividono energia spettrale intorno ai 16 anni nell’era della rianalisi (Figura 1(d)). Quindi, è utile distinguere la tendenza dalla variabilità nell’analisi. In definitiva, i risultati qui dovrebbero essere considerati come “migliori stime” con l’incertezza contribuita da errori di campionamento degli strumenti e l’interpolazione di osservazioni irregolari alle celle della griglia del modello.
Le relazioni biofisiche sono analizzate confrontando i punteggi PC dell’oceano superiore con le catture marine annuali (comprese tutte le specie, ~75% pesci) per il Mar dei Caraibi, escluse le acque centrali e nordamericane, ottenute dal sito http://www.fao.org/fishery/ nell’era delle rianalisi. Ci sono noti problemi di segnalazione associati allo sfruttamento commerciale delle risorse marine; pochi paesi hanno dati storici di cattura di qualità controllata. Per le risorse terrestri, i rendimenti annuali delle colture per area (piantata) come aggregato per tutti i paesi dei Caraibi (esclusi il Centro e il Nord America) sono stati ottenuti da http://faostat.fao.org/ nell’era della rianalisi. Le produzioni agricole mostrano un passo nel 1985, quindi le deviazioni sono state calcolate da mezzi separati. La sensibilità della resa delle colture (per avocado, cocco, agrumi, mango, spezie e canna da zucchero) è stata testata attraverso il confronto con i punteggi PC dell’oceano superiore e con le precipitazioni medie dell’area caraibica dal Global Precipitation Climatology Project. La variabilità delle risorse può derivare da effetti ambientali o da influenze umane come i cambiamenti nello sforzo di pesca o nei rapporti. Con questo in mente, la cattura marina è stata divisa per la popolazione dei Caraibi. Ci si aspetta che le serie temporali del pescato marino pro capite e del raccolto integrino e ritardino il clima, quindi le correlazioni incrociate sono state calcolate sugli indici annuali delle risorse con un ritardo di 1 anno.
3. Risultati
3.1. Tendenze superficiali
Le serie temporali storiche della superficie dell’area caraibica sono riportate nella figura 2. Le SST mostrano oscillazioni quasi decadali e un periodo freddo all’inizio del 20° secolo. C’è una tendenza positiva del secondo ordine con un adattamento del 40% che suggerisce un’accelerazione del riscaldamento negli ultimi anni. I cicloni tropicali nei Caraibi oscillano con la SST, ma mostrano un trend ridotto. C’è un divario crescente (Figura 2(a)) indotto dal calo dei flussi di calore sensibile (> SST). La SLP è inversamente correlata alla SST (), con energia spettrale condivisa nelle bande ~30 e ~60 anni prima del 1960 (cfr. Figura 1(d)). La SLP mostra una debole tendenza al ribasso e un ciclo di 16 anni dal 1960 (Figura 2(b)). Per il vento superficiale, la rianalisi inizia dopo il 1900. Il vento zonale ha poca tendenza nel corso del 20° secolo, mentre il vento meridiano mostra una tendenza positiva del 17% di adattamento (Figure 2(c) e 2(d)).
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Area caraibica-per l’area caraibica, serie temporali lisciate a 5 anni per (a) SST e cicloni tropicali, (b) SLP, (c) vento e (d) vento. Le tendenze e l’adattamento sono dati; le unità sono date sull’asse -.
Il modello di caricamento mode-1 per l’altezza della superficie del mare di rianalisi (SSH; Figura 3(a)) è positivo ovunque con valori più alti al largo del Venezuela e intorno a Cuba, e valori più bassi lungo le Antille centrali e il giro di Panama. L’aumento più veloce in prossimità di Key West/Havana è legato al cedimento della terra. Il punteggio temporale SSH ha una tendenza lineare verso l’alto con il 72% di adattamento (Figura 3(c)). I dati della stazione di Porto Rico indicano un aumento più lento di SSH rispetto alla media regionale. Il “vettore di cambiamento” dello stress del vento (da , tendenze) è verso est nei Caraibi centrali. A sud di Cuba e a est di Trinidad gli alisei di NE si sono rafforzati. La tendenza per è di secondo ordine con il 68% di adattamento (Figura 3(d)).
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Tasso di cambiamento per anno per (a) l’altezza della superficie del mare (m/anno) e (b) lo stress del vento (N m-2/anno). (c) Punteggi temporali SSH standardizzati smussati con il calibro di Porto Rico (triangolo in (a)) e tendenza. (d) Punteggi temporali standardizzati di stress da vento smussati e tendenza. -L’asse delle deviazioni standardizzate in (c) e (d).
3.2. Mappe del sottosuolo
Le mappe delle tendenze per , , correnti, e sono presentate nella Figura 4. C’è stato un diffuso riscaldamento dello strato termoclino dei Caraibi, come previsto. La pendenza verso l’alto di è maggiore al largo del Venezuela (Figura 4(a)) associata alla diminuzione dell’upwelling degli alisei negli ultimi decenni. La salinità nel termoclino è diminuita particolarmente nella corrente caraibica 13°-17°N, ad est di 75°W (Figura 4(b)). La lingua fresca suggerisce un afflusso di acque dell’Atlantico meridionale. Le correnti tendono a girare intorno alla Giamaica dal Passaggio Sopravento e si collegano con le tendenze verso est della Corrente Caraibica (Figura 4(c)). La tendenza del moto verticale è verso l’alto intorno a Hispanola/Puerto Rico e affonda a sud al largo della Colombia e del Venezuela (Figura 4(d)).
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Tasso di cambiamento per anno per (a) temperatura (°C/anno) e (b) salinità (ppt/anno) in media 1-100 m. Tasso di cambiamento per (c) correnti come vettori con chiave m/s, e (d) movimento verticale (m giorno-1/anno) in media 1-200 m. (e) e punteggi di tempo standardizzati e tendenze, (f) 5 anni smoothed Orinoco River gauge discharge (1923+) e tendenza, e run-off di bacino dalla rianalisi (Vic-mod).
Roemmich ha trovato che le acque superficiali e del termoclino che lasciano i Caraibi attraverso lo Yucatan sono composte da 17 Sv dai Caraibi SE e 6 Sv dal Passaggio Sopravento. Ciò che si vede nelle tendenze qui è una riduzione dell’afflusso dai Caraibi SE e un aumento dal Passaggio Sopravento. C’è una tendenza alla riduzione del flusso in uscita verso lo Yucatan e le tendenze lineari raggiungono il 65% e il 78% di adattamento, rispettivamente (Figura 4(e)). Poiché la salinità nei Caraibi SE è influenzata dal pennacchio dell’Orinoco, il suo deflusso è considerato (Figura 4(f)). La tendenza dell’input fluviale nel corso del record storico è debole, e le precipitazioni regionali sono in declino, quindi i cambiamenti nell’avvezione della corrente oceanica sono alla base della rinfrescata, non dei flussi locali aria-mare.
3.3. Sezioni di profondità
La tendenza della temperatura nella sezione di profondità N-S (Figura 5(a)) mostra un massimo da 11°-16°N a 100-200 m di profondità. L’ampiezza del riscaldamento è più debole in superficie e a sud sotto i 300 m. La sezione di profondità della salinità (Figura 5(b)) mostra un carico negativo (positivo) sopra (sotto) ~150 m, quindi l’aloclino si è indebolito. Questa interfaccia degrada verso nord con la massima rinfrescata da 12°-17°N sopra i 50 m. La sezione di profondità N-S per le correnti zonali è data nella Figura 5(c). Sono evidenti bande alternate; la massima tendenza verso est è vicino a 15°N nella corrente caraibica. Il tasso di cambiamento per le correnti espresse come vettori nelle sezioni di profondità è verso sud-est. Per la sezione N-S della corrente (Figura 5(d)) le tendenze sono maggiori da 18-23°N sopra i 300 m e riflettono l’afflusso della corrente delle Antille. Le componenti verticali sono in gran parte verso l’alto (verso il basso) a nord (a sud) di 15°N, riflettendo una tendenza verso moti ascendenti (affondanti) nelle Antille centrali (al largo del Sud America). Un upwelling più debole nei Caraibi meridionali è legato all’indebolimento degli alisei dal 1990 (cfr. Figura 3(b)). La tendenza attuale è generalmente verso est sul Nicaragua Rise e nei Caraibi centrali 75°-60°W sopra i 200 m (Figura 5(e)). Le tendenze e le lente fluttuazioni della circolazione del termoclino caraibico appaiono modulate dall’afflusso dai passaggi di Grenada () e Windward (). La serie temporale delle correnti ha una tendenza positiva del secondo ordine con un adattamento del 94% (Figura 5(f)). Le oscillazioni multidecadali sembrano influenzare la circolazione (tendenze del secondo ordine) più delle proprietà termodinamiche (lineari) nell’era della rianalisi.
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N-S sezioni del tasso di cambiamento per anno per (a) la temperatura, (b) salinità, (c) corrente zonale e (d) corrente meridiana e movimento verticale come vettori con chiave. (e) Sezione E-W del tasso di cambiamento per anno per la corrente zonale e il movimento verticale come vettori con chiave. (f) , , punteggi di tempo standardizzati levigati e tendenza. esagerato 102 in (d) e (e).
3.4. Risorse
La cattura marina pro capite è relativamente stazionaria negli anni ’60 (Figura 6(a)) e aumenta negli anni ’80 quando i cicloni tropicali diminuiscono (cfr. Figura 2(a)). In seguito, le catture si impoveriscono, con una tendenza negativa di secondo ordine del 59% in forma. La crescita della popolazione segue le tendenze globali, raddoppiando nell’era della rianalisi e stressando le risorse. La resa delle colture nei Caraibi ha seguito le precipitazioni fino a poco tempo fa; si nota una debole tendenza all’essiccazione (Figura 6(b)). La resa delle colture è meno sensibile alle condizioni dell’oceano superiore; le correlazioni incrociate a 1 anno di ritardo sono generalmente negative con rese in calo e moderate rispetto alle correnti oceaniche (cfr. tabella 2).
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(a) Cattura marina pro capite dei Caraibi e crescita della popolazione. (b) Rendimento del raccolto dei Caraibi ritardato di 1 anno e precipitazioni lisciate con tendenza.
Tabella 2 riassume le cross-correlazioni PC score mode-1 con tendenza lineare. Valori significativi verso l’alto sono visti per tutte le variabili tranne lo stress da vento. Così, i segnali di riscaldamento globale (e la riduzione di dS/dz) emergono dall’analisi. Le correlazioni incrociate tra i punteggi PC ambientali e le catture di pesce marino ritardate di 1 anno sono anche riassunte nella tabella 2. Sorprendentemente, i valori sono insignificanti, suggerendo che i modelli di avvezione e le proprietà termodinamiche possono essere meno importanti dei fattori che influenzano lo sforzo di cattura e l’efficienza (ad esempio, la frequenza delle tempeste, lo stato del mare). La moderata correlazione con suggerisce che l’aumento delle catture segue i venti verso nord provenienti dalla zona di upwelling del Venezuela.
4. Riassunto
Le condizioni nel Mar dei Caraibi sono state studiate per le tendenze a lungo termine nel periodo delle osservazioni storiche di superficie utilizzando le medie di area e nei campi sub-superficiali utilizzando l’analisi delle componenti principali e l’estrazione delle tendenze. La copertura continua dei dati è iniziata negli anni 1850 per SLP e SST, nel 1900 per i venti, e alla fine degli anni 1950 per l’altezza della superficie del mare rianalizzata da modelli e sottosuperficie, correnti e movimento verticale. Le metodologie di aggregazione dei dati sono state impiegate per ridurre la variabilità nel tempo, nello spazio e nella profondità, lasciando la tendenza a lungo termine che è stata analizzata mediante regressione al primo o al secondo ordine. La SST rifletteva una tendenza all’aumento accelerato, mentre la SLP mostrava fluttuazioni quasi decadali. SSH e sottosuolo sono aumentati linearmente a tassi quasi globali, mentre il sottosuolo ha mostrato strati superiori più freschi e strati inferiori più salati. L’ampiezza del riscaldamento era spazialmente omogenea ma debole nei 100 m superiori, quindi l’ipotesi top-down legata allo scambio aria-mare non era supportata. Nella media dei Caraibi, le temperature sono aumentate al doppio del tasso (.015 C/anno) a 150 m rispetto agli altri strati. Le tendenze dell’altezza della superficie del mare sono state trovate più alte (+.0014 m/anno) a 14° e 23°N e più basse (+.0008 m/anno) a 10° e 18°N. La rinfrescata dello strato superficiale non era correlata alle precipitazioni regionali o allo scarico dei fiumi, suggerendo cambiamenti nell’avvezione oceanica e nelle fonti. La salinità è diminuita più velocemente (-.004 ppt/anno) vicino ai 30 m. I raccolti sono stati insensibili alle condizioni oceaniche e hanno seguito le precipitazioni come previsto. Il pescato marino pro capite nei Caraibi non è stato correlato a e , e ha seguito l’aumento dei venti verso nord che hanno diffuso la produttività.