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¿Cómo es la variabilidad de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental?

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Contenido 1. Resumen.............................................................................................................................3

2. Introducción........................................................................................................................5

3. Metodología.......................................................................................................................8

3. Resultados........................................................................................................................10

4. Discusión...........................................................................................................................12

5. Referencias.......................................................................................................................13

6. Figuras..............................................................................................................................14

7. Tablas...............................................................................................................................20

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1. ResumenLa precipitación, como parte del ciclo del agua, es la variable climática de mayor impacto en la población. Su campo medio está asociado a la provisión de agua para consumo, para la producción de alimentos y para la generación de energía, los cuales garantizan una mejor calidad de vida para la población. Su campo extremo está asociado a la ocurrencia de inundaciones y sequias, los cuales ocasionan una disminución en la calidad de vida de la población e inclusive pérdidas de vidas humanas.

En el presente trabajo se estudia la variabilidad de los regímenes de precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. La precipitación se obtiene de la base de datos del Proyecto de la Climatología Global de la Precipitación (Huffman and Bolvin. 2013), que contiene valores promedios mensuales desde enero de 1979 hasta la fecha, obtenidos de la combinación de mediciones in situ (pluviómetros) y remotas (satélites) promediadas en una cuadrícula de 2.5° de longitud y 2.5° de latitud.

Los regímenes de precipitación se obtienen aplicando el análisis de agrupamiento (Everitt et al. 2011) a las series temporales de precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental (60° - 120° Oeste, 0° - 30° Norte). La variabilidad se estudia aplicando análisis multivariable (Stephenson and Benestad. 2000). La precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, se caracteriza por 5 regímenes de lluvia que resultan de las interacciones del sistema océano – atmosfera – continente.

Los regímenes de lluvia del Pacífico Ecuatorial y el Pacífico Centroamericano resultan de las interacciones de los sistemas atmosféricos con corrientes de agua cálida (Contra-Corriente Ecuatorial, Nor-Corriente Ecuatorial, Corriente El Niño) del Pacífico Oriental Tropical, cordillera de Los Andes y selva del Amazonas. El régimen de lluvia del Pacífico del Norte de México resulta de las interacciones de los sistemas atmosféricos con corriente de agua fría (Corriente de California), semi-desierto de la Península de Baja California y desiertos de Sonora y Arizona. Los regímenes de lluvia del Golfo de México y Atlántico Occidental Tropical resultan de las interacciones de los sistemas atmosféricos con corriente de agua cálida (Corriente del Golfo), sierras Madre Occidental y Oriental de México y humedales de la Península de Florida.

La variabilidad inter-mensual de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, en los meses de mayor precipitación (mayo, junio, julio, agosto, septiembre, octubre, noviembre) se caracteriza por máximos sobre la selva del Amazonas, la corriente del Niño (bahía de Panamá) y sobre la zona de generación de tormentas del Pacífico Oriental Tropical y por mínimo sobre la lengua de agua fría del Ecuador Geográfico y en los meses de menor precipitación (diciembre, enero, febrero, marzo, abril) se caracteriza por máximo

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sobre la Zona de Convergencia Intertropical y mínimo sobre el istmo de Tehuantepec y la corriente Nor-Ecuatorial.

La variabilidad inter-anual de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, en los años de mayor precipitación (1988, 1999) se caracteriza por máximo sobre la Zona de Convergencia Intertropical y mínimo sobre el Atlántico Occidental Tropical y en los años de menor precipitación (1982, 1997) se caracteriza por máximo sobre la zona de generación de tormentas del Pacífico Oriental Tropical y mínimo sobre el Pacífico Oriental Ecuatorial.

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2. IntroducciónLa precipitación, como parte del ciclo del agua, es la variable climática de mayor impacto en la población. Su campo medio está asociado a la provisión de agua para consumo, para la producción de alimentos y para la generación de energía, los cuales garantizan una mejor calidad de vida para la población. Su campo extremo está asociado a la ocurrencia de inundaciones y sequias, los cuales ocasionan una disminución en la calidad de vida de la población e inclusive pérdidas de vidas humanas.

Al aplicar el Análisis de Componentes Principales a 6 variables climáticas (temperatura del agua y del aire, componente zonal y meridional del viento, presión atmosférica y cobertura de nubosidad), en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, se obtiene que la Componente Principal 1 (uno), representa el 79% de la varianza total. Además la correlación entre la Componente Principal 1 (uno) y la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental es 94% (Figura 1).

Las relaciones de la variabilidad inter-mensual e inter-anual de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental con sistemas atmosféricos locales, tele-conexiones de sistemas atmosféricos regionales y regímenes de lluvia han sido estudiadas anteriormente.

Por medio de simulaciones y observaciones se investigó el impacto de la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental en el Atlántico en el clima de verano del Hemisferio Occidental. La Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental está conformada por el Pacífico Ecuatorial, Pacífico de Centroamérica, Pacífico de México, Mar de Cortés, Golfo de México, Mar Caribe y Atlántico de Estados Unidos.

Al Noreste se localiza el Centro de Alta Presión Sub-tropical del Atlántico Norte responsable de los Vientos Alisios. Los vientos alisios transportan humedad del Atlántico Tropical del Norte hacia el Mar Caribe, donde aumenta su rapidez formando el Flujo Acelerado de Bajo Nivel del Mar Caribe el cual se divide en dos ramales, uno se dirige hacia el Norte para conectarse con el Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras y el otro se dirige hacia el Oeste para atravesar Centroamérica y llegar al Pacífico Oriental Tropical.

Los Vientos Alisios y su transporte de humedad hacia el Oeste son máximos en invierno y verano y mínimos en primavera y otoño. Este comportamiento está relacionado a la variabilidad inter-mensual de la presión atmosférica en el Mar Caribe debido a la extensión hacia el Oeste y contracción hacia el Este del centro de Alta Presión Subtropical del Atlántico Norte.

En verano la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental en el Atlántico, debilita el Centro de Alta Presión del Atlántico Subtropical del Norte y fortalece el Centro de Baja

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Presión Continental de Norteamérica. En respuesta a estos cambios en la presión atmosférica el Flujo Acelerado de Bajo Nivel del Mar Caribe y su transporte de humedad se debilita. Como resultado de lo anterior aumenta la convergencia de humedad e intensifica la lluvia en el Mar Caribe. También debilita el Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras pero no su transporte de humedad debido a su gran aporte de humedad específica.

En otoño el debilitamiento del Flujo Acelerado de Bajo Nivel del Mar Caribe disminuye la convergencia de humedad y reduce la lluvia en el Pacífico Oriental Tropical al Oeste de Centroamérica y el transporte de humedad hacia el Norte disminuye por el debilitamiento del Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras. Entre Agosto – Octubre la Piscina de Agua cálida del Hemisferio Occidental reduce el gradiente vertical de la rapidez del viento en la principal región de formación y desarrollo de huracanes (Wang, Ch., Lee, S., Enfield, D. B. 2007).

Por medio de observaciones, simulaciones y escenarios se investigó la variabilidad en verano de la circulación atmosférica de bajo nivel y precipitación sobre el Centro de Estados Unidos. Las conexiones entre la temperatura en la superficie del mar, la circulación atmosférica de bajo nivel y la variabilidad de la precipitación fueron investigadas considerando el Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras y los modos recurrentes de la variabilidad de la temperatura en la superficie del mar.

Las conexiones son examinadas por medio de regresiones entre el Índice del Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras, precipitación, temperatura en la superficie del mar y campos de la circulación atmosférica de gran escala. Características de la circulación de bajo nivel y precipitación sobre el Centro de Estados Unidos son examinadas en mayor detalle con escenarios forzados con los modos recurrentes de la variabilidad de la temperatura en la superficie del mar.

Se encontró que las correlaciones en verano (Julio – Septiembre) del Índice del Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras, temperatura en la superficie del mar del Pacífico y Atlántico, campos de la circulación atmosférica de gran escala y la variabilidad de la precipitación sobre las grandes llanuras son robustas y muestran conexiones con un patrón de escala global de la variabilidad de la temperatura en la superficie del mar, similar a uno de los modos recurrentes y con una anomalía de la presión atmosférica del Atlántico Sub-tropical con máximo en el Golfo de México. El escenario más influyente para determinar cuando ocurren los máximos en el ciclo estacional de Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las Grandes Llanuras y de precipitación, es un Pacífico caliente y/o un Atlántico frio.

Además se encontró que cuanto mayor es la anomalía de la temperatura en la superficie del mar en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, mayor es la anomalía de la circulación atmosférica de bajo nivel y por ende la variabilidad inter-anual del Flujo

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Acelerado de bajo Nivel de las Grandes Llanuras (Weaver, S. J., Schubert, S., Wang, H. 2009).

Por medio de simulaciones de un modelo lagrangiano de dispersión y transporte se investigó la contribución de la Piscina de Agua Cálida del hemisferio Occidental como fuente de humedad para la precipitación en regiones del Hemisferio Norte. Para identificar la contribución de una región como fuente de humedad para la precipitación en otras regiones, se analizaron los cambios en la humedad específica de parcelas de aire durante 10 días en su recorrido desde el origen hasta su destino.

El análisis comprendió todas las parcelas de aire sobre la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, definida por la isoterma de 28.5° C, y los promedios mensuales de las condiciones atmosféricas de mayo a octubre.

Los resultados muestran que la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental es una importante fuente de humedad para Norteamérica a partir de junio, cuando las aguas cálidas se extienden al Atlántico y el transporte de humedad puede aumentar por el Flujo Acelerado de Bajo Nivel de las grandes Llanuras. Durante el verano (julio – septiembre) el transporte de humedad se extiende hasta Europa Occidental, probablemente por el Centro de Alta Presión Sub-tropical del Atlántico Norte.

Las simulaciones del modelo lagrangiano son comparables a las observaciones de patrones de precipitación, confirmando que la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental es una importante fuente de humedad para los regímenes de lluvia de América del Norte Oriental, Atlántico Norte y la Zona de Convergencia (Drumond, A., Nieto, R., Gimeno, L. 2011).

En el presente trabajo se estudia la variabilidad de los regímenes de precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. La precipitación se obtiene de la base de datos del Proyecto de la Climatología Global de la Precipitación (Huffman and Bolvin. 2013), que contiene valores promedios mensuales desde enero de 1979 hasta la fecha, obtenidos de la combinación de mediciones in situ (pluviómetros) y remotas (satélites) promediadas en una cuadrícula de 2.5° de longitud y 2.5° de latitud. Los regímenes de precipitación se obtienen aplicando el análisis de agrupamiento (Everitt et al. 2011) a las series temporales de precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental (60° - 120° Oeste, 0° - 30° Norte). La variabilidad se estudia aplicando análisis multivariable (Stephenson and Benestad. 2000).

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3. MetodologíaLa matriz de precipitación la representaremos como:

𝑋"# =𝑥&& ⋯ 𝑥&(⋮ ⋱ ⋮𝑥+& ⋯ 𝑥+(

Donde cada renglón:

𝑥"# = 𝑥"#, … , 𝑥"(

Es la serie temporal de las mediciones de precipitación en la localización 𝑠.

Y cada columna:

𝑥"# =

𝑥"#...𝑥+#

Es el mapa de las mediciones de precipitación en el mes 𝑡.

Los regímenes de precipitación se obtuvieron calculando la distancia entre localizaciones:

𝑑2,3 = 𝑥2,# − 𝑥3,# = 𝑥2,# − 𝑥3,#5

#6(

#6&

Que permite agruparlas de forma jerárquica, midiendo la distancia con base a la correlación y calculándola con el método de promedio pesado.

La variabilidad se estudió con las Funciones Empíricas Ortogonales las cuales se obtienen aplicando el algoritmo Descomposición de Valores Singulares (SVD) a la matriz de precipitación sin tendencia constante:

𝑋"# = 𝑋"# −1𝑇 𝑋"#

#6(

#6&

𝑋"# = 𝑈𝑊𝑉(

Dónde:

𝑋"#: Matriz de precipitación sin tendencia constante;

𝑊: Matriz diagonal con los Valores Singulares en la diagonal;

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𝑈 𝑉: Matrices ortogonales con los Vectores Singulares en las columnas.

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3. ResultadosAl aplicar el Análisis de Grupos a la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, se obtienen los regímenes de lluvia: I. Pacífico Ecuatorial y Norte de Suramérica; II. Pacífico Centroamericano, Centroamérica y Mar Caribe; III. Pacífico Mexicano, Península de Baja California y Mar de Cortes; IV. Golfo de México y Península de Florida; V. Atlántico Occidental Tropical (Figura 2).

Los regímenes de lluvia en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental se caracterizan por una precipitación anual de: 1,686 ± 426 mm/año (I.); 1,534 ± 858 mm/año (II.); 215 ± 244 mm/año (III.); 955 ± 306 mm/año (IV.); 915 ± 267 mm/año (V.). Los valores atípicos de precipitación se observaron en la estación lluviosa de cada uno de los regímenes: Abril – Julio (I.); Junio – Septiembre (II.); Julio – Agosto (III.); Junio – Septiembre (IV.); Mayo, Septiembre – Noviembre (V.) (Figura 3 y Tabla 1).

Al aplicar el Análisis de Componentes Principales a los regímenes de lluvia en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental se obtiene que la precipitación en el régimen I. tiene una correlación de 28% con el Componente Principal 1 (64% de la varianza total) y 95% con el Componente Principal 2 (20% de la varianza total), mientras que la precipitación en el régimen II. tiene una correlación de 89% con el Componente Principal 1 y -20% con el Componente Principal 2. Por otra parte la anomalía de la precipitación en el régimen I. tiene una correlación de 93% con el Componente Principal 1 (34% de la varianza total) y -37% con el Componente Principal 2 (23% de la varianza total), mientras que la anomalía de la precipitación en el régimen V. tiene una correlación de 34% con el Componente Principal 1 y 82% con el Componente principal 2 (Figura 4).

Los Coeficientes de la Función Empírica Ortogonal 1 de la precipitación, que representan el 50% de la variabilidad inter-mensual, reflejan la distribución espacial en los meses de mayor precipitación cuando los Centros de Alta Presión del Pacífico y Atlántico Norte se contraen, la Zona de Convergencia Intertropical se activa y el flujo del Sur la desplaza hacia el Norte (condición monzónica). Los Coeficientes de la Función Empírica Ortogonal 2 de la precipitación, que representan el 10% de la variabilidad inter-mensual, reflejan la distribución espacial en los meses de menor precipitación cuando los Centros de Alta Presión del Pacífico y Atlántico Norte se expanden, la Zona de Convergencia Intertropical se desactiva y el flujo del Norte la desplaza hacia el Sur (Figura 5).

Los coeficientes de la Función Empírica Ortogonal 1 de la anomalía de la precipitación, que representan el 12% de la variabilidad inter-anual, reflejan la distribución espacial de la precipitación en los años de mayor precipitación cuando El Niño/Oscilación del Sur está en fase fría y la Oscilación del Atlántico Norte está en fase cálida. Los coeficientes de la Función Empírica Ortogonal 2 de la anomalía de la precipitación, que representan el 10% de la variabilidad inter-anual, reflejan la distribución espacial de la precipitación

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en los años de menor precipitación cuando El Niño/Oscilación del Sur está en fase cálida y la Oscilación del Atlántico Norte está en fase fría (Figura 6).

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4. DiscusiónLa precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, se caracteriza por 5 regímenes de lluvia que resultan de las interacciones del sistema océano – atmosfera – continente. Los regímenes de lluvia del Pacífico Ecuatorial y el Pacífico Centroamericano resultan de las interacciones de los sistemas atmosféricos con corrientes de agua cálida (Contra-Corriente Ecuatorial, Nor-Corriente Ecuatorial, Corriente El Niño) del Pacífico Oriental Tropical, cordillera de Los Andes y selva del Amazonas. El régimen de lluvia del Pacífico del Norte de México resulta de las interacciones de los sistemas atmosféricos con corriente de agua fría (Corriente de California), semi-desierto de la Península de Baja California y desiertos de Sonora y Arizona. Los regímenes de lluvia del Golfo de México y Atlántico Occidental Tropical resultan de las interacciones de los sistemas atmosféricos con corriente de agua cálida (Corriente del Golfo), sierras Madre Occidental y Oriental de México y humedales de la Península de Florida.

Los ciclos anuales de los 5 regímenes de lluvia se caracterizan por: mínimo en la precipitación en enero (Pacífico Ecuatorial), marzo (Pacífico Centroamericano), abril (Golfo de México), mayo (Pacífico Mexicano) y julio (Atlántico Occidental); incremento en la precipitación hasta un primer máximo en mayo (Pacífico Ecuatorial, Atlántico Occidental), junio (Pacífico Centroamericano, Golfo de México), julio (Pacífico Mexicano); segundo máximo en septiembre (Pacífico Centroamericano, Pacífico Mexicano, Golfo de México), octubre (Atlántico Occidental).

La variabilidad inter-mensual de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, en los meses de mayor precipitación (mayo, junio, julio, agosto, septiembre, octubre, noviembre) se caracteriza por máximos sobre la selva del Amazonas, la corriente del Niño (bahía de Panamá) y sobre la zona de generación de tormentas del Pacífico Oriental Tropical y por mínimo sobre la lengua de agua fría del Ecuador Geográfico y en los meses de menor precipitación (diciembre, enero, febrero, marzo, abril) se caracteriza por máximo sobre la Zona de Convergencia Intertropical y mínimo sobre el istmo de Tehuantepec y la corriente Nor-Ecuatorial.

La variabilidad inter-anual de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental, en los años de mayor precipitación (1988, 1999) se caracteriza por máximo sobre la Zona de Convergencia Intertropical y mínimo sobre el Atlántico Occidental Tropical y en los años de menor precipitación (1982, 1997) se caracteriza por máximo sobre la zona de generación de tormentas del Pacífico Oriental Tropical y mínimo sobre el Pacífico Oriental Ecuatorial.

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5. ReferenciasDrumond, A., Nieto, R., Gimeno, L., 2011: On the contribution of the Tropical Western Hemisphere Warm Pool source of moisture to the Northern Hemisphere precipitation through a Lagrangian approach. Journal of Geophysical Rresearch. Volume 116. D00Q04. DOI: 10.1029/2010JD015397.

Everitt, B. S., Landeu, S., Leese, M., Stahl, D., 2011: Cluster analysis. Wiley series in probability and statistics. 5th edition.

Huffman, G. J. and Bolvin, D. T., 2013: GPCP Version 2.2 SG Combined Precipitation Data Set Documentation. NASA Goddard Space Flight Center, Mesoscale Atmospheric Processes Laboratory and Science Systems and Applications, Inc.

Stephenson, D. B., Benestad, R. E., 2000: Environmental statistics for climate researchers. Department of Meteorology University of Reading. Norwegian Meteorological Institute.

Wang, Ch., Lee, Sang-ki, Enfield, D., B., 2007: Impact of the Atlantic Warm Pool on the Summer Climate of the Western Hemisphere. American meteorological Society, Journal of Climate. Volume 20. 5021 – 5040 pp. DOI: 10.1175/JCLI4304.1.

Weaver, S. J., Schubert, S., Wang, H., 2009: Warm Season Variations in the Low-Level Circulation and Precipitation over the Central United States in Observations, AMIP Simulations, and Idealized SST Experiments. American Meteorological Society. Journal of Climate. DOI: 10.1175/2009JCLI2984.1.

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6. Figuras

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Figura 1. Análisis de Componentes Principales de variables climáticas en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. A) Diagrama Pareto de la varianza. B) Serie temporal de la Componente Principal 1 y de la precipitación sin tendencia constante.

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Figura 2. Análisis de Grupos de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. A) Dendrograma de los regímenes de lluvia. B) Mapa de los regímenes de lluvia.

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Figura 3. Precipitación de los regímenes de lluvia en la Piscina de Agua cálida del Hemisferio Occidental. A) Diagramas de cajas de la precipitación. B) Ciclos anuales de la precipitación.

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Figura 4. Regímenes de precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. A) Diagrama Componente Principal 1 – Componente Principal 2 de la precipitación. B) Diagrama Componente Principal 1 – Componente Principal 2 de la anomalía de la precipitación.

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Figura 5. Función Empírica Ortogonal 1 y 2 de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. A) Mapa del 50% de la variabilidad inter-mensual. B) Mapa del 10% de la variabilidad inter-mensual.

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Figura 6. Función Empírica Ortogonal 1 y 2 de la anomalía de la precipitación en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. A) Mapa del 12% de la variabilidad inter-anual. B) Mapa del 10% de la variabilidad inter-anual.

7. TablasRegímenes Mediana

(mm/día) Rango inter-cuartil

(mm/día) Valores atípicos

Pacífico Ecuatorial 4.7 2.4

Mayo, 1983 Junio, 1983 Abril, 1998 Mayo, 1998 Junio, 1998 Mayo, 2011 Mayo, 2014

Pacífico Centroamericano 4.2 4.8 Pacífico Mexicano 0.6 1.4 Septiembre, 2014

Golfo de México 2.7 1.7 Septiembre, 1998 Septiembre, 2002

Atlántico Occidental 2.5 1.5 Septiembre, 1999

Mayo, 2007 Octubre, 2012

Tabla 1. Precipitación de los regímenes de lluvia en la Piscina de Agua Cálida del Hemisferio Occidental. La mediana es el percentil 50 (𝑞5). El rango inter-cuartil es el percentil 75 menos el percentil 25 (𝑞= − 𝑞&). Los valores atípicos son menores que percentil 25 menos 1.5 veces el rango inter-cuartil (𝑞& − 1.5 ∗ 𝑞= − 𝑞& ) o mayores que el percentil 75 más 1.5 veces el rango inter-cuartil (𝑞= + 1.5 ∗ 𝑞= − 𝑞& ). Base de Datos: Proyecto Climatología de la Precipitación Global (GPCP). Intervalo de tiempo: Enero, 1979 – Diciembre, 2014.

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