Resumen
Se estudian las condiciones del alto océano en el Mar Caribe en cuanto a la variabilidad y las tendencias a largo plazo utilizando observaciones superficiales filtradas y campos de reanálisis de modelos oceánicos. Se realiza un análisis de componentes principales y se extraen las tendencias del modo principal. La temperatura de la superficie del mar muestra una tendencia ascendente acelerada, mientras que la presión atmosférica presenta fluctuaciones cuasidecadales. La altura de la superficie del mar y la temperatura de la subsuperficie aumentan linealmente, mientras que la salinidad de la subsuperficie muestra capas superiores más frescas y capas inferiores más saladas. La amplitud del calentamiento es mayor en el Caribe meridional al este de los 75°O, cerca de los 150 m, y menor cerca de la superficie, lo que indica el escaso papel de un proceso descendente como el intercambio aire-mar. La capa superficial que se refresca no parece estar conectada a la descarga de los ríos o a las precipitaciones regionales, por lo que los cambios en la advección y las fuentes oceánicas son los probables impulsores. Las corrientes hacia el oeste muestran una reducción del flujo de paso y una afluencia desde el Paso de Barlovento. La corriente del Caribe ha disminuido ~0,06 m/s en la era del reanálisis. El rendimiento de los cultivos muestra poca sensibilidad a las condiciones oceánicas, pero tiende a seguir las precipitaciones. Las capturas marinas per cápita en el Caribe siguen las corrientes subsuperficiales y el movimiento vertical, pero se ven menos afectadas por la temperatura y la salinidad.
1. Introducción
La acumulación de gases de efecto invernadero y la consiguiente absorción de la radiación ha dado lugar a un calentamiento atmosférico más rápido en el Caribe que en el resto de los trópicos. Esto está relacionado con una aceleración local de la célula de Hadley y de los penachos de gas que se desplazan hacia el oeste desde África , produciendo una tendencia a la desecación que se prevé que continúe en el siglo XXI. Recientemente se ha estudiado la contribución del océano subsuperficial al calentamiento global mediante perfiles de temperatura observados y proyecciones de modelos oceánicos . En las Antillas centrales, el ritmo de calentamiento en la parte superior de la capa límite atmosférica triplica al de la superficie del océano, por lo que los flujos de calor sensible están disminuyendo. Esto tiene implicaciones para la energía termodinámica disponible para los sistemas meteorológicos tropicales dentro de la región y para la advección de calor, humedad y momento fuera de la región.
El Mar Caribe está limitado al sur y al oeste por América del Sur y Central, y bordeado al este y al norte por la cadena de Islas Antillas (8°N-25°N, 85°W-55°W) y el Océano Atlántico. Los persistentes vientos alisios subtropicales, la insolación durante todo el año y los constantes intercambios de agua dan lugar a escasas variaciones estacionales. La capa cálida de la superficie tiene >100 m de profundidad y los 1200 m superiores están estratificados. La mayor parte del agua del Atlántico se infiltra en el mar Caribe a través de los pasos de Granada, San Vicente y Santa Lucía, en el sureste, procedente de la serpenteante corriente del norte de Brasil, que lleva agua dulce del río Orinoco. Desde allí, la Corriente del Caribe fluye hacia el oeste a ~0,5 m/s en las latitudes 13-16°N . Gira hacia el noroeste entre Nicaragua y Jamaica, con una rama que forma el giro de Panamá en sentido contrario a las agujas del reloj . Las corrientes hacia el oeste salen a través del Canal de Yucatán para ser arrastradas finalmente a la Corriente del Golfo, que recibe contribuciones de la Corriente de las Antillas y de sus fuentes atlánticas . Schmitz y Richardson y Johns et al. indican que el Mar Caribe está bien ventilado con ~28 Sv de flujo de paso tanto del Atlántico Norte como del Sur . Las aguas del Atlántico Sur son más frescas y oxigenadas que las del Atlántico Norte de la misma densidad, y entran en el Caribe cerca de Trinidad. Aunque la estructura media de las masas de agua y las corrientes en el Caribe es bien conocida y se están descubriendo los procesos que subyacen a las fluctuaciones anuales, las tendencias e influencias a largo plazo están relativamente inexploradas.
Aquí se describen la variabilidad y las tendencias a largo plazo en la parte superior del océano en el Caribe en términos de patrón espacial y amplitud temporal. Se estudian algunos de los procesos subyacentes a las tendencias y sus consecuencias biofísicas. La pregunta clave es cómo se refleja la señal del calentamiento global en el Mar Caribe. La hipótesis es que la respuesta es descendente (mayor tendencia cerca de la superficie) y espacialmente homogénea.
2. Datos y métodos
Las tendencias a largo plazo en la superficie del océano se caracterizan por los datos de barcos y satélites reanalizados por la Administración Nacional del Océano y la Atmósfera (NOAA) para las temperaturas de la superficie del mar (SST; ver ) y por el Centro Nacional de Predicción Ambiental (NCEP) para el viento . La presión a nivel del mar (SLP) procede del reanálisis de datos de barcos realizado por el Hadley Center , y la prevalencia de ciclones tropicales procede de Emanuel . Los datos se obtuvieron de los sitios web Climate Explorer http://climexp.knmi.nl/ y Climate Library http://iridl.ldeo.columbia.edu/ durante el período que va desde 1854. Los datos de superficie se promedian en el Caribe (8°N-25°N, 85°W-55°W; ~6 106 km2), donde las observaciones son relativamente densas, excepto al norte de Panamá (Figura 1(a)). Este dominio corta el Golfo de México y el Estrecho de Florida. A lo largo del tiempo, los informes de los barcos sobre la temperatura subsuperficial varían desde casi cero antes de 1880 hasta >20/1° célula/año después de 1925 (Figura 1(b)). En los últimos años se ha producido un fuerte repunte con los flotadores de perfil.
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(a) Densidad de observaciones de temperatura por celda de cuadrícula con un promedio de 1-300 m de profundidad durante 1958-2007 y nombres de lugares. (b) Serie temporal de observaciones de la temperatura del mar promediada en el Caribe. El punto de partida del análisis subsuperficial es la línea vertical. (c) Patrón espacial del patrón SLP modo-1 (1854-2007) como indicación de la amplitud multidecadal. (d) Cospectra Wavelet de SLP y SST del Caribe (cf. Figuras 2(a) y 2(b)), con contornos de potencia a intervalos de 10, 25, 50, 75% y cono de validez.
Las condiciones de la parte superior del océano se describen, desde 1958, mediante los campos de Asimilación Simple de Datos Oceánicos (SODA) versión 2.4 que comprenden la altura de la superficie del mar (SSH), la temperatura (), la salinidad (), las corrientes () y el movimiento vertical () con una resolución horizontal de 50 km y vertical de ~50 m. La tensión del viento en superficie (,) se deriva de las previsiones meteorológicas de medio alcance de la Comunidad Europea (ECMWF; véase ). Los campos oceánicos se basan en la asimilación de modelos numéricos de datos in situ y de teledetección, e incluyen datos hidrográficos de estaciones costeras y de barcos; temperatura superficial, altura altimétrica y vientos por satélite; boyas de deriva oceánicas y flotadores de perfil, ingeridos por el Sistema Global de Asimilación de Datos Oceánicos y sus predecesores. Aunque el Caribe tiene una cobertura razonable para los elementos superficiales y los perfiles oceánicos en la era del reanálisis (Figura 1(b)), es útil minimizar los errores aportados por las observaciones desiguales mediante la agregación espacial y temporal, como se indica a continuación.
Para definir el patrón y la tendencia en el océano superior, se calculan los vectores propios dentro de una matriz de covarianza a través de la Biblioteca Climática del IRI para cada variable: SSH, ,,,,, ,, a partir de los promedios anuales por celda de cuadrícula y profundidad en el período 1958-2007. La componente principal principal (modo-1) que representa la variabilidad dominante se analiza en forma de mapas (8°N-25°N, 85°W-55°W) utilizando promedios de profundidad: 1-100 m para y , y 1-200 m para , ,. Este método se repite para las secciones de profundidad E-O (85°W-55°W, 1-350 m, promediadas sobre 8°N-25°N) y N-S (8°N-25°N, 1-350 m, promediadas sobre 85°W-55°W). De este modo, se han agrupado numerosas observaciones de perfiles en cada análisis.
El análisis de componentes principales (PC) se emplea como una forma de agrupar y deducir la variabilidad a largo plazo que nos ocupa. La Tabla 1 intercompara la varianza explicada por el primer y segundo modo. El modo principal, que contiene la tendencia, explica aproximadamente la mitad de la varianza en todos los campos, excepto en el de las corrientes oceánicas, donde las observaciones son potencialmente menos fiables. Las tendencias resultaron ser insignificantes en los modos secundarios. Para aislar la señal de la tendencia y establecer la tasa de cambio, la pendiente de la puntuación de tiempo del modo-1 PC se mapea por celda de la cuadrícula. Para determinar su importancia relativa, se calcula el ajuste de la regresión de la tendencia después de estandarizarla y suavizarla con una media de 5 años. La significación estadística se evalúa mediante la prueba del producto-momento de Pearson con 10 grados de libertad para los datos subsuperficiales (con un 95% de confianza) y 25 grados de libertad para los registros superficiales más largos. La comparación de los registros a largo plazo de una sola estación se limita a la SSH de Puerto Rico (1966+) y a la descarga del río Orinoco en 8°N, 63°W (1923+) y la escorrentía de su cuenca a partir del reanálisis hidrológico .
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La búsqueda de tendencias a largo plazo tiene ciertos escollos. Se cree que las tendencias en el contenido de calor de la parte superior del océano se han acelerado desde la década de 1970, y el registro de la subsuperficie puede reflejar esta señal. Pero la densidad de observación cambia con los datos de satélite asimilados después de 1979. Además, las series temporales contienen oscilaciones multidecadales que se extienden hacia el Caribe desde latitudes más altas (véase el patrón de modo-1 de SLP en la Figura 1(c); ). Utilizando la técnica de covarianza wavelet de Torrence y Compo , se observa que la SLP del Caribe y la TSM comparten energía espectral alrededor de 16 años en la era del reanálisis (Figura 1(d)). Por lo tanto, es útil distinguir la tendencia de la variabilidad en el análisis. En última instancia, los resultados aquí obtenidos deben considerarse como «mejores estimaciones» con la incertidumbre que aportan los errores de muestreo de los instrumentos y la interpolación de las observaciones desiguales a las celdas de la red del modelo.
Las relaciones biofísicas se analizan mediante la comparación de las puntuaciones de PC del océano superior con las capturas marinas anuales (incluyendo todas las especies, ~75% peces) para el Mar Caribe, excluyendo las aguas de América Central y del Norte, obtenidas del sitio web http://www.fao.org/fishery/ en la era del reanálisis. Se sabe que hay problemas de información asociados a la explotación comercial de los recursos marinos; pocos países tienen datos históricos de capturas de calidad controlada. Para los recursos terrestres, los rendimientos anuales de los cultivos por área (plantada) como un agregado para todos los países del Caribe (excluyendo América Central y del Norte) se obtuvieron de http://faostat.fao.org/ en la era del reanálisis. Los rendimientos agrícolas presentan un escalón en 1985, por lo que las desviaciones se calcularon a partir de medias separadas. La sensibilidad del rendimiento de los cultivos (para el aguacate, el coco, los cítricos, el mango, las especias y la caña de azúcar) se comprobó mediante la comparación con las puntuaciones de la PC de la parte superior del océano y con las precipitaciones promedio del área del Caribe del Proyecto de Climatología de Precipitación Global . La variabilidad de los recursos puede deberse a los efectos medioambientales o a las influencias humanas, como los cambios en el esfuerzo o los informes. Teniendo esto en cuenta, las capturas marinas se dividieron por la población del Caribe. Se espera que las series temporales de las capturas marinas per cápita y del rendimiento de los cultivos se integren y se retrasen con respecto al clima, por lo que se calcularon las correlaciones cruzadas de los índices anuales de recursos con un retraso de 1 año.
3. Resultados
3.1. Tendencias en superficie
Las series temporales históricas en superficie del área del Caribe se presentan en la Figura 2. La TSM muestra oscilaciones casi decenales y un período frío a principios del siglo XX. Existe una tendencia positiva de segundo orden con un ajuste del 40% que sugiere una aceleración del calentamiento en los últimos años. Los ciclones tropicales en el Caribe oscilan con la TSM pero muestran poca tendencia. Existe una brecha creciente (Figura 2(a)) inducida por la disminución de los flujos de calor sensible (> TSM). La SLP está inversamente relacionada con la TSM (), con una energía espectral compartida en las bandas de ~30 y ~60 años antes de 1960 (cf. Figura 1(d)). La SLP muestra una débil tendencia a la baja y un ciclo de 16 años desde 1960 (Figura 2(b)). Para el viento en superficie, el reanálisis comienza después de 1900. El viento zonal tiene poca tendencia a lo largo del siglo XX mientras que el viento meridional exhibe una tendencia positiva del 17% de ajuste (Figuras 2(c) y 2(d)).
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Área del Caribe-del Caribe con un promedio de 5 años de series temporales suavizadas para (a) TSM y ciclones tropicales, (b) SLP, (c) viento, y (d) viento. Se indican las tendencias y el ajuste; las unidades se indican en el eje -.
El patrón de carga de modo 1 para la altura superficial del mar (SSH; Figura 3(a)) del reanálisis es positivo en todas partes con valores más altos frente a Venezuela y alrededor de Cuba, y valores más bajos a lo largo de las Antillas centrales y el giro de Panamá. El aumento más rápido en las cercanías de Cayo Hueso/La Habana se relaciona con el hundimiento de la tierra. La puntuación temporal de la SSH tiene una tendencia lineal ascendente con un ajuste del 72% (Figura 3(c)). Los datos de las estaciones de Puerto Rico indican un aumento más lento de la SSH que la media regional. El «vector de cambio» de la tensión del viento (a partir de , tendencias) es hacia el este en el Caribe central. Al sur de Cuba y al este de Trinidad se han reforzado los vientos alisios del NE. La tendencia para es de segundo orden con un ajuste del 68% (Figura 3(d)).
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Tasa de cambio por año para (a) la altura de la superficie del mar (m/a) y (b) la tensión del viento (N m-2/a). (c) Puntuaciones temporales de SSH estandarizadas y suavizadas con el manómetro de Puerto Rico (triángulo en (a)) y la tendencia. (d) Resultados temporales estandarizados suavizados de la tensión del viento y tendencia. -El eje es las desviaciones estandarizadas en (c) y (d).
3.2. Mapas de subsuperficie
Los mapas de tendencias para , , corrientes, y se presentan en la Figura 4. Se ha producido un calentamiento generalizado de la capa de la termoclina del Caribe, como se esperaba. La pendiente ascendente de es mayor frente a Venezuela (Figura 4(a)) asociada a la disminución del afloramiento de los vientos alisios en las últimas décadas. La salinidad en la termoclina ha disminuido especialmente en la corriente del Caribe 13°-17°N, al este de 75°W (Figura 4(b)). La lengua fresca sugiere una afluencia de aguas del Atlántico Sur. Las corrientes tienden a hacer un bucle alrededor de Jamaica desde el Paso de Barlovento y conectan con las tendencias hacia el este de la Corriente del Caribe (Figura 4(c)). La tendencia del movimiento vertical es ascendente alrededor de Hispanola/Puerto Rico y se hunde en el sur frente a Colombia y Venezuela (Figura 4(d)).
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Tasa de cambio por año para (a) la temperatura (°C/año) y (b) la salinidad (ppt/año) promediada 1-100 m. Tasa de cambio para (c) las corrientes como vectores con clave m/s, y (d) el movimiento vertical (m día-1/año) promediado 1-200 m. (e) y puntajes de tiempo estandarizados suavizados y tendencias, (f) descarga del manómetro del río Orinoco suavizada en 5 años (1923+) y tendencia, y escorrentía de la cuenca del reanálisis (Vic-mod).
Roemmich encontró que las aguas superficiales y de la termoclina que salen del Caribe a través de Yucatán están compuestas por 17 Sv del Caribe SE y 6 Sv del Paso de Barlovento. Lo que se observa en las tendencias aquí es una reducción del flujo de entrada desde el Caribe SE y un aumento desde el Paso de Barlovento. Hay una tendencia de reducción del flujo de salida hacia el Yucatán. y las tendencias lineales logran un ajuste del 65% y 78%, respectivamente (Figura 4(e)). Dado que la salinidad en el Caribe SE se ve afectada por la pluma del Orinoco, se considera su descarga (Figura 4(f)). La tendencia de los aportes fluviales a lo largo del registro histórico es débil, y las precipitaciones regionales están disminuyendo, por lo que los cambios en la advección de las corrientes oceánicas subyacen al refrescamiento, y no los flujos locales aire-mar.
3.3. Secciones de profundidad
La tendencia de la temperatura en la sección de profundidad N-S (Figura 5(a)) muestra un máximo desde 11°-16°N a 100-200 m de profundidad. La amplitud del calentamiento es más débil en la superficie y en el sur por debajo de los 300 m. La sección de profundidad de la salinidad (Figura 5(b)) muestra una carga negativa (positiva) por encima (por debajo) de ~150 m, por lo que la haloclina se ha debilitado. Esta interfaz desciende hacia el norte con un mayor refrescamiento desde 12°-17°N por encima de los 50 m. La sección de profundidad N-S para las corrientes zonales se muestra en la Figura 5(c). Son evidentes las bandas alternas; la máxima tendencia hacia el este se encuentra cerca de los 15°N en la Corriente del Caribe. La tasa de cambio para las corrientes expresadas como vectores en las secciones de profundidad es hacia el sureste. Para la sección N-S de la corriente (Figura 5(d)) las tendencias son mayores desde 18-23°N por encima de los 300 m reflejando la afluencia de la Corriente de las Antillas. Los componentes verticales son en gran medida ascendentes (descendentes) al norte (sur) de 15°N, lo que refleja una tendencia hacia movimientos ascendentes (descendentes) en las Antillas centrales (frente a Sudamérica). El debilitamiento del afloramiento en el sur del Caribe está relacionado con el debilitamiento de los vientos alisios desde 1990 (véase la figura 3(b)). La tendencia actual es, en general, hacia el este sobre la elevación de Nicaragua y en el Caribe central 75°-60°W por encima de los 200 m (Figura 5(e)). Las tendencias y las lentas fluctuaciones de la circulación termoclina del Caribe parecen estar moduladas por la afluencia de los pasajes de Granada () y Barlovento (). La serie temporal de las corrientes presenta una tendencia positiva de segundo orden con un ajuste del 94% (Figura 5(f)). Las oscilaciones multidecadales parecen influir en la circulación (tendencias de segundo orden) más que las propiedades termodinámicas (lineales) en la era del reanálisis.
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N-S de la tasa de cambio por año para (a) la temperatura, (b) salinidad, (c) corriente zonal, y (d) corriente meridional y movimiento vertical como vectores con clave. (e) Sección E-O de la tasa de cambio por año para la corriente zonal y el movimiento vertical como vectores con clave. (f) , , puntuaciones de tiempo estandarizadas suavizadas y tendencia. exagerado 102 en (d) y (e).
3.4. Recursos
Las capturas marinas per cápita son relativamente estacionarias en la década de 1960 (Figura 6(a)) y aumentan en la década de 1980 a medida que disminuyen los ciclones tropicales (cf. Figura 2(a)). A partir de entonces, las capturas se agotan, con una tendencia negativa de segundo orden del 59% de ajuste. El crecimiento de la población sigue las tendencias globales, duplicándose en la era del reanálisis y estresando los recursos. El rendimiento de los cultivos en el Caribe ha seguido las precipitaciones hasta hace poco; se observa una débil tendencia a la desecación (Figura 6(b)). El rendimiento de los cultivos es menos sensible a las condiciones de la parte superior del océano; las correlaciones cruzadas con un desfase de 1 año son generalmente negativas con rendimientos decrecientes y moderadas con respecto a las corrientes oceánicas (cf. Tabla 2).
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(a) Captura marina per cápita del Caribe y crecimiento de la población. (b) Rendimiento de los cultivos en el Caribe con un retraso de 1 año y precipitaciones suavizadas con tendencia.
La Tabla 2 resume las correlaciones cruzadas de la puntuación PC modo-1 con tendencia lineal. Se observan valores ascendentes y significativos para todas las variables, excepto la tensión del viento. Así, las señales de calentamiento global (y la reducción de dS/dz) surgen del análisis. Las correlaciones cruzadas entre las puntuaciones ambientales de PC y las capturas de peces marinos con un retraso de 1 año también se resumen en la Tabla 2. Sorprendentemente, los valores son insignificantes, lo que sugiere que los patrones de advección y las propiedades termodinámicas pueden ser menos importantes que los factores que afectan al esfuerzo y la eficiencia de las capturas (por ejemplo, la frecuencia de las tormentas, el estado del mar). La correlación moderada con sugiere que el aumento de las capturas sigue a los vientos hacia el norte que se originan en la zona de afloramiento de Venezuela.
4. Resumen
Se han estudiado las condiciones en el Mar Caribe para las tendencias a largo plazo en el período de las observaciones históricas de superficie utilizando promedios de área y en los campos subsuperficiales utilizando el análisis de componentes principales y la extracción de tendencias. La cobertura de datos continuos comenzó en la década de 1850 para la SLP y la SST, en la década de 1900 para los vientos, y a finales de la década de 1950 para la altura de la superficie del mar reanalizada por el modelo, las corrientes y el movimiento vertical. Se emplearon metodologías de agregación de datos para reducir la variabilidad en el tiempo, el espacio y la profundidad, dejando la tendencia a largo plazo que se analizó mediante regresión de primer o segundo orden. La TSM reflejó una tendencia ascendente acelerada, mientras que la SLP mostró fluctuaciones casi decenales. La SSH y la subsuperficie aumentaron linealmente a ritmos casi globales, mientras que la subsuperficie mostró capas superiores más frescas y capas inferiores más saladas. La amplitud del calentamiento fue espacialmente homogénea pero débil en los 100 m superiores, por lo que la hipótesis descendente relacionada con el intercambio aire-mar no se vio respaldada. En el promedio del Caribe, las temperaturas han aumentado a un ritmo dos veces mayor (.015 C/año) a 150 m que en otras capas. Las tendencias de la altura de la superficie del mar fueron más altas (+0,0014 m/año) a 14° y 23°N y más bajas (+0,0008 m/año) a 10° y 18°N. El refrescamiento de la capa superficial no estaba relacionado con las precipitaciones regionales ni con la descarga de los ríos, lo que sugiere cambios en la advección y las fuentes oceánicas. La salinidad ha disminuido más rápidamente (-.004 ppt/año) cerca de los 30 m. Los rendimientos de los cultivos fueron insensibles a las condiciones oceánicas, y siguieron a las precipitaciones como se esperaba. Las capturas marinas per cápita en el Caribe no guardaron relación con y , y siguieron el aumento de los vientos hacia el norte, que propagaron la productividad.