INFORME FINAL PROYECTO TH0918.3

ANÁLISIS DE LA FRECUENCIA E INTENSIDAD DE LOS CICLONES TROPICALES (CTs) PARA PREVENIR LOS EFECTOS, PRESENTES Y FUTUROS, DEBIDOS A LA VARIABILIDAD Y EL CAMBIO CLIMÁTICO EN MÉXICO.

Jefe de Proyecto Dr. Jorge Sánchez-Sesma (IMTA) Participantes (Instituciones) Dr. Ricardo Prieto González (IMTA) Dr. Victor Orlando Magaña Rueda (UNAM) Colaboradores Geogr. Carolina Neri Vidaurri (Becario de Maestría, UNAM) Fis. Luis Eduardo Herrera Aztegui (Becario de Maestría, UNAM) Geogr. Luis Manuel Galván Ortiz (Becario de Maestría, UNAM)

Jiutepec, Morelos Diciembre de 2009

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 3 2. ANTECEDENTES Y ACTIVIDADES PRELIMINARES................................................ 4 2.1 Antecedentes internacionales ........................................................................................ 5 2.2 Antecedentes nacionales ............................................................................................... 6 2.3 Formación del grupo de trabajo .................................................................................... 6 3. FUENTES DE INFORMACIÓN CICLÓNICA ................................................................. 8 3.1 Meteorología y Climatología ........................................................................................ 8 3.1.1 Base de datos “HURDAT” (1851-2008). .............................................................. 8 3.1.2 Base de datos histórica (1500-1850) .................................................................... 10 3.1.3 Reanálisis Meteorológico Global ......................................................................... 13 4. ESCENARIOS DE LA VARIABILIDAD CLIMÁTICA ................................................ 14 4.1 Antecedentes ............................................................................................................... 14 4.2 Datos y métodos .......................................................................................................... 15 4.2.1 Trayectorias Históricas e intensidades ............................................................... 16 4.2.2 Modelo FluidoDinámico ...................................................................................... 16 4.2.3 Modelos probabilísticos ...................................................................................... 17 4.2.4 Procedimiento de reconstrucción histórica .......................................................... 17 4.2.5 Calibración ........................................................................................................... 18 4.2.6 Descomposición de señales de CT ...................................................................... 18 4.3 Resultados y Discusión ............................................................................................... 19 4.3.1 Reconstrucción Histórica de Velocidades del Viento de CT .............................. 19 4.3.2 Calibración de Vientos Máximos (VM) .............................................................. 19 4.3.3 Oscilaciones Multidecadales de la Frecuencia de CT...................................... 22 5. ESCENARIOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO ................................................................. 28 5.1 Metodología ................................................................................................................ 28 5.1.1 Técnicas de identificación de patrones. ............................................................... 29 5.1.2 Sembrado de perturbaciones. ............................................................................... 29 5.1.3 Condiciones estáticas y dinámicas de ciclo-génesis. ........................................... 30 5.2 Discusión de la técnica dinámica ................................................................................ 31 5.3 Aplicación de la técnica dinámica .............................................................................. 34 6. EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD ............................................................... 38 6.1 Evaluación económica del impacto ciclónico ............................................................. 38 6.1.1 Metodología ......................................................................................................... 40 6.1.2 Resultados ............................................................................................................ 41 6.2 Evaluación de vulnerabilidad por crecimiento urbano ............................................... 44 6.2.1 Metodología ......................................................................................................... 45 6.2.2 Resultados ............................................................................................................ 46 7. ESTRATEGIAS PARA LA REDUCCIÓN DE VULNERABILIDAD .......................... 53 8. CONCLUSIONES ............................................................................................................ 58 9. AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... 61 10. REFERENCIAS .............................................................................................................. 62 ANEXO 1. Aspectos Metodológicos del CENAPRED ........................................................ 66 ANEXO 2. Impactos de huracanes que han afectado a México ........................................... 68

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1. INTRODUCCIÓN México presenta una alta vulnerabilidad a la incidencia de ciclones tropicales (CTs). Diversas zonas son afectadas por los impactos ciclónicos, que originan lluvias, oleajes y vientos extremos, ocasionando pérdidas económicas significativas en diversos sectores socioeconómicos y, en el peor de los casos, de vidas humanas. De acuerdo con las conclusiones del Cuarto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (AR4 del IPCC, por sus siglas en inglés), se tiene una alta probabilidad de aumento en la intensificación de los CTs, debido al cambio climático, con lo cual se pueden esperar daños económicos en México más elevados en el futuro. Si a lo anterior, le agregamos el incremento de la población y de infraestructura en las zonas de riesgo ciclónico del país, se pueden esperar pérdidas económicas sin precedente, ocasionadas por los ciclones tropicales intensificados por el incremento en la temperatura. Para reducir dichas pérdidas económicas y humanas, en el país, en el futuro, se requieren implementar medidas de adaptación, que reduzcan la vulnerabilidad en las zonas de riesgo ante los ciclones tropicales. Por ello, en este proyecto se contempla realizar una evaluación histórica de los CTs en México para contar con una estimación de las tendencias de sus frecuencias e intensidades a nivel nacional que permitan prevenir sus efectos, debidos, tanto a la variabilidad climática, como al cambio climático en México para las próximas dos décadas, así como el calculo histórico anual de perdidas económicas y vidas humanas en México y estimaciones de costos futuros por el impacto de CTs. En este reporte se presentan: a) los antecedentes), b) la formación del grupo de trabajo (investigadores, nacionales y extranjeros, y estudiantes), c) la metodología a ser utilizada en el desarrollo del proyecto, d) las fuentes de información a utilizar, y d) algunos resultados preliminares de variabilidad de CTs (vientos y frecuencia), y de vulnerabilidad ante los CTs del Atlántico.

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2. ANTECEDENTES Y ACTIVIDADES PRELIMINARES Los cambios en el clima pueden ser producto de variaciones en los moduladores climáticos internos, como inestabilidades en la atmósfera y/o el océano o forzamientos externos, como variaciones en la radiación solar, uso de suelo, composición de la atmósfera. La convención marco de las naciones unidas sobre cambio climático usa el término Cambio Climático para referirse a cambios en el clima por causas humanas: se entiende un cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera mundial y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante periodos de tiempo comparables. En algunos casos también se usa la expresión cambio climático antropogénico. De ser producidos por causas naturales, moduladores internos del sistema climático, se denomina variabilidad natural. La principal alteración en la composición de la atmósfera por causas humanas es por el incremento en la concentración de Gases de Efecto Invernadero (GEI). Estos gases modifican el balance global de radiación bloqueando parcialmente más radiación de onda larga saliente, y alterando el balance radiativo que se tenías durante décadas antes de la Revolución Industrial. Para que se alcance un nuevo balance entre la energía que entra y la que sale, la temperatura en la troposfera tiene que aumentar, emitiendo así más radiación de onda larga saliente desde la superficie que compense la energía entrante, aun y cuando un porcentaje mayor de esta energía quede atrapada por los GEI. La distinción entre variabilidad natural y variabilidad inducida por los humanos requiere hacer ejercicios de detección y atribución de dichas señales de cambio en el clima (IPCC 2007), esto es, se debe separar, mediante el uso de modelos dinámicos, la componente de las variaciones en el clima dada por forzantes naturales, de aquella que resulta de un efecto invernadero intensificado por las actividades de origen antrópico. La detección del cambio climático es por tanto, el proceso de demostrar que el clima ha cambiado en un sentido definitivo, sin probar una razón especifica de la causa de ese cambio. La atribución es el proceso de establecer los factores más probables del cambio detectado. En el Cuarto Informe de evaluación (AR4), el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) se pronunció en 2007, estableciendo que es muy poco probable (menos de 5% de probabilidad) que el patrón de calentamiento experimentado en la última década del siglo XX pueda ser explicado sin considerar forzantes externos y que sea solo por causas naturales. Los GEI muy probablemente han sido los causantes de gran parte del calentamiento observado en los últimos 50 años del siglo XX (Solomon et al., 2007). Es en el contexto anterior que se enmarca el problema de distinguir entre cambios en la actividad de huracanes de los últimos cuarenta años como parte de la variabilidad natural o como parte de la respuesta a lo que hoy conocemos como cambio climático. Uno de los grandes retos en materia de eventos hidrometeorológicos extremos sigue siendo no sólo

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detectar los cambios en actividad, sino atribuirlos. El caso de los ciclones tropicales es quizá uno de los más difíciles ejercicios de atribución ya que: 1) Gran parte de las relaciones entre actividad de huracanes y clima se han construido sólo a través de relaciones con la Temperatura de Superficie del Mar (SST). Existen variaciones de muy baja frecuencia (décadas) en la condición climática de los océanos relacionadas por ejemplo, con la Oscilación Multidecadal del Atlántico, capaces de modular la actividad de ciclones tropicales en el Atlántico, que pueden confundirse con tendencias. 2) El periodo de registro observacional (a través de satélites) de los ciclones tropicales es relativamente corto (1970-2009) por lo que determinar una tendencia no es muy robusto, estadísticamente hablando. 3) El conocimiento sobre la génesis y desarrollo de los ciclones tropicales no es tan completo como el que se tiene en procesos de gran escala o escala sinóptica, por lo que modelar huracanes en modelos climáticos no ha sido fácil. 4) La resolución de los modelos de cambio climático es en general demasiado cruda como para resolver explícitamente ciclones tropicales. Lo anterior ha hecho que sean pocos los estudios que se hayan desarrollado para conocer cómo cambia la actividad ciclogenética en el mundo bajo cambio climático. Los que desde el punto de vista dinámico han llevado a ciertas conclusiones corresponden a experimentos de cortes o “rebanadas” en el tiempo, lo que no permite hacer un análisis probabilístico de las proyecciones bajo cambio climático. Además, es importante considerar los principales estudios previos relacionados con los escenarios climáticos globales y de ciclones tropicales realizados en el extranjero y en México. A continuación se mencionan lo relativo a estudios nacionales e internacionales

2.1 Antecedentes internacionales Keenlyside et al (2008) [K08 de aquí en adelante] presenta un análisis de los escenarios climáticos globales donde, utilizando una asimilación de datos oceánicos mejorada para inicializar el modelo atmosférico ECHAM-5 acoplado al modelo MPI-OM, encuentra, la capacidad de pronóstico interdecenal. Los resultados muestran diferencias importantes para las temperaturas globales de las próximas dos décadas con respecto al modelo ECHAM-5 convencional. Se estima un enfriamiento para los próximos años y un sostenimiento de las temperaturas para la década 2005-2015. Al compararse estos pronósticos con datos del HadCRUT3v y sus tendencias, se ven que los resultados tienden a reproducir lo ocurrido y sus tendencias. Emanuel et al (2008) [E08 de aquí en adelante] presenta un análisis de los escenarios climáticos de los ciclones tropicales en las cinco principales cuencas oceánicas del mundo donde se presentan estos fenómenos: Atlántico Norte, Pacífico Noreste, Pacífico Noroeste, Índico Norte y Hemisferio Sur. En todas esas cuencas se aplica un método para la desencadenar la generación ciclónica. El método consiste en “sembrar” una perturbación en los campos atmosféricos que proveen los modelos acoplados de circulación general (MACG) más importantes. La evolución de esta perturbación brinda información de las trayectorias e intensidades de los CTs pasados o futuros. La técnica propuesta por E08, primero se calibra con las corridas de control (o históricas) de las

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últimas dos décadas del siglo XX. La calibración considera el número de sistemas ciclónicos. Aceptando que la calibración servirá para las condiciones futuras se considera en la aplicación de la técnica propuesta para las últimas dos décadas del siglo XXII.

2.2 Antecedentes nacionales Se han realizado previamente diversos estudios en México relativos a los CTs y a sus posibles impactos. Varios de esos estudios han sido patrocinados por el INE. El INE patrocinó en 2006 a un estudio de los impactos de los CTs en el sector turismo nacional. Estos estudios y otros realizados en la UNAM y otras universidades se tomarán en cuenta para este proyecto.

2.3 Formación del grupo de trabajo Como el primer paso de este estudio se estableció un grupo de trabajo para la realización del mismo. Este grupo fué formado principalmente por investigadores y profesores de 3 instituciones nacionales, el CCA-UNAM, la UV y el IMTA. La tabla siguiente indica los participantes, su institución y los principales temas a tratar. Investigador/profesor Dr. Jorge Sanchez-Sesma

Institución IMTA

Dr. Ricardo Prieto González

IMTA

Dr. Victor O. Magaña Rueda

CCA-UNAM

M.C. Ana Delia Contreras

UV

Dr. Kerry Emanuel*

MIT

Dr. Noel Keenlyside*

Universidad de Kiel

Temas a tratar Variabilidad climática, cambio climático, y la supervisión general e integración de las actividades del proyecto Cambio climático y vulnerabilidad Escenarios de cambio climático considerando patrones de gran escala, vulnerabilidad, asesoría en las demás partes, y supervisión de estudiantes en México Impacto económico, aspectos meteorológicos del proyecto, y supervisión de estudiantes en Jalapa. Análisis de los ciclones tropicales 20102030 considerando los escenarios del Dr. Keenlyside. Proporcionar información de las últimas corridas del modelo ECHAM-5 acoplado a un modelo oceánico.

* Estos investigadores fueron invitados a participar proporcionando información, y/o analizando los escenarios climáticos con modelos de ciclo-génesis.

Para establecer el grupo se realizaron 2 reuniones. La primera reunión, donde el Dr. Victor Magaña visitó el IMTA el 22 de mayo, para reunirse con el Dr. Ricardo Prieto y el Dr. Sánchez-Sesma. La segunda reunión, donde el Dr. Sánchez-Sesma visitó al Dr. Magaña en su oficina en el CCA-UNAM el 12 de junio. En estas reuniones se estableció la metodología a aplicar en el proyecto.

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Es importante mencionar que considerando la complejidad del proyecto se procedió a invitar a participar a los Drs. Kerry Emanuel y Noel Keenlyside, investigadores del MIT en los EUA y de la Universidad de Kiel en Alemania, respectivamente. Los doctores aceptaron la invitación y proporcionarán información de escenarios climáticos y procesarán esa información para estimar la ciclo-génesis (ver tabla de asignación de responsabilidades). Sin embargo, como la información de los modelos estará disponible hasta diciembre próximo, según el Dr. Keenlyside, la estimación de escenarios ciclónicos con la técnica del Dr. Emanuel, se podrá realizar hasta los primeros meses de 2010.

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3. FUENTES DE INFORMACIÓN CICLÓNICA 3.1 Meteorología y Climatología Para la realización de este proyecto en cuanto a los aspectos de meteorología y climatología se utilizaron las siguientes fuentes de información: base de datos instrumentales de TCs (HURDAT), archivo histórico de TCs (HISTUR), reanálisis (Reanalysis).

3.1.1 Base de datos “HURDAT” (1851-2008). El primer registro de esta base de datos fue el hecho por Brian R. Jarvinen, Charles J. Neumann, and Mary A. S. Davis del Centro Nacional de Huracanes (NHC por sus siglas en Inglés), en Miami, Florida, y fue realizado en una cinta magnética para la cuenca del Atlántico Norte de (1886 – 1983), la cual constaba de contenidos, limitaciones y usos. Dentro del contenido estaban definiciones, fuente de datos, la historia de las observaciones, posiciones, velocidades del viento, presiones atmosféricas, formato de datos y uso de los datos. La base de datos de huracanes del Atlántico Norte [HURDAT; además llamada “La mejor trayectoria” o “best-track” en inglés], incluye tormentas tropicales y huracanes, pero no depresiones tropicales en desarrollo, las posiciones e intensidades fueron añadidas en 1960 en apoyo del programa espacial Apolo para ayudar a proveer pronóstico estadístico de trayectorias de ciclones tropicales (Jarvinen et al. 1984). Desde sus inicios, esta base de datos (disponible en línea en http://www.nhc.noaa.gov/pastall.shtml) ha sido utilizada para una amplia variedad de proyectos adicionales tales como: ajuste de de código de construcción para zonas costeras (ASCE 1998), análisis de pérdidas potenciales para seguros e interés de negocios (Malmquist y Michaels 2000), técnicas de pronóstico de intensidad (DeMaria y Kaplan 1999), verificación oficial de modelos de predicción de trayectoria e intensidad (Mc Adie y Lawrence 2000), y pronóstico estacional (Gray, 1984). Desafortunadamente, la base HURDAT no fue diseñada teniendo todos estos usos en mente, de tal manera que, hubo muchas razones para llevar a cabo un reanálisis de la información base que permitiera una actualización de los CT, ya que existían muchos errores que necesitaban corrección (Neumann 1994). Por ejemplo, a comienzos del siglo XX, la intensidad de los CT y su posición fue estimada una vez al día, lo cual después fue interpolado a 6hrs por HURDAT. Charles. J. Neumann y J. Hope desarrollaron el primer registro digital de HURDAT con posiciones y viento máximo estimados cada 6hrs (Jarvinen et al. 1984), antes que la escala Saffir-Simpson fuera ideada (Saffir 1973).

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Desde 1997 un nuevo entendimiento de la estructura del viento por huracanes basado en los sondeos del viento lanzados cerca de las paredes del ojo de los huracanes han provisto una manera sistemática de ajustar los niveles del viento de nivel de vuelo a los de superficie (Dunion et al. 2003; Franklin et al. 2003). Esta metodología ha sido ya aplicada al huracán Andrew (Landsea et al. 2004b) y ha resultado en numerosas revisiones de los registro de la velocidad del viento en ciclones tropicales. La base de datos HURDAT del Atlántico contiene intensidad, vientos máximos sostenidos, vientos en superficie (10m) y, cuando están disponibles presiones centrales y posiciones. Así, HURDAT contiene información de tormentas tropicales y huracanes conocidos desde 1851 a la fecha (Jarvinen et al. 1984: Landsea et al. 2004a). Hay que señalar que las tormentas tropicales y huracanes que se formaron en la segunda mitad del siglo XIX y primera mitad del siglo XX tuvieron pocas posibilidades de ser observadas y ser incluidas en HURDAT. Este es debido a que en aquel entonces las redes de sistemas observacionales, tales como satélites de observación, polares y geoestacionarios, vuelos de reconocimiento, radares, boyas, no estaban disponibles. Landsea (2007) provee un ejemplo de una distribución típica de observaciones marinas disponibles en el siglo XX contra las que se han tomado ahora. La detección de tormentas tropicales y huracanes hasta mitad de los 40´s fue limitada solo a los sistemas que afectaron barcos y a aquellos que impactaron en tierra. Hasta la utilización del radio en la primera década del siglo XX. La única manera de obtener reportes de barcos de huracanes en el mar fue después de que los barcos terminaban su recorrido y regresaban, cuando se obtenían las mediciones. Estas observaciones tardías no fueron útiles operacionalmente para los servicios meteorológicos en los Estados Unidos y Cuba, aunque algunos de ellos estuvieran disponibles para el análisis posterior de la actividad de cada temporada de CTs. El año de 1909 fue marcado por ser la primera vez que un barco reportó un huracán por radio en la cuenca del Atlántico (Neumann et al. 1999). El incremento substancial en el tráfico de barcos durante las primeras décadas del siglo XX, una utilización más extensa de barómetros a bordo, y el uso de reportes enviados y recibidos acerca de estas tormentas, dejaron un incremento significativo en las observaciones. El aumento fue significativo no solo en cantidad sino también en la calidad de la información de las bases de datos de barcos, porque era una mejor información de donde los sistemas estaban ocurriendo y hacia donde se dirigían. Aún en épocas más recientes, antes del satélite geoestacionario, se estima que hasta más de 3 ciclones tropicales por año fueron perdidos entre 1900 y 1965 (Landsea 2007). Los aspectos más importantes considerados para cada tormenta eran la génesis, la duración del sistema, su intensidad, y su decaimiento o transformación en un sistema extratropical. En 158 años, del periodo 1851–2008, más de 1300 ciclones tropicales (tormentas tropicales y huracanes de varias intensidades) han sido registrados sobre el área del Atlántico norte. La formación de estas tormentas, y posible intensificación a huracanes maduros, toma lugar sobre aguas tropicales y subtropicales. La eventual disipación o modificación, en un promedio de 7 a 8 días después, típicamente ocurre sobre aguas frías del Atlántico Norte, o cuando las tormentas se mueven sobre tierra y lejos del sustento del ambiente marino. Para el periodo de (1871 – 1963), la primera referencia para la trayectoria de tormentas y criterio de intensidad asociada fue emitida por las oficinas del servicio meteorológico de Estados Unidos (NWS, por sus siglas en Inglés) en el artículo técnico número 55. Aunque

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el principal propósito de las revisiones previas fue actualizar las cartas de trayectorias, unas cuantas de las trayectorias originales fueron modificadas basadas en información adicional disponible en el Centro Nacional de Huracanes. Considerando el amplio uso del este artículo por muchos años desde su publicación, el requerimiento de unos pocos cambios para su cuidado en su preparación. Fuentes de datos adicionales para el periodo previo a1963 incluye: Reportes anuales de ciclones tropicales de la naval de E.U. (y varias notas de huracanes en Jamaica, W.I.). La principal fuente en la preparación de las cartas para los 29 años adicionales, (1964 – 1992), fueron los resúmenes de reportes de la actividad de ciclones tropicales del Atlántico preparado para miembros personales del Centro Nacional de Huracanes. El primer medio para la diseminación de estos reportes anuales es la Revisión Mensual del Tiempo (MWR por sus siglas en Inglés). En adición, artículos resumidos son adaptados para grupos de usuarios específicos y aparecen en el Mariners Weather Log y en la popular revista del Weather. En conexión con su compromisos con la investigación y los servicios operacionales, el Centro Nacional de Huracanes (NHC por sus siglas en Inglés) continuamente mantiene y actualiza los detallados archivos de computadora de las trayectorias de ciclones tropicales del Atlántico antes de 1886. Una técnica análoga de pronóstico, HURRAN (HURRicane Analogs), por ejemplo, esta basada en esos datos. Inicialmente, los archivos de computadora fueron desarrollados de los datos presentados en el artículo técnico número 36. Sin embargo, han sido gradualmente actualizados con los años y actualmente contienen posiciones de tormentas, velocidad del viento sostenido, y presiones en superficie (cuando están disponibles) y todo esto desde 1851.

3.1.2 Base de datos histórica (1500-1850) El uso de fuentes documentales es una técnica de alta resolución bien establecida para reconstruir el clima durante los siglos pasados cuando no habían datos instrumentales (Martín Vide y Barriendos Vallvé (1995) y Catchpole (1992)). Diversos materiales documentales han sido usados para estudiar un número de fenómenos climáticos importantes tales como El Niño–Oscilación del Sur (ENSO) (Quinn et al., 1987 y Ortlieb, 2000) y la Oscilación del Atlántico Norte (NAO por sus siglas en Inglés) (Jones et al, 1997 y Luterbacher et al.,1999) y usadas para describir la variabilidad climática en un número de regiones. De particular relevancia es el trabajo de Lamb (1991) de quien su cronología de tormentas extratropicales fue basado grandemente en tales fuentes. Los huracanes son particularmente interesantes para estudiarles mediante fuentes históricas porque son eventos extremos con serias consequencias para las comunidades que los experimentan y son con frecuencia registrados en un documento escrito. Es esperado que muchos huracanes del periodo histórico proveyeran un legado de evidencia documental describiendo sus efectos y consecuencias en diferentes sociedades. Quizá, los registros documentales más antiguos de ciclones tropicales (incluyen Tifones) son los guardados en la provincia de Guandong del sureste de China en forma de crónicas locales de desastres naturales. Estos documentos proveen información desde 975 AC (Liu et al, 2001). En la cuenca del Atlántico los primeros registros seguramente fueron hechos por los Mayas. Sin embargo, dada la destrucción generalizada de códices al inicio de la Colonia, no se tiene ninguna evidencia de los eventos precolombinos. Los primeros registros conservados provinieron de los primeros años de las colonias españolas. Así, la historia

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documental de los ATC se extiende en el tiempo, desde los primeros viajes de descubrimiento a fines del siglo XV. Estos primeros registros se mostraban fragmentados e incompletos. Una de las primeras compilaciones de las trayectorias de huracanes (1804 –1853) fue preparada por Redfield que ha tratado de documentar muchas de las más antiguas tormentas. Gracias al establecimiento de la organización de los nuevos territorios españoles en America, a través del Consejo de Indias establecido en 1523, los documentos históricos españoles del archivo general de Indias (AGI por sus siglas en inglés) fueron coleccionados y preservados. Esos documentos han sido usados para identificar huracanes caribeños y tormentas de los siglos XVI y XIX (García-Herrera et al, 2005). Estas fuentes provén información no registrada previamente de huracanes útil para completar cronologías preexistentes de trayectoria de ciclones. Recientemente (GarciaHerrera et al 2005), se añaden 70 huracanes no identificados los cuales pueden ahora ser libremente accesibles en la red. Los resultados sugieren que en el siglo 17 puede haber sido menos activo que los siglos XVI y XVIII, con el periodo más activo el cual ocurrió entre 1766 y 1780. Gracias a estos esfuerzos se tiene la primera compilación de información acerca de tormentas (diferente de huracanes) en la cuenca del Caribe. Los documentos oficiales españoles de la región Caribeña son una rica fuente de información de huracanes para los años siguientes al establecimiento de las colonias españolas. Desde ese entonces las intrusiones al Caribe de marinos ingleses, usualmente piratas, dejaron poca información útil para Climatólogos. Sin embargo, cien años después, el crecimiento de intereses políticos Británicos fue reflejado en el incremento de la frecuencia de Cuadernos de Bitácora de barcos de la Marina Real desplegada en la región. Las consecuentes colecciones de cuadernos de bitácora de barcos ocupados en viajes trasatlánticos o en actividades militares constituyen una fuente de información documental que es continua, voluminosa y de particular relevancia para Climatólogos. Ambas fuentes Españolas y Británicas provén diferentes, pero detallada, información de eventos de huracanes. Los reportes españoles son con frecuencia tormentas en específico, describiendo a detalle el inicio, carácter y consecuencia de los eventos individuales. Los cuadernos de bitácora Británicos incluyen referencias a huracanes pero con información más amplia relatando día a día el tiempo. Estudios preliminares indican que ambas fuentes permiten precisar las fechas de huracanes y, donde existen muchos datos del mismo evento, provee información de la cual una reconstrucción de trayectoria de huracanes puede ser hecha. Una identificación preliminar de huracanes de documentos históricos españoles puede ser encontrado en García herrera et al (2000), donde 12 huracanes fueron identificados de reportes de flotas españolas. Sin embargo, solo fuentes secundarias fueron usadas y no las fuentes primarias. A continuación dos ejemplos de eventos obtenidos de los archivos españoles e ingleses. El documento español del AGI, México 360, describe: “ un barco el 20 de Octubre de 1620 cercano a la Costa de Campeche. El 20 de Octubre un fuerte viento entró desde el Sureste a las 9 de la noche el cual pareció un huracán. La noche fue muy oscura y llena de truenos y rayos desde los cuartos ofrecimos plegarias a la virgen del Carmen.. Después el huracán viró al norte, y bajó de intensidad.”

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Estas palabras fueron enviadas a “Su Majestad” por el gobernador de Yucatán y formó parte de un reporte que fue originalmente producido en el diario de Andrés de Aristizábal, jefe en tierra firme, a bordo de nuestra señora del Juncal de la orilla de la costa de Campeche De la Bitacora Inglesa :HMS Hector (74 armada) “ fue cruzando al final de la española al principio de Octubre de 1780. En el sexto cuaderno de bitácora estaba: Vientos: EpN (Este-por-el-Norte), fuertes vientos y borrascoso, a la 7pm el viento incremento, a las 12 am incremento a huracán. En el 7° la situación ha moderado y los vientos han virado. Vientos: W, Vientos Fuertes. Mar agitado desde el oeste ” La muestra total obtenida para huracanes del periodo 1500-1900 en la exploración preliminar contiene 127 referencias de fuentes Españolas. La distribución espacial y temporal de estos huracanes (ver Figura 3.1a) muestra una concentración en la segunda mitad del siglo 18. Esta distribución respalda los trabajos previos de los investigadores citados anteriormente. Aún no está claro si esta concentración es el resultado de una frecuencia más alta de huracanes o una disponibilidad mayor de recursos. En cuanto a la cobertura espacial (ver Figura 3.1b), Cuba, Puerto Rico, el mar abierto y Florida son las áreas del Caribe que provén mayor información de afectaciones ciclónicas.

Figura 3.1. A) Distribución temporal de los huracanes identificados por investigación exploratoria en los Archivos Españoles. B) Distribución espacial de los huracanes identificados por investigación exploratoria de los Archivos Españoles

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3.1.3 Reanálisis Meteorológico Global El Centro Nacional de Predicción Ambiental [(NCEP por sus siglas en inglés), formalmente conocido como Centro Meteorológico Nacional (NMC, por sus siglas en Inglés) y el Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NCAR por sus siglas en inglés)] iniciaron el proyecto Reanalysis en 1991. La meta fue reproducir 40 años de registro de análisis globales de campos atmosféricos para apoyar las necesidades de investigación y comunidades de monitoreo climático. Este esfuerzo utilizó, la cobertura de mediciones en superficie, barcos, radio sondeos, aviones, satélites y otros datos. El control de la calidad y la asimilación de estos datos fue mantenida sin cambios en el periodo (1957 – 96). Con ello, se eliminaron los saltos de clima asociados con cambios en el sistema de asimilación de datos. La idea básica del proyecto de Reanálisis fue usar un estado inmóvil del sistema de Análisis/Pronóstico y mejorar la asimilación de datos usando datos del pasado, desde 1957 hasta el presente. Sin embargo, el mismo estado inmóvil sería usado para continuar mejorando la asimilación de datos en el futuro, así que los investigadores del clima podrían determinar si las anomalías del clima actual eran significativas cuando se comparaban con los datos de reanálisis de largo plazo obtenidos con el sistema de asimilación de datos sin cambios. Este proyecto fue apoyado por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en inglés). Un grupo consultivo presidido por J. Nogués-Paegle estuvo guiando el proyecto durante el periodo de desarrollo inicial (1989-93). El sistema de Reanálisis fue diseñado en NCEP, con la participación de 25 científicos del NCEP del Centro de Modelación Ambiental, del Centro de Predicción Climático (CPC, por sus siglas en inglés), el modelo Proyecto Modelo Acoplado, y Operaciones Centrales. El diseño inicial del proyecto fue discutido en el NMC/NCAR en el taller de Reanálisis que tomó lugar en NMC en Abril de 1991 (Kalnay y Jenne 1991). El taller tuvó la participación de los representativos de todos los grupos que planearon el mejoramiento del Reanálisis en ese tiempo [Centro de interacciones del Oceáno–Tierra–Atmósfera (COLA por sus siglas en Inglés), ECMWF, y la NASA/GLA], también como muchos usos (Para corto y largo plazo dinamicos y diagnósticos, transporte de gases, cambio climático, predictabilidad, momento angular y duración del día, modelos acoplados, etc.). El diseño casi final fue revisado en Octubre de 1993, por el comité, quienes sugirieron muchas adiciones, pruebas y modificaciones antes de empezar la fase operacional, empezada en Mayo de 1994 (Kalnay et al, 1996). La base de datos de Reanálisis de NCEP/NCAR, (Climate Diagnostic Center www.cdc.noaa.gov/ncep_reanalysis/), donde los datos se almacenan en formato NetCDF, binario con encabezados que indican los períodos, niveles, fechas y variables almacenadas, de tal manera que puede ser manipulada por herramientas como GRADS y lenguajes de programación como FORTRAN y C++. Estos datos tienen una resolución espacial de 2.5 X 2.5 grados y variación temporal de un día en una malla que va desde 230º E a 350 º E.

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4. ESCENARIOS DE LA VARIABILIDAD CLIMÁTICA Fuertes vientos debidos a ciclones tropicales son la causa de daños considerables a la vida y propiedad de áreas costeras del Caribe y Golfo de México (CGM). Para reducir este daño sin incurrir en costos excesivos, diseñadores de edificios y otras estructuras, y además los analistas de seguros usan métodos probabilistas para los cuales la información de las velocidades máximas del viento ciclónico, es una necesidad. Un número de estudios han sido realizados con este fin. Sin embargo, los estudios hechos para el CGM no cubren toda el área de interés, ni proporcionan las tendencias de largo plazo. Por todas estas razones, en este proyecto de investigación se realiza un proceso para proporcionar la información necesaria para la evaluación a largo plazo del análisis de riesgo para la velocidad del viento de CT en el área de CGM. Se presentan en este capítulo, los antecedentes, las bases y la actualización del procedimiento de modelado histórico, sus resultados y sus implicaciones de largo plazo.

4.1 Antecedentes En 1971, Russell obtuvo la velocidad del viento máximo para el Puerto de Aransas, Texas a través de simulación probabilística [Russell (1971)]. Este método además ha sido recientemente aplicado en otras partes de E.U., Australia y Asia [Batts et al. (1980), Georgiou, Davenport, y Vickery (1983), Vickery y Twisdale (1995b), Vickery, et al. (2000b)]. Este método de simulación requiere un conocimiento de las distribuciones de probabilidad de las variables características del fenómeno y necesita consecuentemente una base de datos muy completa. Esta puede ser encontrada en estudios tales como los hechos por Ho et al.(1975). En 1981, 1990, y 2006 el Instituto de Investigaciones Eléctricas, IIE) en Cuernavaca, México se iniciaron programas de investigación para proveer información actualizada para el diseño de líneas de transmisión eléctrica y torres, y estructuras en general, contra los efectos de CTs y otros vientos. Esos tres estudios fueron hechos con la información disponible de velocidades de viento extremo en México [Sánchez-Sesma, Aguirre y Villegas (1984), CFE (1993), CFE (2008)], los cuales resultaron en mapas de isótacas para diferentes periodos de retorno. El último mapa obtenido para 50 años de periodo de retorno es mostrado en la Figura 4.1.

14

Figura 4.1: Viento máximo [km/hr] para un periodo de retorno de 50 años, actualizado en 2006. Cortesía de IIE. Esos estudios fueron desarrollados con base en un método de reconstrucción histórica propuesto por Sánchez-Sesma (1985), para estimar la velocidades de viento máximo de CT. Los resultados de este método fueron publicados por Sánchez -Sesma et al. (1988), (de ahora en adelante SS-88), a lo largo de la costa de Estados Unidos, dando resultados similares a esos obtenidos en 2 esfuerzos de investigación previas, que emplearon simulación probabilística de campos de viento de CT. En lo que concierne al trabajo de Batts et al (1980), el promedio de desviación para los 100 (2000) años de periodo de retorno es de 0.2% (1.8%), el promedio de las diferencias absolutas es de 7.1%(8.3%). En el caso de resultados obtenidos por Georgiou et al 1983, los valores son 3.2%(-2.6%), 7.5%(7.9%) respectivamente. Sin embargo, el máximo desacuerdo (con diferencias absolutas cerca del 30%) aparecieron en lugares donde la actividad de CT ha sido más grande durante las últimas décadas como Miami, y Nueva Orleans. Podría ser notado que en los puntos de máximo desacuerdo, el método de reconstrucción histórica provee los valores más conservadores. Tomando en cuenta todos estos factores, un proyecto de investigación para evaluar los valores, tendencias y oscilaciones del riesgo asociado con las velocidade s de viento de CT sobre el área de CGM basado en reconstrucción histórica de campos de viento de CT, como el propuesto por SS-88, es descrito en este reporte. También se proporciona una perspectiva multidecadal de la actividad de CT, sus vientos máximos, y sus implicaciones climáticas y meteorológicas.

4.2 Datos y métodos Una descripción de los datos, aspectos de la dinámica de los fluidos, modelos estadísticos y los procesos de calibración son presentados a continuación:

15

4.2.1 Trayectorias Históricas e intensidades El Centro Nacional de Huracanes de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NHC/NOAA) por sus siglas en ingles, desde los años ochenta ha mantenido un archivo sobre los CT del Atlántico Norte. Este archivo, que es llamado HURDAT (Base de Datos de Huracanes), contiene datos, trayectorias, velocidades de viento, y valores de presión central (si están disponibles) para todos los CTs que han ocurrido desde 1851 [Jarvinen, et al. (1984)]. Un aspecto importante para ser tomado en cuenta son las recomendaciones de la documentación de la base de datos original [Jarvinen, et al. (1984)] y la documentación del reanálisis [Landsea et al. (2004), Landsea et al. (2008)] de que algunos CT no se encontraron antes del siglo XIX. En particular, Landsea et al. (2004) estimó una tendencia de 0–6 CTs “No Contados” por año entre 1851 y 1885 y y 0–4 cuatro por año entre 1886 y 1910. Como Landsea (2006), ha precisado: Estos CTs “No Contados” toman en cuenta crudamente el tamaño típico de CT, la densidad de trayectorias de barcos sobre la base del Atlántico, y la cantidad de población en la línea costera, pues mientras uno retrocede más en el tiempo, los números de barcos y rutas de navegación decrecen y menos gente vive en las regiones costeras tropicales y subtropicales. Aunque, son innegables todos estos factores que afectan la base de datos HURDAT, que hace que algunos de los CT muy probablemente no fueran contados conforme se retrocede en el tiempo examinado, HURDAT proporciona información información valiosa de los principales eventos que afectaron las mayores y más viejas áreas pobladas en el Caribe durante la última centuria y media. En este trabajo vamos a evaluar tendencias de largo plazo y oscilaciones, y el análisis comparativo de VM en el área de CGM que sólo podrían estimarse a través de HURDAT.

4.2.2 Modelo FluidoDinámico El modelo fluido dinámico utilizado por SS-88, se basa en estudios previos [Graham y Nunn (1959), Scholoemer (1954), Springall (1980), Holland,(1980)], puede ser descrito como sigue: Usando el balance radial de presión and fuerza centrifuga,

Vg 2 r

V ⋅ sen β 1 ∂P +(f − t )V g − ⋅ =0 r ρ ∂r

(1)

una expresión para el viento gradiente es obtenida, (2) donde:

Vt ⋅ senβ r 2 −D −1 Vc = ρ ( Pn − P0 )rn exp(−rn ) k= f −

(3) (4)

16

Donde, Vg es el viento gradiente, Vc es el viento ciclostrófico, Vt es la velocidad de traslación del sistema ciclónico, P es la presión atmosférica, rn es el radio normalizado, r/Rmax, β es un ángulo medido alrededor del centro del huracán en giro anticiclónico, de la línea de avance del huracán al sitio de interés. En el punto de viento máximo, es,

β=

π

(5)

2

El radio en el cual la velocidad máxima del viento ocurre y el exponente D, están dados por las relaciones siguientes las cuales son obtenidas del trabajo de Vickery y Twisdale, (1995a), y Vickery et al, (2000a). Rmax=exp(2.636-0.00005086.(dP)2 +0.0394899.L)

(6)

D= 1.38 + 0.00184. dP -0.00309. Rmax

(7)

Donde Rmax es expresado in kilómetros, D es adimensional, dP es la diferencia de presión en milibares, y L es la latitud geográfica. El radio del viento gradiente fuera de la capa superficial a la velocidad del viento en superficie esta dado por la siguiente relación [Scholoemer (1954)],

H=

Vs 0.56 = 0.64 + exp(−rn − ) Vg rn

(8)

4.2.3 Modelos probabilísticos Solo una distribución de probabilidad fue considerada en el presente estudio [Simiu y Scanlan (1986), Yevjevich (1972)], y esta es del tipo I de valores extremos, o Gumbel.

⎡ ⎛ V − µ I P V > Vˆ = exp⎢− exp⎜⎜ ⎝ σ I ⎣

(

)

⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎦

(9)

Donde P representa la probabilidad que la velocidad del viento máximo Vˆ , sea menor que el valor calculado V. Para el propósito de análisis estadístico estas distribuciones de probabilidad son reducidas a expresiones lineales mediante transformaciones. La técnica de mínimos cuadrados es usada para ajustar la ecuación de una línea recta a los datos disponibles. Los valores de los parámetros corresponden a aquellos que brindan el mejor ajuste. El coeficiente de correlación del mejor ajuste sirve para estimar la calidad de la recta ajustada.

4.2.4 Procedimiento de reconstrucción histórica Dos pasos principales están implicados en el cálculo: 1) Con el registro de historias de ciclones tropicales sobre el mar, se realiza una evaluación de las velocidades del viento en superficie en los puntos costeros de interés. 2) La distribución de probabilidad es ajustada a la información de los vientos reconstruidos máximos anuales. Información de más de 85 años es deseable, ya que existe un significativo contenido de energía asociado con tal periodo ha sido observado en el espectro de viento

17

ciclónico en estudios previos [Ishizaki (1970), Russell y Schueller (1974)]. Desde luego, la disponibilidad de más información resultaría en una mejor modelación estadística. Primero, para cada hora de existencia de todos los ciclones tropicales de HURDAT, la base de datos registrada, la posición, la velocidad de traslación y la intensidad, son calculados. Para la interpolación se usan funciones SPline. Con la velocidad máxima se estima el decremento de presión, con el decremento de presión y la latitud se estima el radio de viento máximo, y el exponente D. Con estos parámetros se calcula el viento ciclostrófico y el viento gradiente. El viento en superficie es estimado con la relación H. El viento máximo en superficie obtenido corresponde a 10m de altura sobre el mar con un tiempo de premediación de 60 segundos. La dirección del viento en superficie es calculado a partir de la posición relativa del sitio de interés con respecto al CT. Para evaluar su equivalente sobre terreno tipo 2, y para un tiempo de promediación de una hora un factor de multiplicación de 0.675 es usado. Este factor ha sido deducido de el trabajo de Simiu y Scanlan (1986) y Davenport (1978). Con todo este procedimiento, los valores máximos anuales del viento ciclónico en superficie para diferentes direcciones pueden ser obtenidos y almacenados.

4.2.5 Calibración El modelo fluido dinámico propuesto no necesita reproducir con precisión, en un punto específico de la costa, los vientos debidos a cada uno de los huracanes que han afectado. Sin embargo, después del modelaje estadístico, los resultados del modelo simple resultan en predicciones de valores y tendencias que son razonablemente buenos en general. Estos resultados, por lo tanto, deben de ser similares a aquellos obtenidos de otros métodos alternativos más complejos. Las predicciones finales del viento ciclónico serán hechas basadas en el modelo de reconstrucción y en la información costera la cual ya fue influenciada por la topografía y la interfaz tierra – mar. Además, los datos de CT medidos sobre el mar han sido usados para reforzar tendencias y valores, y a través de su interpolación proveer datos de huracanes para áreas por las cuales no existen mediciones disponibles. Otro tipo de fuentes de información son las estaciones de primera clase de las costas, las cuales son mantenidas por los servicios meteorológicos nacionales del CGM. De ellas, no solo las velocidades de viento máximo registrado son necesitadas sino también su dirección, tiempo de ocurrencia, condiciones del terreno circundante (topografía y rugosidad), características de sistemas de medición y altura sobre el nivel medio del suelo. Estas variables son indispensables para realizar un proceso de homogenización y la comparación con los vientos reconstruidos.

4.2.6 Descomposición de señales de CT La señal de CT, puede ser descompuesta en una tendencia no lineal debida al calentamiento global (GW, por sus siglas en inglés) y a las oscilaciones multidecadales (MO, por sus siglas en inglés) asumiendo los siguientes modelos: TC = TCGW + TCMO + e(t), donde TCGW =

NP

∑ [a j =1

NF ⎡ ⎛ 2πt k j −1 , ⋅ t TC = ∑ j MO ⎢b j ⋅ sen⎜ j P ⎝ j =1 ⎣

]

(10)

⎞ ⎛ 2πt k ⎟ + c j ⋅ cos⎜ j ⎠ ⎝ P

⎞⎤ ⎟⎥ , ⎠⎦

y donde: TCGW is es la componente no-lineal debida a el calentamiento global, TCOM es la componente SF debida a oscilaciones de clima de baja frecuencia, a, b, y c, son

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constantes, t es el tiempo, P es el periodo básico de la SF, NF, y NP , representan los números de términos del polinomio y de SF, respectivamente, j es un sub índice. Asumiendo NF, y NP, después de un proceso iterativo de regresión lineal múltiple que minimice los errores cuadráticos e(t), los coeficientes a, b y c, y el periodo P, pueden ser conjuntamente evaluados.

4.3 Resultados y Discusión 4.3.1 Reconstrucción Histórica de Velocidades del Viento de CT Con el archivo de trayectorias e intensidades de CT, y usando funciones Spline para la interpolación, se calcula la posición, velocidad de traslación e intensidad para cada hora de existencia de todos los CTs. Con esta información horaria el campo de viento ciclónico correspondiente es evaluado, y la velocidad y dirección en los sitios de interés es archivada para su posterior modelaje probabilista. Con este procedimiento las velocidades máximas del viento debidas a CT sobre el Atlántico Noroeste han sido reconstruidas en más de 3600 sitios del CGM. A través de la aplicación de VELCICT, un algoritmo escrito en FORTRAN, las velocidades anuales máximas omni-direccionales del viento fueron calculadas como primer paso. Para cada historia reconstruida de velocidades del viento de CT sobre los sitios de interés en la región CGM, se estiman los parámetros de una probabilidad de distribución extrema, mediante un proceso automático que corresponde al error RMS mínimo. Con las distribuciones de probabilidad de valores extremos, se estimaron los máximos asociados a diferentes riesgos, o probabilidades de excedencia.

4.3.2 Calibración de Vientos Máximos (VM) Para calibrar estos resultados empleamos el VM de CT simulados a lo largo de la costa de E.U [Batts et al (1980), Vickery, et al (2000b)]. Los 48 sitios costeros analizados están separados por 50 millas náuticas a lo largo de la costa del Atlántico, y son mostrados desde el señalamiento de 150 a 2400 millas náuticas en la Figura 4.2.

FIGURE 4.2. LOCALIZACIÓN DE SITIOS COSTEROS EN MILLAS NAUTICAS [HO, SCHWERDT, Y GOODYEAR (1975)].

Para los mismos sitios costeros localizados en cada una de las distancias 150, 200, 250, etc hasta 2400 millas náuticas, las velocidades del viento fueron históricamente reconstruidas con el modelo actualizado de huracán descrito previamente y además con la actualización correspondiente del algoritmo VELCICT.

19

Gust Wind Speed [Km/hr]

La calibración fue basada en la velocidad de viento máximo de CTs sobre estos sitios costeros para 50, 100, 200 años de periodo de retorno. La distribución de probabilidad ajustada de valores extremos tipo I, o Gumbel fueron aplicados a ambos para ambos tanto al viento simulado como el reconstruido de CT en las costas de E.U. Los resultados de esta calibración son desplegados en la Figura 4.3. 350 300

mex_50

250

mex_100

200

mex_200

150

us12_50

100

us12_100

50

us12_200

0 0

500

1000

1500 2000 Coastal Milepost [Mi]

2500

3000

Figura 4.3. Comparación de VM-CT para la costa del Atlántico simulados y reconstruidos (ya calibrados), obtenidos por investigadores de EU [Batts et al (1980), Vickery, et al (2000b)] y por este estudio mexicano, respectivamente.

La proporción de los valores de los VM de CT (VM-CT) simulados y reconstruidos a lo largo de la costa Atlántica, es mostrada en la Figura 4.4. Debería ser notado que el VMCT estimado en este estudio, para los sitios con distancias costeras de 650 y 700 millas naúticas, son más grandes que los correspondientes a estudios desarrollados en E.U. Entonces, las velocidades estimadas en este estudio para la zona cercana a Nueva Orleans son 24, 18 y 5% más grandes que las estimadas para la misma zona por Batts et al (1980), Vickery y Twisdale (1995) y Vickery et al (2000b), respectivamente. 1.4 Ratio Wmex/Wusa

1.2

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 250

500

750

1000 1250 Coastal Milepost [mi]

1500

1750

2000

Figura 4.4. Razón promedio de los valores de VM-CT para la costa del Atlántico simulados y reconstruidos (ya calibrados), obtenidos por investigadores de EU [Batts et al (1980), Vickery, et al (2000b)] y por este estudio, respectivamante. Mostrados en la Figura 4.3.

20

El resultado de la calibración de VM-CT en los mapas de velocidad de viento para la región CGM correspondiente a 200 años de periodo de retorno, es presentado en la Figura 4.5. Los vientos, expresados en [m/s], son promedios horarios a 10m sobre un terreno con una rugosidad tipo 2 (campo abierto).La distribución de probabilidad tipo I y un periodo de muestreo de 3 años fueron aplicados, resultando coeficientes de correlación más grandes de 0.98 en la mayoría de los casos.

Figure 4.5 Velocidades de viento máximo de CTs (VM-CT) estimadas para un periodo de retorno de 200 años [m/s] en la región CGM utilizando datos de 1851-2006. Los valores son promedios horarios a 10 metros de altura sobre un terreno con una rugosidad tipo 2.

Diferencias y tendencias para diferentes periodos han sido también analizadas. La Figura 4.6 despliega la relación entre velocidades máximas basadas en periodos diferentes. Esa figura muestra corredores de aumento (disminución) en el sur (norte) de la región CGM para VM-CT en los últimos 50 años (periodo reciente), con respecto a los últimos 150 años.

21

Figura 4.6 Comparación de vientos extremos evaluados con diferentes periodos de información. Razón entre las VM de CT en la región CGM con 200 años de periodo de retorno de vientos reconstruidos de los periodos (1950 – 2006) y (1851 – 2006).

Tomando en cuenta estas diferencias, un análisis especial complementario de las oscilaciones multi-decenales del clima en la frecuencia de VM-CT sobre el área CGM es presentado.

4.3.3 Oscilaciones Multidecadales de la Frecuencia de CT Utilizando la base de datos de HURDAT se evaluaron la suma acumulada anual de tormentas ciclónicas con nombre (CT) a partir de 1851 al presente, véase la figura 4.7a. Para descomponer esta señal de CT en una tendencia y oscilaciones, la ecuación (10) es aplicada, seleccionando: NF =7 y NP =3. Estos números de componentes proporcionan por un lado suficientes componente para dar resultados para la valoración no lineal más simple (cuadrática) de las tendencias del calentamiento global (GW por sus siglas en inglés) y por el otro lado suficientes armónicas de la SF para caracterizar las fluctuaciones multi-decenales (MO por sus siglas en inglés). Con un proceso iterativo donde se varia el periodo básico de las SF, entre 40 a 80 años, el error RMS mínimo fue encontrado para el periodo, P, igual a 54.5 años. La función de ajuste la cual explica 63.3% de la varianza del registro suavizado HURDAT es desplegado en la Figura 4.7a. Las componentes de tendencia, o GW, y de las oscilaciones SF, o MO, son mostradas en la Figura 4.7b.

22

20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

a)

14 12 10 8 6 4 2 0 -21800 -4 -6

1850

1900

1950

2000

2050

b) Figura 4.7. Modelación de Frecuencia de CT. a) HURDAT TC frecuencia anual (azul) con su modelo empírico con Ns=7 and Np=3, (rosa, explica 63.3% de la varianza), b) Componentes del modelo empírico HURDAT TC frecuencia anual: Componente Cuadrática TCGW (línea azul) y componente de Series de Fourier TCMO registrada of 54.5 yrs (línea rosa).

Las MOs detectadas de CTs presentan valores bajos (altos) durante los periodos 18631873, 1918-1928 y 1973-1983 (1895-1905, 1950-1960, y 1995-2005). Para explicar las diferencias de actividad ciclónica entre los dos últimos periodos, 1973-1983 y 1995-2005, hemos analizado aspectos energéticos y cinemáticos del entorno de la región CGM. El suministro de energía de los CTs está fundamentalmente dado por el océano y un índice de su potencial puede darse con los valores de la temperatura superficial del mar (SST). La Figura 4.8 despliega anomalías de SST más bajas y más altas para los periodos de baja y alta actividad, respectivamente. Los aspectos cinemáticos son importantes para la formación e intensificación de CTs. Una de las variables más importantes es el cortante vertical del viento. Este es una medida del gradiente vertical del viento que cuando es intenso no favorece el desarrollo e intensificación de CT, y viceversa. La Figura 4.9 despliega las anomalías del cortante vertical del viento, mayores y menores para periodos de más alta y más baja actividad ciclónica, respectivamente.

23

a)

b) Figura 4.8. Anomalías de SST sobre la región CGM. a) periodo 1973-1983, b) periodo 1995-2005.

24

a)

b) Figura 4.9. Anomalías de Cortante Vertical. a) para el periodo 1973-1983, b) periodo 1995-2005. Para evaluar si las MO detectadas en la frecuencia de CTs modulan las VM de CT en la región del CGM se procedió a comparar los registros de VM reconstruidas para la región

25

en estudio. La Figura 4.10 muestra la correlación entre la componente de MO de la Frecuencia de CT, y las VM de CT reconstruidos en la región del CGM.

Figura 4.10. Correlación entre la reconstrucción VM-CT de máximo anuales suavizada (PM-7años) y la componente CTMO de la frecuencia anual de CT con periodo de 54.5 yrs. La Figura 4.11a muestra el registro histórico de VM de CT reconstruidos para el sitio ubicado cerca de Cancún Q.R. la tendencia lineal también aparece en la misma figura y es casi constante pues presenta un aumento muy pequeño en el tiempo. La Figura 4.11b muestra la comparación del registro suavizado (con promedio móvil de 7 años) y sin tendencia lineal de VM de CT con la componente CTMO de la frecuencia anual de CT TCWS Cancún 60

TCWS [m/s]

50 40 30 20 10 0 1850

1870

1890

1910

1930

1950

1970

1990

2010

Time [years] TCWS

Trend

a)

26

TCWS vs MO(TCFreq) Cancún 8

TCWS [m/s]

6 4 2 0 -21850

1870

1890

1910

1930

1950

1970

1990

2010

-4 -6 -8 Time [years] TCWS-(Trend)

MO(TCFreq)

b) Figura 4.11. Velocidades del viento de CT (VM-CT) reconstruidas para Cancún. a) velocidades máximas del viento ciclónico, VM-CT, con su tendencia, b) Comparación de VM-CT suavizadas (MA-7yr VM-CT) y sin tendencia contra la componente de Series de Fourier de la frecuencia de TC (TCMO) con periodo de 54.5 años (correlación de 0.53).

27

5. ESCENARIOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO Los huracanes son fenómenos de gran escala que hasta la fecha no han podido ser explicados con detalle, como para que su efecto sea reproducido adecuadamente en modelos del clima. Esto se debe a que falta entender diversos aspectos físicos que favorecen su nacimiento, trayectoria y crecimiento. Adicionalmente, se cuenta con series de tiempo detalladas sobre huracanes que son relativamente cortas, pues inician en la época de los satélites meteorológicos. Aún cuando se tienen estimaciones de actividad para cerca de ciento cincuenta años la incertidumbre sobre la actividad de huracanes en áreas oceánicas es grande. Es por ello, que se ha tratado de reconstruir la actividad de huracanes a partir de un entendimiento de condiciones termodinámicas y dinámicas recientes. Así por ejemplo, se sabe que las condiciones El Niño suprimen substancialmente la actividad de huracanes en el Atlántico por lo que se piensa que a partir de una estimación de la frecuencia e intensidad de esta señal en el pasado es posible estimar la actividad de huracanes en el Caribe. Sin embargo, no ha sido fácil encontrar una relación equivalente en el Pacífico del este. Lo que queda claro es que no basta con suponer condiciones de temperatura de superficie del mar para extrapolar la actividad de huracanes y dado que los modelos no tienen, entre otras cosas, suficiente resolución espacial para simular huracanes, se deben buscar alternativas para proyectar la importancia de estos fenómenos en el clima futuro de México. Haciendo este análisis se pueden construir escenarios de cambios en la actividad de huracanes para el presente siglo que permitan contar una visión más precisa del riesgo ante cambio climático. Los objetivos de esta parte son: 1) Análisis de factores dinámicos de gran escala que pueden afectar la Génesis de Huracanes en los mares que rodean a México, y 2) Definir los escenarios de cambios en la actividad de huracanes, estimada a partir de condiciones de gran escala que pueden simular los modelos del clima.

5.1 Metodología Las limitaciones en cuanto a disponibilidad de proyecciones de actividad de huracanes bajo cambio climático han llevado a que surjan corrientes que tratan de estimar cambios en la actividad de estos eventos extremos a partir de diferentes procedimientos.

28

Considerando las experiencias obtenidas en el estudio de los escenarios de CC para ciclones tropicales, se han detectado tres alternativas:

5.1.1 Técnicas de identificación de patrones. Existen técnicas que identifican patrones en las circulaciones de escala sinóptica (Camargo et al 2007). Gran parte de las proyecciones de cambios en las características de los huracanes se centra en analizar la respuesta de estos sistemas a cambios en las SST (del orden de 1.5 a 2°C), mostrando que su intensidad puede incrementarse, es decir que la proporción de huracanes severos, que alcanzan categorías 3, 4 y 5, será mayor en un clima más cálido (Knutson y Tuleya 2004). No es claro sin embargo, si la frecuencia de huracanes aumentará y menos aun, cómo lo harán en cada región. La dificultad mayor radica en que se requiere de modelos climáticos de alta resolución para simular actividad de huracanes y su condición futura, pero ello requiere, no sólo de gran capacidad de cómputo, sino también de análisis.

5.1.2 Sembrado de perturbaciones. Algunos modelos, como el Simulador de la Tierra, desarrollado en el Instituto de Investigaciones Meteorológicas de Japón, o el PRECIS, del Hadley Center del Reino Unido, son algunos de los pocos modelos dinámicos que permiten analizar la formación de vórtices tipo huracán y sus cambios ante un escenario de calentamiento global (Fig. 4.1) (Magaña et al 2008).

a)

29

b) Fig. 5.1. Trayectorias de huracanes de acuerdo al modelo PRECIS; a) para el periodo de control (1980-1999), y b) para el periodo de proyección de cambio climático hacia finales del s. XXI bajo el escenario de emisiones A2.

Por lo anterior, algunos investigadores en el mundo han desarrollado esquemas para tratar de modelar la actividad de huracanes usando información de los modelos y escenarios presentados por el IPCC en su Cuarto Informe de Evaluación (AR4). Tal es el caso del ejercicio desarrollado por E08 para tratar de estimar cómo cambiaría la actividad de huracanes en el futuro. Aunque los resultados obtenidos tienen aún gran incertidumbre por lo que distan mucho de considerarse como contundentes, la técnica desarrollada por E08 se aplicará a los datos de los escenarios obtenidos por K08 que consideran mejor los datos oceánicos en la inicialización de sus modelos.

5.1.3 Condiciones estáticas y dinámicas de ciclo-génesis. Recientemente, Hoyos et al (2007) y Webster (2007) realizaron una revisión de las condiciones de gran escala que William Gray (1968), pionero en el estudio de estos sistemas, propuso como condiciones necesarias para la formación de huracanes en el planeta. De acuerdo a Gray (1968), algunas de las condiciones de gran escala que se deben cumplir para la formación de huracanes incluyen: 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Temperatura de Superficie del Mar > 26.5C Una cortante del viento en la vertical débil Humedad en la troposfera media Inestabilidad Convectiva Máximo de vorticidad ciclónica pre-existente Factores ocurriendo a más de 5° de latitud

Webster (2007) muestra que algunas de estas condiciones deben ser revisadas y plantea nuevos paradigmas sobre las condiciones de gran escala que se pueden considerar necesarias para la formación de ciclones tropicales. Todas la nuevas condiciones propuestas se basan en el hecho de que en los últimos cuarenta años ha habido cambios en por lo menos los puntos 1), 2) y 3), lo que lleva a que sistemáticamente se observe una tendencia a un mayor número de ciclones tropicales severos, de intensidades 3, 4 y 5 de la escala Saffir-Simpson. Obviamente, este planteamiento va mucho más allá de las

30

primeras consideraciones en materia de cambio climático que sólo consideraban cambios en las SST. Además, Webster (2007) considera que hay elementos dinámicos de gran escala relacionados con la formación de huracanes que deben ser tomados en cuenta. En particular, se encuentra que el Centro Europeo de Pronóstico a Mediano Plazo (ECMWF, por sus siglas en inglés) consigue simular huracanes con un modelo de relativamente baja resolución espacial lo que sugiere que dicha característica reside en las condiciones de gran escala. Una posibilidad es que las regiones de acumulación de energía (dU/dx < 0), en donde tiende a haber una mayor actividad de ciclones tropicales (Fig. 5.2), cambien bajo cambio climático. Por ejemplo, algunas proyecciones sugieren alisios más débiles, pero no se ha analizado su variación zonal.

Fig. 5.2 Componente Zonal del viento a 20N (línea sólida), a 10N (línea punteada) y número de tormentas tropicales (barras azul obscuro) y huracanes (barras azul claro).

Ante esto y con algunas consideraciones físicas adicionales sobre los cambios que las ondas tropicales sufren ante cambios de los vientos alisios (gradientes zonales del viento zonal), es posible estimar cambios en la actividad a partir de condiciones medias de gran escala. Es posible por tanto, revisar los criterios propuestos por Webster (2007) para estimar cómo cambiarían las condiciones de génesis de los ciclones tropicales bajo el cambio climático y comparar con algunas de las propuestas recientes (Emanuel et al, 2008). Dicho desarrollo se puede lograr a través del análisis de la base de datos de escenarios del IPCC AR4 contienen los parámetros fundamentales de superficie y algunos de altura con los cuales se pueden valorar los cambios en las condiciones ciclogenéticas como lo propone Webster (2007). En particular se puede revisar la nueva estructura de las albercas de agua caliente tropicales, los cambios en el contenido de humedad en la troposfera baja, los incrementos en temperatura que pueden afectar las condiciones de estabilidad atmosférica, las condiciones de gradientes horizontales en el campo de viento cerca de la superficie, las condiciones de vorticidad media que pueden resultar en inestabilidades del tipo inercial, y en algunos casos, la actividad de huracanes.

5.2 Discusión de la técnica dinámica

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Se discute a continuación la técnica dinámica por ser una de las consideradas para su aplicación en este estudio. Webster (2007) inició un análisis de la generación de ciclones tropicales en la parte este del Océano Pacífico con respecto a la posición del contorno que delimite en donde la vorticidad absoluta es cero, es decir, la posición del contorno

η = 0 . Cuando este contorno de vorticidad absoluta nula se encuentra fuera del

ecuador, se tiene la condición necesaria para inestabilidad inercial. Si una parcela es desplazada horizontalmente a través del flujo básico, la fuerza de flotabilidad no juega papel alguno; a este caso especial se le llama inestabilidad inercial. El criterio de inestabilidad inercial es el siguiente: sí la vorticidad absoluta del flujo tiene signo opuesto de la componente planetaria local de la vorticidad (vorticidad absoluta localmente anticiclónica) en una superficie de presión, el flujo es inercialmente inestable. La ecuación que rige este tipo de inestabilidad es:

∂ug ⎞ ⎛ dv d 2 (δy ) ⎟⎟δy = = − f ⎜⎜ f − 2 dt ∂ y dt ⎝ ⎠ Dependiendo del signo de la aceleración dv/dt, la parcela experimentara una fuerza que actúa para regresarla a su posición original o para acelerarla en la dirección del desplazamiento. Como f − ∂u g / ∂y es la vorticidad absoluta del flujo básico, se determina la existencia de estabilidad, inestabilidad o neutralidad; para el hemisferio norte, donde f es positiva, la condición para determinar la inestabilidad inercial es:

⎧> 0........estable ∂u g ⎪ f − ⎨= 0........neutral ∂y ⎪ ⎩< 0........inestable El criterio de inestabilidad inercial puede ser aplicado a regiones como el océano Pacífico del Este cuando el gradiente de presión es intenso y la vorticidad local es anticiclónica. Esto se puede ver para el verano, en la siguiente figura, donde C, P y R representan respectivamente las componentes meridionales de las fuerzas de Coriolis, gradiente de presión y la resultante de estas dos fuerzas. Considerando una parcela en balance geostrófico, al tiempo t=t1, que se encuentra localizada, justo al norte del ecuador, en una región donde η = 0 . Cuando esta parcela es desplazada hacia el norte (t=t2), la velocidad zonal cambia, pues la fuerza resultante (R>0) acelera la parcela hacia el norte. Al tiempo t=t3, la parcela alcanza el contorno η = 0 , entonces la aceleración es nula, pues las fuerzas del gradiente de presión y de Coriolis se encuentran en balance (R=0).

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η =0

Fig. 5.3 Esquema del criterio de inestabilidad

Por último, al tiempo t=t4, cuando la parcela se encuentra al norte del contorno experimenta una fuerza restauradora en sentido opuesto (R