MIME-Version: 1.0 Content-Type: multipart/related; boundary="----=_NextPart_01D9FECF.055F5740" Este documento es una página web de un solo archivo, también conocido como "archivo de almacenamiento web". Si está viendo este mensaje, su explorador o editor no admite archivos de almacenamiento web. Descargue un explorador que admita este tipo de archivos. ------=_NextPart_01D9FECF.055F5740 Content-Location: file:///C:/8CEA59D2/1054-RTE-35-2.htm Content-Transfer-Encoding: quoted-printable Content-Type: text/html; charset="us-ascii"
<= span lang=3DES>https://doi.org/10.37815/rte.v35n2.1054
<=
span
lang=3DES>Artículos
Metodología pa= ra localizar la Zona de Convergencia<= span style=3D'letter-spacing:-.3pt'> Intertropical usando velocidad de vi= ento
Methodology to locate the Intertropical Convergence Zone using wind velocity
Jorge Bravo1 https://orcid.or=
g/0009-0006-0466-9328, Jesus Portilla1 https://orcid.or<=
/span>g/0000-0003-4985-4325 1Escuela Politéc=
nica
Nacional, Quito, Ecuador
jdbravome@gmail.com, jesus.portilla@epn.ed=
u.ec
=
Esta obra está b=
ajo
una licencia internacional Crea=
tive
Commons Atribución-NoComercial 4.0
.
Enviado: 2023/07/15 Aceptado: 2023= /08/22 Publicado: 2023/10/15
La local=
ización de la Zona de Convergencia Intertropical =
(ITCZ) se puede establecer en funci&oacut=
e;n de
la convergencia de corrientes de vientos alisios provenientes del hemisferio
norte y sur. Esta zona tiene una gran relevancia climática pues inci=
de
directamente en la distribución de precipitaciones en las regiones
ecuatoriales y tropicales a escala global. En este trabajo se desarrolla una
metodología para localizar la ITCZ, empleando un algoritmo de
convergencia en el campo vectorial de velocidades de viento obtenido del mo=
delo
de reanálisis atmosférico ERA
Interim. Esta metodología resulta ú=
nica, pues parte de un concepto
robusto de análisis de gradientes y<=
span
style=3D'letter-spacing:-.5pt'> consigue
un rango de la localización de la ITCZ en períodos de tiempo registrados históricamente, l=
o cual
no se ha encontrado en estudios previos. La metodología consiste en =
una
serie de algoritmos individuales que permiten limpiar, segmentar y depurar =
los
datos de convergencia hasta
Palabras <=
/span>clave: vientos alisios,
ENSO, ITCZ, dinámica atmosférica, =
span>reanálisis.
The locat=
ion of the Intertropical Convergence Zone=
(ITCZ) can be established as a function
of convergence between<=
span
style=3D'letter-spacing:-.15pt'> tropical
trade winds from the Northern
and Southern Hemispheres. This zone has<=
span
style=3D'letter-spacing:-.75pt'> a great impact
on the weather since<=
span
style=3D'letter-spacing:-.75pt'> it directly affects
the distribution of precipitation in equatorial and tropical regions
on a global scale. the vector field of wind velocity obtained from<=
span
style=3D'letter-spacing:-.65pt'> the ERA Interim
reanalysis model. This methodology is unique because it relies on a robust conce=
pt of
gradient analysis and achieves a location range for ITCZ in defined
periods of time registered historically, which has not been developed in previous studies.
The methodology consists of a series of individual algorithms that a=
llow
for the cleaning, segmentation, and debugging of convergence data, until
simplified maps for visualization are obtained
using MATLAB®. The results are statistical ranges
of the location of
Keywords: trade winds, ENSO, ITCZ, atmospheric dynamics, reanalysis.
Muchas características del =
clima
tropical son manifestaciones de la convergencia dinámica <=
span
style=3D'letter-spacing:-.1pt'>y termodinámica de los hemisferios norte y sur. Esto incluye el afloramiento ecuatorial
(proceso por el cual agua fría profunda
y rica en nutrientes asciende
a la superficie), co=
nvección
troposférica profunda (fenómeno térmico que permite
el movimiento y mezcla de paquetes de aire
a diferentes alturas
de la atmósfera), una estructura compleja de corrientes oceánicas y uno de
los esquemas de viento más estables del planeta,
como lo son los vientos
alisios (Waliser & Gautier, 1993). De todos los fenómenos que caracterizan a la región tropical, la característica que
representa de forma más
clara la intersección de los dos hemisferios es la Zona de Convergencia
Intertropical, ITCZ por sus siglas en inglés, cuyo
análisis es fundamental para entender la interacción entre la temperatura superficial del<=
span
style=3D'letter-spacing:-.6pt'> océano, precipitación, <=
/span>y presión a nivel del mar.
La característica principal de la ITCZ es el alto contenido de vapor=
de
agua en el aire, el cual al ll=
egar a una mayor
altura se enfría y provoca intensas
lluvias, liberando humedad
acumulada (Wallace & Hobbs, 2006).
La<=
/span> diferencia =
span>en presió=
;n atmosférica, generada por la terrestre reciben difere=
ntes cantidades de radiaci&oacu=
te;n, esto debido a la diferencia en el á=
ngulo de incidencia, pero también al movimiento rotacional y estacional del planeta, variadas reflectividades de las superficies propias de las regiones y diversos factores
de contaminación=
. De esta manera, la temperatura en distintas latitudes también varía. La región polar se caracteriza
por ser una zona de baja temperatura y alta presión, mientras que la región ecuatorial se muestra com=
o zona
de alta temperatura y baja presión (Barry, 2003).
La diferencia de presión atmosférica y temperaturas produce una serie de patrones globales de circulación, los cuales componen el modelo de circulación atmosférica global, en el cual se establecen los ciclos de circulación como celdas de convección atmosférica. Existen tres celdas de convección atmosférica en cada hemisferio: Hadley, Ferrel y Polar (Barry, 2003).
En la
Esquema de las celdas de convección atmosférica
Encontrar la localización d= e la ITCZ y sus propiedades migratorias usando datos de viento ha representado un desafío en el pasado por varias razones. Primero, las observaciones = directas de la capa límite de vientos tropicales han sido escasas. Adicionalmente, las predicciones de rango corto, que usualmente proveen los datos para el anál= isis en predicción numérica del clima, han sido tradicionalmente m= enos exitosas en los trópicos que en las altitudes medias debido a la complejidad de la circulación tropical. Finalmente, las restriccione= s de balance aplicadas en la asimilación de datos presentaban poca información de viento del campo total de datos en los trópicos (Žagar et al., 2005). Para el estudio de la dinámica y climatología del flujo superficial en las áreas ecuatoriales,= se han empleado datos de embarcaciones, sensores superficiales y sensores de altura; posteriormente se desarrollaron los reanálisis de datos y en años recientes se han tenido observaciones continuas de vectores de viento en la superficie oceánica gracias a dispersómetros basados en espacio, particularmente el escater&oacut= e;metro (Žagar et al., 2011). Los análisis y pronósticos en los trópicos han mejorado significativamente en los últimos años, esto gracias a que se han desarrollado nuevas metodologías, más completas, que cuentan con la implementación de modelos variacionales para asimilaci= ón de datos, como los filtros de ensamble de Kalman, el 3D-Var y 4D-Var , los mismos que permiten mejorar las condiciones<= span style=3D'letter-spacing:-.1pt'> iniciales de pronóstico y su ajuste respecto al tiempo (Daescu, 2008; Houtekamer & Mitchell, 1998).
En este trabajo se propone una metodología que permita determinar la ubicación de la ITCZ mediante el análisis de los datos de velocidad del viento proporcion= ados por el Centro Europeo de Predicción del Clima de Rango Medio, ECMWF por sus siglas en inglés. Su archivo de reanálisis, ERA Interim, ha sido depurado de errores y presenta una mejor asimilación de
datos me= diante el uso de nuevos parámetros para facilitar= su procesamiento (Dee et al., 2011). Aportando con la metodología para ubicar la ITCZ se busca conseguir = un contraste a estudios previos de su localización, bifurcaciones y zon= as dobles de convergencia, y su variabilidad respecto al tiempo.
El uso acertado de la predicci&oac=
ute;n
meteorológica y datos climáticos permite una mejor
planificación para varios sectores que aprovechan el océano p=
ara
actividades económicas y permite establecer medidas preventivas cont=
ra
fenómenos naturales como El Niño-Oscilación del Sur (ENSO) (Adams et al., 1995). En estudios
anteriores se ha realizado un análisis histórico
en el cual se observa
que el desplazamiento hacia el norte de la ITCZ se ve acompañado
de gradientes zonales de temperatura que responden a la presencia de ENSO (Koutavas et al., 2006), adicionalmente se ha observado que una de las zo=
nas
de mayor dificultad para la predicción de ENSO es la zona ecuatorial=
del
Océano Pacífico este, una zona donde la ITCZ tiende a present=
ar
bifurcaciones y variabilidad anómala (Mu et al., 2014; Sulca et al.,
2018). Aunque es usual que el estudio de ENSO esté relacionado con u=
na
variación de la relación permanente que existe entre la
intensidad de los vientos alisios y la temperatura superficial del océano zonal (McPhaden et=
al.,
2006), es posible que la localización de la ITCZ presente anomalías que permitan identificar la presencia de condiciones de ENSO o brinden un parámetro
adicional para mejorar la calidad predictiva de este fenómeno=
.
Los=
datos <=
span
lang=3DES style=3D'letter-spacing:-.1pt'>empleados en este estudio permiten obtener información completa y verificada de las condiciones atmosfér=
icas,
oceanográficas y climáticas a escala global. Los modelos de
reanálisis atmosf&eacut=
e;rico consisten en una combinación de observacion=
es y medidas, con modelos
físicos de predicción meteorológica. De esta manera, se
obtiene como resultado un conjunto global de datos
con mayor consistencia y menos vacíos en el tiempo.
La mayor ventaja
de este método es que emplea
todas las variables posibles para<=
span
style=3D'letter-spacing:-.75pt'> construir un mapa global
de datos, y con
ello se consigue increme=
ntar tanto la resolución como la calidad
de las predicciones (Be=
rrisford
et al., 2011).
Para
realizar un modelo
de reanálisis
Actualmente se usan los datos de velocidad de viento a una altura
de 10m, los mismos
que se extraen de la base del ECMWF y tienen el respaldo de haber sido empleados en diversos
proyectos para monitorear el cambio climático, planteamiento de
decisiones estratégicas en indu=
stria y gobiernos, y propuestas de desarrollo de energía renovable (ECMWF, 2017). En este proyecto
se usaron principalmente datos del modelo ERA
Interim, que tienen una resolución espacial de 79 km, con intervalos
temporales de 6 horas. Adicionalmente se plantea el uso futuro
del modelo ERA 5, el cual
tiene una resolución de 31km e intervalos temporales de 3 horas y además presenta mejoras significativas en calidad de los datos gracias a los avances en el método
de reanálisis empleado por el ECMWF.
La metodología combina el análisis matemático de datos con herramientas de visualización <= /span>computacional y estadística para estimar la localización de la ITCZ en diferentes rangos de tiempo. Para el= lo se crean algoritmos independientes, funciones y herramientas visuales, y se emplea como herramienta computacional el programa MATLAB®. La metodología consta de 3 pasos: el algoritmo de convergencia del viento, la agrupación y depuración de datos de convergencia, y el análisis estadístico de la localización de la ITCZ.
Diferentes proyectos meteor= ológicos, ambientales y energét= icos han hecho uso de la ciencia de datos en combinación con modelos numéricos y da= tos satelitales para obtener resultados estadísticos (Gagne, 2016; García-Rojo, 2004).
Para desarrollar el algoritmo de
convergencia se consideran las características físicas que
constituyen a la ITCZ, las cuales indican que es el resultado de la
convergencia entre corrientes =
de viento
alisios, opuestos en sentido meridional, debido a la diferencia de presión en diferentes latitudes. Esto permi=
te
aprovechar los datos de viento (velocidad a 10m de altitud), que se observan
graficados en la Figura 2, y son provistos por los modelos de reanál=
isis
para detectar esta convergencia en la inversión del sentido de flujo=
del
viento. Esta inversión se identifica a través de un algoritmo=
de
gradiente de imagen, el cual de forma simplificada, encuentra el cambio de sentido en cada celda
de la malla donde
Campo vectorial de velocidades de viento a 10m de altitud
90
60
30
0
-30
-60
-90
<=
span
lang=3DES style=3D'font-size:3.5pt;mso-bidi-font-size:11.0pt;font-family:"A=
rial",sans-serif;
mso-hansi-font-family:"Times New Roman";mso-bidi-font-family:"Times New Rom=
an";
letter-spacing:-.5pt;mso-font-width:110%'>0 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 45 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 90
135 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 180
Longitude
225 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 270 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 315 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 360
Por
• =
Rapidez de viento menor a 10m/s.
• =
Cambio de direcci&oacut=
e;n en la velocidad, representado por=
la inversión del sentido entre celdas adyacentes de la malla
gaussiana.
El resultado del algoritmo es una = matriz de puntos de convergencia, como se puede observar en la Figura 3. Estos puntos serán el punto de partida para la agrupación y depuraci&oacut= e;n de datos.
Puntos de convergencia resultantes del=
algoritmo
30°N=
0°
30°S=
120°E
150°E
180°E
210°E
240°ELongitude
La agrupación de datos consiste en reducir la redundancia evitando perder la tendencia de los puntos de converge= ncia; es decir, se busca tener menos puntos que puedan mantener la misma información sobre la localización de la ITCZ.
Para este propósito se crea=
un
algoritmo de agrupación que busca centroides para un grupo de puntos,
que deben encontrarse dentro de una distancia máxima. La distancia máxima se
calcula dentro del algoritmo
en función de la distribución normal de la distancia entre dos puntos para
todos los datos de convergencia. Se realizan varias iteraciones de esta
agrupación, hasta que esquema
inicial, pero con una cantidad reducida de datos, como puede observa=
rse
en la siguiente Figura 4.
Resultado =
de algoritmo de agrupación de
puntos de convergencia
30°N
20°N=
10°N=
0°
10°S=
20°S=
30°S=
180°E
195°E
210°E
240°E
Longitude
255°E
Pos=
teriormente se datos, considerando una línea =
de base. Para identificar la línea de base se preseleccionan las
líneas que se encuentran en el Pacífico oriental con mayor cercanía al continente americano. Esto debido a que existe una gran influencia
de la región m=
ontañosa en los flujos
de viento de la región (Xu et al., 2005). Adicionalmente, la bifurcación =
de la ITCZ con la Zona de Convergencia del Pací=
fico Sur (SPCZ) se manifiesta en un rango de longitudes más distante al al., 2010)(Vincent, 1994).
Partir desde una longitud próxima al continente facilita la
identificación de la ITCZ en regiones de bifurcación.
Finalmente, luego de tener la línea de base como guía, es posible realizar
una conexión de líneas adyacentes, siem=
pre y cuando cumplan
el criterio de unidireccionalidad y en caso de
bifurcaciones, se una la línea que tenga mayor
proximidad dentro de un rango
predefinido bajo el cri=
terio
de distribución de distancia entre puntos. La línea obtenida =
como
localización de la ITCZ para cada intervalo de tiempo, no es de gran utilidad
por sí sola,
pues únicamente<=
span
style=3D'letter-spacing:-.75pt'> contiene datos de un tiempo
específico, por este motivo se debe agrupar de forma mensual, como se
observa en la Figura 5, para poder obtener información relevante usa=
ndo
estadística.
Visualización de líneas=
de convergencia agrupadas
para un mes
<=
!--[if gte vml 1]>20°N
10°N
0°=
10°S
<=
span
lang=3DES style=3D'font-size:5.0pt;mso-bidi-font-size:11.0pt;font-family:"A=
rial",sans-serif;
mso-bidi-font-family:"Times New Roman";letter-spacing:-.2pt'>20°S
180°E
195°E
210°E
225°E
240°E&nb=
sp; =
255°E  =
; 270°E  =
; 285°E  =
; 300°E
Longitude
Par= a realizar el análi= sis estadístico inicialmente se emplearon diagramas de cajas = con los <= span lang=3DES>datos de convergencia acumulados de forma mensual. De esta forma = se esperaba observar las zonas don= de existe acumulación de puntos en un rango bien definido. Sin embargo, la amplitud de los rangos intercuartílicos y la dispersión de datos por valores atípicos hacen que este análisis no sea tan robusto, como se puede apreciar en la siguiente figura.= span>
Diagrama <=
/span>de cajas
para un mes de datos
de convergencia acumulados
20°N
10°N=
0°
10°S=
20°S
180°E
195°E
210°E
225°E
Longitude
=
240°E
En esta sección se añ=
;ade
únicamente un diagrama de caja mensual como ejemplo. Sin embargo,
Para contrastar el análisis estadístico de los diagramas de cajas, se aplica otro método,= el cual consiste en obtener un conteo de datos en cada celda de la malla gaussian= a para períodos acumulados de tiempo. De esta manera es posible visualizar dónde e= xiste una gran acumulación de puntos y donde no hay convergencia, como se puede apreciar en la figura 7. Es también una visualización mucho más robusta de la convergencia en diferentes períodos de tiempo, pero a su vez no se consigue distinguir la= ITCZ en zonas de bifurcación= en el Océano Pacífico este. Por lo cual este paso aún se encuentra en desarrollo a fin de pulir los resultados finales.
Conteo de datos de convergencia acumulados para=
enero por 10 años
60
30
0
-30
-60
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
45 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 90
135
180
Longitude
0
=
225 &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 270&=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; 315
Mediante la distribución<= span style=3D'letter-spacing:-.75pt'> de los diagramas de cajas se visualiza, en cada mes, el rango de latitudes donde se encuentra la ITCZ, para cada intervalo de longitudes, y además las dimensiones del rango intercuartílico y el rango de límites extern= os resultan útiles como indicadores de la amplitud de la ITCZ. Como se observa en la figura 6, mientras mayor sea el rango intercuartílico (dimensión merid= ional de las cajas azules) y con ello el rango de límites externos, se interpreta = que la amplitud de la ITCZ será mayor en esa región, pues la incertidumbre en su posición es mayor.
El uso de una metodología heurística en el desarrollo del estudio permite que los resultados tengan una aproximación distinta en comparación con métodos propuestos por diferentes autores. Aunque se ha planteado anteriormente la relación de la velocidad del viento con la formación de zonas de convergencia, sobre todo estableciendo su relaci&oacut= e;n con la precipitación caracter&= iacute;stica de las mismas, no existía un método de análisis computacional que empleara es= ta variable para localizar la zona de convergencia intertropical (Back & Bretherton, 2005). También es necesario considerar que los modelos de reanálisis brindan datos más precisos y compuestos en comparación con los anteriores esquemas de predicción meteorológica, por lo cual la metodología propuesta plantea criterios robustos para estimar la convergencia y relacionarla con la ubicación de la ITCZ, reduciendo la posibilidad = de una acumulación de errores de cálculo o sesgos en los resulta= dos (Bechtold et al., 2018).
Diagr=
amas de caja acumulados para un mismo
mes en todos los años con datos disponibles en contraste con a&ntil=
de;os
con presencia de ENSO
20°N
10°N
0°=
10°S
20°S
20°N
10°N
0°=
10°S
20°S
20°N
10°N
0°=
10°S
20°S
20°N
10°N
0°=
10°S
20°S
180°E
195°E
210°E
225°E&nb=
sp; =
240°E  =
; 255°E  =
; 270°E
Longitud
285°E
Los=
diagramas de caja mensuales permiten observar que
Distribución
de mediana, rango intercuartílico y de valores
extremos.