Synchronization and interdependence between the cycles of Colombia's hydroclimatology and El Niño-Southern Oscillation

Abstract

Hydroclimatology of Colombia is highly influenced by El Niño - Southern Oscillation (ENSO), which conditions the hydrological response over Colombia, increasing (decreasing) rainfall and streamflows during La Niña (El Niño) depending on the location in the country. This dissertation presents an approach based on synchronization techniques to study the interdependence between ENSO and hydrological variables in Colombia. To that end, we use synchronization techniques such as Phase synchronization (PS) that is based on the physical properties of weakly coupled periodic oscillators, and Generalized Synchronization (GS) that is based on properties of recurrence of non-linear dynamical systems. Furthermore, we quantify interannual hydroclimatic anomalies (HyAns) using diverse methods to evaluate the sensitivity of linear and non-linear interdependence quantifiers. Our main findings reveal that: (1) we need of quantifying the uncertainty of HyAns in terms of magnitude, sign, timing, and phases of ENSO, because HyAns methods induce an important error source and bias on the interdependence analysis and modeling of climate time series; (2) We find that the positive (negative) HyAns experienced in the Pacific, the Caribbean and the Andean regions of Colombia, during La Niña (El Niño), are phase-locked with the ENSO. Moreover, we provide evidence that the ENSO signal is phase-locked with the annual cycle of rainfall in some regions of Colombia. Furthermore, other macro-climatic processes also show significant PS such as the Pacific Decadal Oscillation (PDO) and the North Atlantic Oscillation (NAO); (3) The Caribbean, the CHOCO, and the Orinoco Low-Level Jets (LLJs), and the Cross-Equatorial Flow (CEF) constitute an interdependence mechanism and contribute to explaining hydrological anomalies in Colombia during the phases of ENSO. During La Niña (El Niño), GS is strong (weak) for the Caribbean and the CHOCO LLJs whereas GS is moderate (strong) for the Orinoco LLJ. Moreover, moisture advection by the Caribbean and CHOCO LLJs exhibit synchrony with HyAns at 0 to 2 (2 to 4) month-lags over north-western Colombia and the Orinoco LLJ moisture advection synchronizes with HyAns at similar month-lags over the Amazon region of Colombia. This work provides new evidence on the non-linear interactions between hydro-climatic processes in Colombia and ENSO, and constitute an unexplored approach to the understanding of climatic anomalies in tropical South America.

La hidroclimatología de Colombia está fuertemente influenciada por El Niño - Oscilación del Sur (ENSO), el cual condiciona la respuesta hidrológica en Colombia, incrementando (disminuyendo) la lluvia y los caudales durante La Niña (El Niño) según la región de Colombia. Esta disertación presenta un enfoque basado en técnicas de sincronización para estudiar la interdependencia entre ENSO y las variables hidrológicas en Colombia. Para tal fin, usamos técnicas de sincronización tales como: Sincronización de Fases (PS) que está basada en propiedades físicas de osciladores periódicos débilmente acoplados, y Sincronización Generalizada (GS) que está basada en propiedades de recurrencia de sistemas dinámicos no-lineales. Además, cuantificamos las anomalias hidroclimáticas a escala interanual (HyAns) usando diversos métodos para evaluar la sensibilidad de los cuantificadores de interdependencia lineales y no-lineales. Nuestros principales hallazgos revelan que: (1) Es necesario cuantificar la incertidumbre de las HyAns en términos de la magnitud, signo, momento de ocurrencia y fase de ENSO porque los métodos HyAns inducen una importante fuente de error y sesgo para el análisis de interdependencia y modelación de series climáticas; (2) Encontramos que las anomalías positivas (negativas) en las regiones Pacífico, Caribe, y Andes de Colombia, durante La Niña (El Niño), están enfasadas con el ENSO. Además, presentamos evidencia que la señal de ENSO está enfasada con el ciclo anual de la lluvia en algunas regiones de Colombia. Adicionalmente, otros procesos macroclimáticos también exhiben sincronización de fase significativa tales como la Oscilación Decadal del Pacifico (PDO) y la Oscilación del Atlántico Norte (NAO); (3) La advección de humedad por las corrientes de Chorro de bajo nivel del Caribe, CHOCO y Orinoco, así como el Flujo Cruzado Ecuatorial (CEF) constituyen mecanismos de interdependencia y contribuyen a explicar las anomalías hidrológicas en Colombia durante las fases de ENSO. Durante La Niña (El Niño), GS es fuerte (débil) para las corrientes del Caribe y CHOCO mientras GS is moderada (fuerte) para la corriente del Orinoco. Además, la advección de humedad por las corrientes del Caribe y CHOCO exhiben sincronización con las anomalías con 0 a 2 (2 a 4) meses de rezago sobre el noroccidente Colombiano y la advección de humedad por la corriente del Orinoco se sincroniza con las anomalías de lluvia con tiempos de rezago similares sobre la región amazónica de Colombia. Este trabajo proporciona nueva evidencia sobre las interaciones no-lineales entre los procesos hidroclimáticos en Colombia y ENSO, y además constituye un enfoque inexplorado para el entendimiento de las anomalias climáticas en el norte de Sur America. (Texto tomado de la fuente)