Climatología

La climatología (del griego κλίμα, klima, "lugar, zona"; y -λογία, -logia) o ciencia del clima es el estudio científico del clima de la Tierra, típicamente definido como las condiciones climáticas promediadas durante un período de al menos 30 años. Este campo de estudio moderno se considera una rama de las ciencias atmosféricas y un subcampo de la geografía física, que es una de las ciencias de la Tierra. La climatología ahora incluye aspectos de oceanografía y biogeoquímica.

Los principales métodos empleados por los climatólogos son el análisis de las observaciones y la modelización de los procesos físicos que determinan el clima. Los principales temas de investigación son el estudio de la variabilidad climática, los mecanismos de los cambios climáticos y el cambio climático moderno. El conocimiento básico del clima se puede utilizar en el pronóstico del tiempo a corto plazo, por ejemplo, sobre ciclos climáticos como El Niño-Oscilación del Sur (ENOS), la oscilación de Madden-Julian (MJO), la oscilación del Atlántico Norte (NAO), la oscilación del Ártico (AO), la oscilación decenal del Pacífico (PDO) y la oscilación del Pacífico interdecadal (IPO).

Los modelos climáticos se utilizan para una variedad de propósitos, desde el estudio de la dinámica del tiempo y el sistema climático hasta las proyecciones del clima futuro. El tiempo se conoce como la condición de la atmósfera durante un período de tiempo, mientras que el clima tiene que ver con la condición atmosférica durante un período de tiempo prolongado o indefinido.

Historia

Los griegos comenzaron el estudio formal del clima; de hecho, la palabra clima se deriva de la palabra griega klima, que significa "pendiente", refiriéndose a la pendiente o inclinación del eje de la Tierra. Podría decirse que el texto clásico más influyente sobre el clima fue Sobre los aires, el agua y los lugares, escrito por Hipócrates alrededor del año 400 a. Este trabajo comentó sobre el efecto del clima en la salud humana y las diferencias culturales entre Asia y Europa. Esta idea de que el clima controla qué países sobresalen según su clima, o determinismo climático, siguió siendo influyente a lo largo de la historia. El científico chino Shen Kuo (1031-1095) infirió que los climas cambiaron naturalmente durante un período de tiempo enorme, después de observar bambúes petrificados encontrados bajo tierra cerca de Yanzhou (actual Yan'an, provincia de Shaanxi), un área de clima seco no apta para el crecimiento de bambú.

La invención del termómetro y el barómetro durante la Revolución Científica permitió el mantenimiento de registros sistemáticos, que comenzó entre 1640 y 1642 en Inglaterra. Los primeros investigadores del clima incluyen a Edmund Halley, quien publicó un mapa de los vientos alisios en 1686 después de un viaje al hemisferio sur. Benjamin Franklin (1706–1790) trazó por primera vez el curso de la Corriente del Golfo para utilizarlo en el envío de correo de los Estados Unidos a Europa. Francis Galton (1822-1911) inventó el término anticiclón. Helmut Landsberg (1906–1985) fomentó el uso del análisis estadístico en climatología, lo que condujo a su evolución hacia una ciencia física.

A principios del siglo XX, la climatología se centraba principalmente en la descripción de los climas regionales. Esta climatología descriptiva era principalmente una ciencia aplicada, que brindaba a los agricultores y otras personas interesadas estadísticas sobre el clima normal y las posibilidades de eventos extremos. Para hacer esto, los climatólogos tuvieron que definir un clima normal, o un promedio de clima y extremos climáticos durante un período típico de 30 años.

A mediados del siglo XX, muchas suposiciones en meteorología y climatología consideraban que el clima era aproximadamente constante. Si bien los científicos conocían cambios climáticos pasados, como las glaciaciones, el concepto de clima inmutable fue útil en el desarrollo de una teoría general de lo que determina el clima. Esto comenzó a cambiar en las décadas siguientes, y aunque la historia de la ciencia del cambio climático comenzó antes, el cambio climático solo se convirtió en uno de los temas principales de estudio para los climatólogos a partir de los años setenta.

Subcampos

Varios subcampos de la climatología estudian diferentes aspectos del clima. Hay diferentes categorizaciones de los campos en climatología. La Sociedad Meteorológica Estadounidense, por ejemplo, identifica la climatología descriptiva, la climatología científica y la climatología aplicada como las tres subcategorías de la climatología, una categorización basada en la complejidad y el propósito de la investigación. Los climatólogos aplicados aplican su experiencia a diferentes industrias, como la manufactura y la agricultura.

La paleoclimatología busca reconstruir y comprender climas pasados ​​mediante el examen de registros como núcleos de hielo y anillos de árboles (dendroclimatología). La paleotempestología utiliza estos mismos registros para ayudar a determinar la frecuencia de los huracanes durante milenios. La climatología histórica es el estudio del clima en relación con la historia humana y, por lo tanto, se enfoca solo en los últimos miles de años.

La climatología de la capa límite se preocupa por los intercambios de agua, energía y cantidad de movimiento cerca de la superficie. Otros subcampos identificados son la climatología física, la climatología dinámica, la climatología de tornados, la climatología regional, la bioclimatología y la climatología sinóptica. El estudio del ciclo hidrológico en escalas de tiempo prolongadas a veces se denomina hidroclimatología, en particular cuando se estudian los efectos del cambio climático en el ciclo del agua.

Métodos

El estudio de los climas contemporáneos incorpora datos meteorológicos acumulados durante muchos años, como registros de lluvia, temperatura y composición atmosférica. El conocimiento de la atmósfera y su dinámica también se materializa en modelos, ya sean estadísticos o matemáticos, que ayudan integrando diferentes observaciones y probando cómo encajan entre sí. El modelado se utiliza para comprender los climas pasados, presentes y futuros potenciales.

La investigación climática se ve dificultada por la gran escala, los largos períodos de tiempo y los procesos complejos que gobiernan el clima. El clima se rige por leyes físicas que pueden expresarse como ecuaciones diferenciales. Estas ecuaciones son acopladas y no lineales, por lo que se obtienen soluciones aproximadas utilizando métodos numéricos para crear modelos climáticos globales. El clima a veces se modela como un proceso estocástico, pero generalmente se acepta como una aproximación a procesos que, de otro modo, serían demasiado complicados de analizar.

Datos climáticos

La recopilación de registros largos de variables climáticas es esencial para el estudio del clima. La climatología se ocupa de los datos agregados que ha recopilado la meteorología. Los científicos utilizan observaciones directas e indirectas del clima, desde satélites de observación de la Tierra e instrumentación científica, como una red mundial de termómetros, hasta hielo prehistórico extraído de los glaciares. Como la tecnología de medición cambia con el tiempo, los registros de datos no se pueden comparar directamente. Como las ciudades son generalmente más cálidas que las áreas circundantes, la urbanización ha hecho necesario corregir constantemente los datos para este efecto de isla de calor urbano.

Modelos

Los modelos climáticos utilizan métodos cuantitativos para simular las interacciones de la atmósfera, los océanos, la superficie terrestre y el hielo. Se utilizan para una variedad de propósitos, desde el estudio de la dinámica del sistema meteorológico y climático hasta las proyecciones del clima futuro. Todos los modelos climáticos equilibran, o casi equilibran, la energía entrante como radiación electromagnética de onda corta (incluida la visible) hacia la tierra con la energía saliente como radiación electromagnética de onda larga (infrarroja) desde la tierra. Cualquier desequilibrio da como resultado un cambio en la temperatura promedio de la tierra. La mayoría de los modelos climáticos incluyen los efectos radiativos de los gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono. Estos modelos predicen una tendencia ascendente en las temperaturas de la superficie, así como un aumento más rápido de la temperatura en latitudes más altas.

Los modelos pueden variar de relativamente simples a complejos:

• Un modelo simple de transferencia de calor radiante que trata a la tierra como un solo punto y promedia la energía saliente
• esto se puede expandir verticalmente (modelos radiativos-convectivos), u horizontalmente
• Los modelos climáticos globales combinados atmósfera-océano-hielo marino discretizan y resuelven las ecuaciones completas para la transferencia de masa y energía y el intercambio radiante.
• Los modelos del sistema terrestre incluyen además la biosfera.

Además, están disponibles en diferentes resoluciones que van desde >100 km hasta 1 km. Las resoluciones altas en los modelos climáticos globales son muy exigentes desde el punto de vista computacional y solo existen unos pocos conjuntos de datos globales. Algunos ejemplos son ICON o datos reducidos mecánicamente como CHELSA (Climatologías en alta resolución para las áreas de la superficie terrestre).

Temas de investigacion

Los temas que estudian los climatólogos se dividen aproximadamente en tres categorías: variabilidad climática, mecanismos del cambio climático y cambio climático moderno.

Procesos climatológicos

Varios factores afectan el estado promedio de la atmósfera en un lugar en particular. Por ejemplo, las latitudes medias tendrán un ciclo estacional de temperatura pronunciado, mientras que las regiones tropicales muestran poca variación de temperatura a lo largo del año. Otro control importante en el clima es la continentalidad: la distancia a los principales cuerpos de agua, como los océanos. Los océanos actúan como un factor moderador, por lo que la tierra cercana a ellos suele tener inviernos suaves y veranos moderados. La atmósfera interactúa con otras esferas del sistema climático, con vientos que generan corrientes oceánicas que transportan calor alrededor del globo.

Clasificación climática

La clasificación es un aspecto importante de muchas ciencias como herramienta para simplificar procesos complicados. A lo largo de los siglos se han desarrollado diferentes clasificaciones climáticas, las primeras en la antigua Grecia. La clasificación de los climas depende de cuál sea la aplicación. Un productor de energía eólica requerirá información diferente (viento) en la clasificación que alguien interesado en la agricultura, para quien la precipitación y la temperatura son más importantes. La clasificación más utilizada, la clasificación climática de Köppen, se desarrolló a finales del siglo XIX y se basa en la vegetación. Utiliza datos mensuales de temperatura y precipitación.

Variabilidad climática

Existen diferentes modos de variabilidad: patrones recurrentes de temperatura u otras variables climáticas. Se cuantifican con diferentes índices. De la misma manera que se utiliza el promedio industrial Dow Jones, que se basa en los precios de las acciones de 30 empresas, para representar las fluctuaciones en el mercado de valores en su conjunto, los índices climáticos se utilizan para representar los elementos esenciales del clima. Los índices climáticos generalmente se diseñan con el doble objetivo de simplicidad y exhaustividad, y cada índice representa típicamente el estado y el momento del factor climático que representa. Por su propia naturaleza, los índices son simples y combinan muchos detalles en una descripción general generalizada de la atmósfera o el océano que se puede utilizar para caracterizar los factores que afectan el sistema climático global.

El Niño-Oscilación del Sur (ENOS) es un fenómeno acoplado océano-atmósfera en el Océano Pacífico responsable de la mayor parte de la variabilidad global de la temperatura, y tiene un ciclo de entre dos y siete años. La oscilación del Atlántico Norte es un modo de variabilidad que se limita principalmente a la atmósfera inferior, la troposfera. La capa de la atmósfera que se encuentra arriba, la estratosfera, también es capaz de crear su propia variabilidad, sobre todo en la oscilación de Madden-Julian (MJO), que tiene un ciclo de aproximadamente 30 a 60 días. La oscilación del Pacífico Interdecadal puede crear cambios en el Océano Pacífico y la atmósfera inferior en escalas de tiempo decenales.

Cambio climático

El cambio climático ocurre cuando los cambios en el sistema climático de la Tierra dan como resultado nuevos patrones climáticos que permanecen vigentes durante un período prolongado de tiempo. Este período de tiempo puede ser desde unas pocas décadas hasta millones de años. El sistema climático recibe casi toda su energía del sol. El sistema climático también emite energía al espacio exterior. El balance de energía entrante y saliente, y el paso de la energía a través del sistema climático, determina el presupuesto energético de la Tierra. Cuando la energía entrante es mayor que la energía saliente, el presupuesto energético de la tierra es positivo y el sistema climático se está calentando. Si sale más energía, el balance energético es negativo y la tierra se enfría. El cambio climático también influye en el nivel medio del mar.

El cambio climático moderno es impulsado por las emisiones humanas de gases de efecto invernadero provenientes de la quema de combustibles fósiles que elevan las temperaturas superficiales medias globales. Sin embargo, el aumento de las temperaturas es solo un aspecto del cambio climático moderno, que incluye cambios observados en las precipitaciones, las trayectorias de las tormentas y la nubosidad. Las temperaturas más cálidas están provocando más cambios en el sistema climático, como el derretimiento generalizado de los glaciares, el aumento del nivel del mar y los cambios en la flora y la fauna.

Diferencias con la meteorología

A diferencia de la meteorología, que se centra en los sistemas meteorológicos a corto plazo que duran unas pocas semanas, la climatología estudia la frecuencia y las tendencias de esos sistemas. Estudia la periodicidad de los fenómenos meteorológicos a lo largo de años o milenios, así como los cambios en los patrones meteorológicos medios a largo plazo, en relación con las condiciones atmosféricas. Los climatólogos estudian tanto la naturaleza de los climas (locales, regionales o globales) como los factores naturales o inducidos por el hombre que provocan cambios climáticos. La climatología considera el pasado y puede ayudar a predecir el cambio climático futuro.

Los fenómenos de interés climatológico incluyen la capa límite atmosférica, los patrones de circulación, la transferencia de calor (radiativo, convectivo y latente), las interacciones entre la atmósfera y los océanos y la superficie terrestre (en particular, la vegetación, el uso del suelo y la topografía), y la composición química y física de la atmósfera.

Uso en el pronóstico del tiempo

Una forma más complicada de hacer un pronóstico, la técnica analógica requiere recordar un evento meteorológico anterior que se espera que sea imitado por un próximo evento. Lo que la convierte en una técnica difícil de usar es que rara vez existe un análogo perfecto para un evento en el futuro. Algunos llaman a este tipo de reconocimiento de patrones de pronóstico, que sigue siendo un método útil para observar la lluvia sobre vacíos de datos como los océanos con conocimiento de cómo las imágenes satelitales se relacionan con las tasas de precipitación sobre la tierra, así como el pronóstico de la cantidad y distribución de la precipitación en el futuro. Una variación de este tema se usa en el pronóstico de mediano plazo, que se conoce como teleconexiones, cuando se usan sistemas en otras ubicaciones para ayudar a precisar la ubicación de un sistema dentro del régimen circundante. Un método para usar las teleconexiones es usar índices climáticos como los fenómenos relacionados con ENSO.