Abstract
Condições superiores dos oceanos no Mar das Caraíbas são estudadas para uma variabilidade a longo prazo e tendências usando observações de superfície filtradas e campos de reanálise de modelos oceânicos. É feita uma análise de componentes principais, e são extraídas as tendências no modo principal. A temperatura da superfície do mar mostra uma tendência ascendente acelerada enquanto a pressão do ar apresenta flutuações quasidecadal. A altura da superfície do mar e a temperatura sub-superficial sobem linearmente enquanto a salinidade sub-superficial exibe camadas superiores mais frescas e camadas inferiores mais salinas. A amplitude de aquecimento é mais elevada no sul das Caraíbas a leste de 75°W perto de 150 m e mais baixa perto da superfície, indicando pouco papel para um processo top-down como a troca ar-marítima. A camada de superfície refrescante não parece estar ligada à descarga fluvial ou precipitação regional, pelo que as mudanças no avanço e nas fontes oceânicas são os factores prováveis. As correntes de oeste exibem uma redução do fluxo de passagem e um influxo da passagem de barlavento. A Corrente das Caraíbas abrandou ~0,06 m/s na era da reanálise. Os rendimentos das culturas mostram pouca sensibilidade às condições oceânicas, mas tendem a acompanhar a precipitação. A captura marinha per capita nas Caraíbas segue correntes subterrâneas e movimentos verticais, mas é menos afectada pela temperatura e salinidade.
1. Introdução
A acumulação de gases com efeito de estufa e consequente absorção de radiação resultou num aquecimento atmosférico que é mais rápido nas Caraíbas do que em qualquer outra parte dos trópicos. Isto está relacionado com uma aceleração local da célula de Hadley e plumas de gás que derivam de África para oeste, produzindo uma tendência de secagem que se prevê que continue no século XXI. A forma como o oceano subterrâneo contribui para o aquecimento global tem sido recentemente explorada utilizando perfis de temperatura observados e projecções de modelos oceânicos . Através das Antilhas centrais, a taxa de aquecimento no topo da camada limite atmosférica é o triplo da superfície do oceano, pelo que os fluxos de calor sensíveis estão a diminuir. Isto tem implicações para a energia termodinâmica disponível para os sistemas climáticos tropicais da região e para o avanço de calor, humidade e impulso para fora da região.
O Mar das Caraíbas é delimitado a sul e oeste pela América do Sul e Central, e margeado a leste e norte pela cadeia das ilhas Antilhas (8°N-25°N, 85°W-55°W) e pelo Oceano Atlântico. Ventos persistentes de comércio subtropical, sol durante todo o ano, e trocas consistentes de água resultam em pouca variação sazonal. A camada superficial quente é >100 m de profundidade e a camada superior de 1200 m é estratificada. A maior parte da água do Atlântico infiltra-se no Mar das Caraíbas através das passagens de Granada, São Vicente e Santa Lúcia, no sudeste, proveniente da Corrente Norte do Brasil, que transporta água doce do Rio Orinoco. A partir daí, a Corrente das Caraíbas corre para oeste a ~0,5 m/s nas latitudes 13-16°N . Vira para noroeste entre a Nicarágua e a Jamaica, com um ramo formando o Giro do Panamá no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio. As correntes para oeste saem através do Canal Yucatan e acabam por ser arrastadas para a Corrente do Golfo, que recebe contribuições da Corrente das Antilhas e das suas fontes atlânticas . Schmitz e Richardson e Johns et al. indicam que o Mar das Caraíbas é bem ventilado com ~28 Sv de fluxo tanto do Atlântico Norte como do Atlântico Sul . As águas do Atlântico Sul são mais frescas e mais oxigenadas do que as do Atlântico Norte com a mesma densidade, entram nas Caraíbas perto de Trinidad e Tobago. Enquanto a estrutura média das massas de água e correntes nas Caraíbas é bem conhecida e os processos subjacentes às flutuações anuais estão a ser descobertos, as tendências e influências a longo prazo são relativamente inexploradas.
Aqui, a variabilidade a longo prazo e as tendências no oceano superior através das Caraíbas são descritas em termos de padrão espacial e amplitude temporal. Alguns dos processos subjacentes às tendências e as suas consequências biofísicas são estudados. A questão-chave é como é que o sinal do aquecimento global se reflecte no Mar das Caraíbas? A hipótese é que a resposta é de cima para baixo (a maior tendência perto da superfície) e espacialmente homogénea.
2. Dados e Métodos
Tendências a longo prazo na superfície do oceano são caracterizadas por dados de navios e satélites reanalisados pela Administração Nacional dos Oceanos e Atmosfera (NOAA) para as temperaturas da superfície do mar (SST; ver ) e pelo Centro Nacional de Previsão Ambiental (NCEP) para o vento . A pressão ao nível do mar (SLP) deriva da reanálise de dados de navios pelo Hadley Center , e a prevalência de ciclones tropicais é de Emanuel . Os dados foram recolhidos do Climate Explorer http://climexp.knmi.nl/ e da Climate Library http://iridl.ldeo.columbia.edu/ websites durante o período desde 1854. Os dados de superfície são calculados em média sobre as Caraíbas (8°N-25°N, 85°W-55°W; ~6 106 km2), onde as observações são relativamente densas, excepto a norte do Panamá (Figura 1(a)). Este domínio corta o Golfo do México e o Estreito da Florida. Ao longo do tempo, os relatórios de temperatura da sub-superfície variam de perto de zero antes de 1880 a >20/1° célula/ano após 1925 (Figura 1(b)). Nos últimos anos, assistiu-se a uma subida acentuada com flutuações de perfil.
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(a) Densidade das observações de temperatura por célula da grelha com uma profundidade média de 1-300 m em 1958-2007 e nomes de lugares. (b) Séries temporais de observações de temperatura do mar em média sobre as Caraíbas. O ponto de partida para a análise da sub-superfície é a linha vertical. (c) Padrão espacial do padrão SLP mode-1 (1854-2007) como uma indicação de amplitude multidecadal. (d) Cospectra de Wavelet das Caraíbas SLP e SST (cf. Figuras 2(a) e 2(b)), com contornos de potência em intervalos 10, 25, 50, 75%, e cone de validade.
Condições oceânicas superiores são descritas, desde 1958, pelos campos de Assimilação Simples de Dados Oceânicos (SODA) versão 2.4 compreendendo altura da superfície do mar (SSH), temperatura (), salinidade (), correntes (), e movimento vertical () a 50 km de resolução horizontal e ~50 m de resolução vertical. O stress do vento de superfície (,) deriva das Previsões Meteorológicas de Médio Prazo da Comunidade Europeia (ECMWF; ver ). Os campos oceânicos baseiam-se num modelo numérico de assimilação de dados in situ e de sensoriamento remoto, e incluem dados hidrográficos da estação costeira e do navio; temperatura da superfície do satélite, altura altimétrica, e ventos; flutuadores oceânicos à deriva e flutuadores de perfil, ingeridos pelo Sistema Global de Assimilação de Dados Oceânicos e os seus predecessores. Embora as Caraíbas tenham uma cobertura razoável para elementos de superfície e perfis oceânicos na era da reanálise (Figura 1(b)), é útil minimizar erros contribuídos por observações irregulares através de agregação espacial e temporal, como delineado abaixo.
Para definir o padrão e a tendência no oceano superior, os autovectores dentro de uma matriz de covariância são calculados através da Biblioteca Climática do IRI para cada variável: SSH, ,,,,, , a partir de médias anuais por célula da grelha e profundidade no período 1958-2007. A componente principal principal principal (mode-1) que representa a variabilidade dominante é analisada como mapas (8°N-25°N, 85°W-55°W) utilizando médias de profundidade: 1-100 m para e , e 1-200 m para , , ,. Este método é repetido para secções de profundidade E-W (85°W-55°W, 1-350 m, com média superior a 8°N-25°N) e secções de profundidade N-S (8°N-25°N, 1-350 m, com média superior a 85°W-55°W). Desta forma, numerosas observações de perfil são desmoronadas em cada análise.
Análise da componente principal (PC) é utilizada como uma forma de agrupar e deduzir a variabilidade a longo prazo da preocupação aqui. A tabela 1 intercompila a variância explicada pelo primeiro e segundo modos. O modo principal contendo a tendência, representa cerca de metade da variância em todos os campos excepto as correntes oceânicas – onde as observações são potencialmente menos fiáveis. As tendências foram encontradas como sendo insignificantes nos modos secundários. Para isolar o sinal de tendência e estabelecer a taxa de variação, a inclinação do modo – 1 PC time score é mapeada por célula da grelha. Para determinar a sua importância relativa, o ajuste da regressão da tendência é calculado após a padronização e suavização com uma média de 5 anos de funcionamento. O significado estatístico é avaliado através do teste produto-momento Pearson com 10 graus de liberdade para os dados sub-superficiais (com 95% de confiança) e 25 graus de liberdade para os registos de superfície mais longos . A comparação de registos a longo prazo de estação única está limitada ao SSH de Porto Rico (1966+) e à descarga do rio Orinoco a 8°N, 63°W (1923+) e ao seu escoamento da bacia hidrográfica a partir de uma reanálise hidrológica .
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| 1 | 48 | 60 | 37 | 12 | 14 | 11 | 45 | 42 |
| 2 | 11 | 7 | 11 | 9 | 6 | 5 | 17 | 20 |
A procura de tendências a longo prazo tem certas armadilhas. Acredita-se que as tendências do conteúdo térmico superior do oceano tenham acelerado desde a década de 1970, e o registo da sub-superfície pode reflectir este sinal. Mas a densidade observacional muda com os dados de satélite assimilados após 1979. Além disso, as séries temporais contêm oscilações multidecadal que se espalham para as Caraíbas a partir de latitudes mais elevadas (cf. padrão SLP mode-1 Figura 1(c); ). Usando a técnica de co-variação wavelet de Torrence e Compo , verifica-se que o SLP das Caraíbas e o SST partilham energia espectral cerca de 16 anos na era da reanálise (Figura 1(d)). Assim, é útil distinguir a tendência da variabilidade na análise. Em última análise, os resultados aqui devem ser considerados “melhores estimativas” com a incerteza contribuída por erros de amostragem de instrumentos e a interpolação de observações irregulares para modelar células de grelha.
As relações biofísicas são analisadas por comparação das pontuações superiores dos PC oceânicos com capturas marinhas anuais (incluindo todas as espécies, ~75% de peixes) para o Mar das Caraíbas, excluindo as águas da América Central e do Norte, obtidas a partir do website http://www.fao.org/fishery/ na era da reanálise. Existem problemas conhecidos de comunicação associados à exploração comercial dos recursos marinhos; poucos países têm dados históricos de capturas de qualidade controlada. Para os recursos terrestres, os rendimentos anuais das culturas por área (plantada) como um agregado para todos os países das Caraíbas (excluindo a América Central e do Norte) foram obtidos de http://faostat.fao.org/ na era da reanálise. Os resultados agrícolas apresentam uma etapa em 1985, pelo que as partidas foram calculadas a partir de meios separados. A sensibilidade da produção agrícola (para abacate, coco, citrinos, manga, especiarias e cana de açúcar) foi testada por comparação com as pontuações superiores dos PC oceânicos e com as médias de precipitação da área das Caraíbas do Projecto Global de Climatologia de Precipitação. A variabilidade dos recursos pode surgir de efeitos ambientais ou de influências humanas, tais como alterações no esforço ou nos relatórios. Com isto em mente, a captura marinha foi dividida pela população das Caraíbas. Espera-se que as capturas marinhas per capita e as séries temporais de rendimento das culturas se integrem e atrasem o clima, pelo que as correlações cruzadas foram calculadas com base em índices anuais de recursos com um atraso de 1 ano.
3. Resultados
3.1. Tendências da superfície
As séries temporais históricas da superfície das Caraíbas são apresentadas na Figura 2. As SST exibem oscilações quase-decadal e um período fresco no início do século XX. Há uma tendência positiva de segunda ordem com um ajuste de 40% sugerindo uma aceleração do aquecimento nos últimos anos. Os ciclones tropicais nas Caraíbas oscilam com SST mas exibem pouca tendência. Há uma diferença crescente (Figura 2(a)) induzida pelo declínio dos fluxos de calor sensíveis (> SST). O SLP está inversamente relacionado com SST (), com energia espectral partilhada nas bandas ~30 e ~60 anos antes de 1960 (cf. Figura 1(d)). O SLP apresenta uma fraca tendência decrescente e um ciclo de 16 anos desde 1960 (Figura 2(b)). Para o vento de superfície, a reanálise começa depois de 1900. O vento zonal tem pouca tendência ao longo do século XX, enquanto o vento meridional apresenta uma tendência positiva de 17% de ajuste (Figuras 2(c) e 2(d)).
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Área das Caraíbasa-séries temporais alisadas de 5 anos em média para (a) SST e ciclones tropicais, (b) SLP, (c) vento, e (d) vento. São dadas tendências e ajuste; unidades dadas no -eixo.
O padrão de carga mode-1 para reanálise da altura da superfície do mar (SSH; Figura 3(a)) é positivo em todo o lado com valores mais altos ao largo da Venezuela e à volta de Cuba, e valores mais baixos ao longo do giro das Antilhas centrais e Panamá. A subida mais rápida nas proximidades de Key West/Havana está relacionada com o subsidio de terrenos. A pontuação do tempo SSH tem uma tendência linear ascendente com 72% de ajuste (Figura 3(c)). Os dados da estação para Porto Rico indicam um aumento mais lento da SSH do que a média regional. O “vector de mudança” (de , tendências) da tensão do vento é para leste nas Caraíbas centrais. A sul de Cuba e a leste de Trinidad e Tobago, os ventos alísios comerciais fortaleceram-se. A tendência para é de segunda ordem com 68% de ajuste (Figura 3(d)).
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3.2. Mapas subsuperficiais
Mapas de tendências para , , correntes, e são apresentados na Figura 4. Tem havido um aquecimento generalizado da camada de termoclina das Caraíbas, como esperado. O declive ascendente é maior ao largo da Venezuela (Figura 4(a)), associado à diminuição do comércio e do afloramento nas últimas décadas. A salinidade na termoclina diminuiu particularmente na corrente das Caraíbas 13°-17°N, a leste de 75°W (Figura 4(b)). A língua fresca sugere um afluxo de águas do Atlântico Sul. As correntes tendem a circular em torno da Jamaica a partir da Passagem de Barlavento e ligam-se com as tendências a leste na Corrente das Caraíbas (Figura 4(c)). A tendência de movimento vertical é ascendente em torno da Hispanola/Puerto Rico e afunda-se no sul da Colômbia e Venezuela (Figura 4(d)).
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Roemmich descobriu que as águas superficiais e termoclinas que deixam as Caraíbas através do Yucatan são compostas por 17 Sv do SE Caraíbas e 6 Sv da Passagem de Barlavento. O que se vê aqui nas tendências é uma redução do afluxo do SE das Caraíbas e um aumento da Passagem de Barlavento. Há uma tendência de redução do fluxo para o Yucatan. e as tendências lineares atingem 65% e 78% encaixam, respectivamente (Figura 4(e)). Como a salinidade nas Caraíbas do SE é afectada pela pluma Orinoco, a sua descarga é considerada (Figura 4(f)). A tendência de entrada do rio sobre o registo histórico é fraca, e a precipitação regional está a diminuir, pelo que as mudanças no avanço da corrente oceânica estão subjacentes ao refrescamento, e não aos fluxos locais ar-marinhos.
3,3. Secções de profundidade
A tendência da temperatura na secção de profundidade N-S (Figura 5(a)) apresenta um máximo de 11°-16°N a 100-200 m de profundidade. A amplitude de aquecimento é mais fraca à superfície e no sul abaixo dos 300 m. A secção da profundidade de salinidade (Figura 5(b)) apresenta uma carga negativa (positiva) acima (abaixo) ~150 m, daí que a haloclina se tenha enfraquecido. Esta interface inclina-se para norte com maior frescura de 12°-17°N acima de 50 m. A secção de profundidade N-S para correntes zonais é dada na Figura 5(c). As bandas alternadas são evidentes; a tendência máxima para leste é próxima dos 15°N na Corrente das Caraíbas. A taxa de variação para as correntes expressas como vectores nas secções de profundidade é de sudeste. Para a secção N-S da corrente (Figura 5(d)) as tendências são maiores de 18-23°N acima de 300 m reflectindo o influxo da Corrente das Antilhas. As componentes verticais são largamente ascendentes (descendentes) a norte (sul) de 15°N, reflectindo uma tendência para movimentos ascendentes (afundamento) nas Antilhas centrais (ao largo da América do Sul). O afluxo mais fraco nas Caraíbas do Sul está relacionado com um enfraquecimento dos ventos alísios desde 1990 (cf. Figura 3(b)). A tendência actual é geralmente para Leste sobre a Ascensão da Nicarágua e nas Caraíbas centrais 75°-60°W acima dos 200 m (Figura 5(e)). As tendências e as flutuações lentas da circulação da termoclina das Caraíbas parecem moduladas pelo influxo de passagens de Granada () e Barlavento (). A série temporal para as correntes tem uma tendência positiva de segunda ordem com 94% de ajuste (Figura 5(f)). As oscilações multidecadal parecem influenciar a circulação (tendências de segunda ordem) mais do que as propriedades termodinâmicas (lineares) na era da reanálise.
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3.4. Recursos
A captura marinha per capita é relativamente estacionária nos anos 60 (Figura 6(a)) e aumenta nos anos 80 à medida que os ciclones tropicais diminuem (cf. Figura 2(a)). Posteriormente, as capturas esgotam-se, com uma tendência negativa de segunda ordem de 59%. O crescimento da população segue tendências globais, duplicando na era da reanálise e colocando os recursos em stress. O rendimento das culturas das Caraíbas seguiu a precipitação até recentemente; nota-se uma fraca tendência de secagem (Figura 6(b)). O rendimento das culturas é menos sensível às condições oceânicas superiores; as correlações cruzadas a 1 ano de atraso são geralmente negativas com rendimentos decrescentes e moderadas em relação às correntes oceânicas (cf. Quadro 2).
| Trend | 85 | 83 | 81 | 83 | 81 | -26 | -19 | |
| Peixe | 26 | 28 | 27 | 11 | 16 | 15 | -6 | 38 |
| Culturas | -16 | -27 | -37 | -39 | -39 | -10 | 7 | |
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(a) Captura marinha per capita e crescimento populacional das Caraíbas. (b) O rendimento agrícola das Caraíbas atrasado por 1-ano e chuvas suavizadas com tendência.
Table 2 resume a pontuação PC mode-1 com correlações cruzadas com tendência linear. Para cima, são vistos valores significativos para todas as variáveis excepto a tensão do vento. Assim, os sinais de aquecimento global (e dS/dz reduzido) emergem da análise. As correlações cruzadas entre as pontuações PC ambientais e as capturas de peixes marinhos com atraso de 1 ano são também resumidas no Quadro 2. Surpreendentemente, os valores são insignificantes, sugerindo que os padrões de advecção e propriedades termodinâmicas podem ser menos importantes do que os factores que afectam o esforço de captura e a eficiência (por exemplo, frequência de tempestades, estado do mar). A correlação moderada com sugere que o aumento da captura segue os ventos de norte originários da zona de afloramento da Venezuela.
4. Resumo
As condições no Mar das Caraíbas foram estudadas para tendências a longo prazo no período de observações históricas de superfície utilizando médias de área e em campos sub-superficiais utilizando análise de componentes principais e extracção de tendências. A cobertura contínua de dados começou na década de 1850 para SLP e SST, na década de 1900 para ventos, e no final da década de 1950 para modelos reanalisados de altura e sub-superfície do mar, correntes e movimento vertical. Foram utilizadas metodologias de agregação de dados para reduzir a variabilidade no tempo, espaço e profundidade, deixando a tendência a longo prazo que foi analisada por regressão à primeira ou segunda ordem. O SST reflectiu uma tendência ascendente acelerada enquanto o SLP exibia flutuações quase decadenciais. O SSH e sub-superfície subiram linearmente a taxas quase globais, enquanto a sub-superfície exibia camadas superiores mais frescas e camadas inferiores mais salinas. A amplitude do aquecimento foi espacialmente homogénea mas fraca nos 100 m superiores, pelo que a hipótese de cima para baixo relacionada com a troca ar-mar não foi suportada. Em média nas Caraíbas, as temperaturas subiram a um ritmo duas vezes superior (.015 C/ano) a 150 m do que nas outras camadas. Verificou-se que as tendências da altura da superfície do mar foram mais elevadas (+,0014 m/ano) a 14° e 23°N e mais baixas (+,0008 m/ano) a 10° e 18°N. O refrescamento da camada de superfície não estava relacionado com a precipitação regional ou descarga fluvial, sugerindo alterações no avanço e nas fontes oceânicas. A salinidade diminuiu mais rapidamente (-.004 ppt/ano) perto dos 30 m. Os rendimentos das culturas foram insensíveis às condições oceânicas, e seguiram a precipitação como esperado. As capturas marinhas per capita nas Caraíbas não estavam relacionadas com e , e seguiram-se ventos fortes de norte que espalharam a produtividade.