Las sequías pluviométricas flash en el mundo

267 Comunicaciones << Volver al Índice LAS SEQUÍAS PUVIOMÉTRICAS FLASH EN EL MUNDO FLASH DROUGHT WORLDWIDE Natalia Limones Rodríguez1 María Del Pilar Díaz Cuevas2 1 Departamento de Geografía Física y Análisis Geográfico Regional, Universidad de Sevilla ([email protected]) 2 Departamento de Geografía Física y Análisis Geográfico Regional, Universidad de Sevilla ([email protected]) Resumen Esta investigación presenta un marco sencillo para la caracterización histórica global de las sequías flash relacionadas con el déficit repentino de precipitaciones, avanzando en el conocimiento sobre hasta qué punto este tipo de riesgo puede describirse utilizando exclusivamente datos pentadiarios de precipitaciones. El Índice de Probabilidad de Excedencia de Sequía DEPI se aplicó a datos globales grid de precipitación correspondientes al periodo 1979-2020. Posteriormente se señalaron los aumentos bruscos en la intensidad de la sequía y se contaron por píxel para analizar la ocurrencia de sequías flash. Las autoras analizaron las características de precipitación que se asocian a una mayor incidencia de sequías pluviométricas flash para determinar si algunos regímenes de lluvia o épocas del año son más propensos al fenómeno, lo que podría ayudar a las sociedades a estar más preparadas. Se observó que los climas con marcada variabilidad de lluvia registran más sequías pluviométricas flash, especialmente cuando esa variabilidad es significativa durante las estaciones húmedas de cada lugar. Este es el caso de regiones con mecanismos erráticos de generación de precipitaciones como los climas mediterráneos o los climas monzónicos. Los episodios ocurren principalmente durante la estación húmeda del año, que es además cuando pueden producir un mayor impacto. Palabras clave: Sequías flash, Extremos de Precipitación, Patrones Espaciotemporales, Índices de Sequía Abstract This research presents a simple framework for the global historical characterization of flash droughts triggered by sudden precipitation deficits, exploring the extent to which this type of risk can be described using only pentad precipitation data. The Drought Exceedance Probability Index DEPI was applied to global precipitation grid data corresponding to the 1979-2020 period. Subsequently, abrupt increases in the intensity of the drought were recognized and counted per pixel to evaluate the occurrence of flash droughts. The authors analyzed the precipitation characteristics associated with a higher incidence of precipitation flash droughts to determine whether certain rainfall regi- 268 Comunicaciones COMUNICACIONES | XXVII Congreso de la Asociación Española de Geografía << Volver al Índice mes or times of the year are more prone to the phenomenon, which could help societies to be more prepared for such hazard. It was observed that climates with marked rainfall variability register more precipitation flash droughts, especially when this variability is significant during the wet seasons of each place. This is the case in regions with erratic precipitation generation mechanisms such as Mediterranean climates or monsoon climates. The episodes occur mainly during the wet season of the year, which is also when they can have the greatest impact. Keywords: Flash droughts, Precipitation extremes, Spatiotemporal Patterns, Drought Indices 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Estudios previos sobre sequía flash La sequía es definida por la Organización Meteorológica Mundial en el glosario online del Programa de Manejo Integrado de Sequías (IDMP) como una “marcada deficiencia de precipitación o un período de tiempo anormalmente seco, lo suficientemente prolongado para que la falta de precipitación cause un desequilibrio hidrológico”. De acuerdo con esa definición, las sequías pueden ocurrir en cualquier lugar y pueden generar impactos significativos debido a la alteración de los ritmos climáticos, de humedad y de disponibilidad de agua habituales. Debido a estos posibles impactos significativos en la agricultura, la ecología, el medio ambiente y la economía, es de gran importancia para la prevención y mitigación de desastres estudiar el comportamiento espacio-temporal y la tendencia de cambio de la ocurrencia de sequías (Yan et al., 2021). Sin embargo, las actividades socioeconómicas y el medio ambiente no solo se ven perturbados por etapas prolongadas de sequía. El desencadenamiento súbito y la intensificación anormalmente rápida de las sequías también han demostrado ser perjudiciales, especialmente para la vegetación y en concreto cuando ocurren durante su periodo de crecimiento (Li et al., 2020, Otkin et al., 2018). Estas sequías repentinas se conocen como sequías flash y no han llamado suficientemente la atención hasta los últimos años. Las investigaciones sobre sequías flash publicadas hasta la fecha han analizado la evolución a alta resolución temporal de uno o una serie de índices, basados en varios parámetros hidrometeorológicos. Estos índices incluyen en todos los casos la precipitación, pero frecuentemente también la humedad del suelo, la evapotranspiración o las temperaturas, con el fin de identificar y describir la sequía flash en un área de estudio limitada (Mo y Lettenmaier, 2016, Wang et al., 2016). En concreto, el fenómeno se ha caracterizado aplicando cálculos sencillos que reflejan el rápido declive de las variables mencionadas anteriormente (Ford y Labosier, 2017; Koster et al., 2019), de sus anomalías con respecto a los valores normales (Li et al., 2020; Yuan et al., 2018; Zhang et al., 2017), del Índice Estandarizado de Precipitación-Evapotranspiración (SPEI) (Noguera et al., 2020), así como incrementos bruscos del Índice de Estrés Evaporativo (Otkin et al., 2013, Otkin et al., 2018, Christian et al., 2019), o del Índice de Sequía de Demanda Evaporativa (Hobbins et al., 2016). 269 Comunicaciones Las sequías puviométricas flash en el mundo << Volver al Índice La mayor parte del énfasis se ha puesto en los impactos de las sequías flash sobre el agotamiento de la humedad del suelo y, por lo tanto, los índices utilizados están muy enfocados a rastrear ese aspecto. Los efectos de tales sequías sobre la propia vegetación, escorrentías, aguas subterráneas o almacenamiento superficial han recibido menos atención, aunque la propagación a esas etapas del ciclo hidrológico suele ser más sensible a déficits prolongados o al agrupamiento de varias sequías consecutivas (Van Loon, 2013). El Sistema Nacional Integrado de Información sobre Sequías de los Estados Unidos afirma en su sitio web que, a diferencia de las sequías convencionales, en las que el déficit de precipitaciones es la característica esencial, las sequías flash suelen incluir temperaturas y tasas de evapotranspiración anómalas. En consecuencia, los investigadores han definido dos categorías principales de sequías flash: las vinculadas al déficit de precipitación y las vinculadas a olas de calor, y a menudo se detectan por separado y se comparan espaciotemporalmente. Una sequía flash por ola de calor, causada por altas temperaturas, puede implicar un súbito aumento de la evapotranspiración y el agotamiento de la humedad del suelo durante un período corto. Una sequía flash ligada a un déficit de precipitación se debe a un desarrollo repentino e intensificación rápida de dicho déficit pluviométrico, pudiendo ir acompañado de un cambio brusco en evapotranspiración y temperatura (Zhang et al., 2017; Liu et al., 2020). Varios estudios se han centrado en definir hasta qué punto debe intensificarse el déficit para que una sequía se considere una sequía flash. Las definiciones de Mo y Lettenmaier (2016) indican que es preciso que se dé un período de 5 días de humedad del suelo por debajo del percentil 40, un umbral empleado y adaptado por Yuan et al. (2018) y Zhang et al. (2017). Estos autores también empezaron a usar la coincidencia de ese declive en la humedad del suelo con la existencia de anomalías en temperatura, evapotranspiración y/o precipitación para refinar la caracterización de eventos. Ford y Labosier (2017) describieron una sequía flash como una disminución de la humedad del suelo desde valores superiores al percentil 40 hasta debajo del percentil 20 durante un período de 20 días, ya que esos umbrales han demostrado ser críticos para la generación de impactos ambientales (Svoboda et al.2002). En todos los estudios mencionados, los autores coinciden en dos aspectos fundamentales para identificar las sequías flash: los episodios 1) superan una determinada tasa (velocidad) de intensificación y 2) superan un umbral de déficit bien definido para poder ser catalogados como sequías. La mayoría de las investigaciones publicadas se han aplicado a estudios de casos regionales o nacionales (Yuan et al., 2018, Wang et al., 2016, Zhang et al. 2017), mientras que el primer enfoque de caracterización cuasi global apareció en Koster et al. (2019), quienes utilizaron datos de reanálisis de humedad del suelo para definir los eventos, con el objetivo final de evaluar la contribución de las anomalías de evapotranspiración y precipitación a su desarrollo. 1.2. Objetivos y justificación Los patrones espaciotemporales de ocurrencia de sequías flash a escala global y la propensión a experimentar dichos fenómenos que registran los distintos climas no han sido suficientemente estudiados, más allá de los esfuerzos iniciales antes men- 270 Comunicaciones COMUNICACIONES | XXVII Congreso de la Asociación Española de Geografía << Volver al Índice cionados por Koster et al. (2019). Precisamente este trabajo sostuvo que el déficit de precipitación juega un papel relevante en la generación de disminuciones repentinas de la humedad del suelo. Este trabajo que presentamos aquí se basa en esta premisa, y tiene la intención de producir un marco sencillo para la caracterización histórica a escala global de las sequías flash ligadas al déficit de precipitación, en adelante abreviadas como sequías pluviométricas flash, así como presentar los resultados de esa caracterización. Por lo tanto, este documento analiza cómo se comporta el fenómeno inducido por la falta de precipitaciones, sin la participación de otros procesos y elementos del sistema hidrológico. El Índice de Probabilidad de Excedencia de Sequía, DEPI por sus siglas en inglés, se utiliza para este análisis debido a su simplicidad computacional, ya que solo requiere datos de lluvia, y porque muestra una gran capacidad para reflejar el inicio, fin, duración real e intensidad de la sequía pluviométrica (Limones et al., 2020). Las series temporales generadas del índice DEPI se examinan para determinar cuántas sequías flash se han producido en todos los píxeles de las tierras emergidas, exceptuando los desiertos, y cuándo. Además, se exploran las condiciones de lluvia asociadas a la mayor o menor incidencia de las sequías flash para determinar si algunas regiones y regímenes pluviométricos son más propensos al fenómeno. Del mismo modo, compararemos la ocurrencia de los eventos dentro del año con los regímenes de precipitación locales para comprobar si aparecen más en las estaciones húmedas o en las secas. Se analiza también la evolución temporal y las tendencias en la ocurrencia de estos fenómenos. 2. DATOS Y METODOLOGÍA 2.1. Identificación de las sequías flash Este estudio se centra en caracterizar las sequías pluviométricas flash, entendidas y medidas aquí simplemente como declives intensos y rápidos en los déficits de precipitación. - Uso de un marco conceptual simple basado en datos de precipitación Se ha demostrado que una caída repentina en los valores de precipitación, medida exclusivamente mediante la observación de índices de sequía pluviométrica, ocurre en el momento de inicio de las sequías flash identificadas por medio de otros índices más complejos, que combinan la precipitación con la evapotranspiración y otras variables relacionadas con la humedad del suelo (Chen et al., 2019; Ford y Labosier, 2017; Li et al., 2020a). Esto significa que la abrupta disminución en los índices de sequía pluviométrica se puede asociar a impactos rápidos en el suelo (Koster et al., 2019) y la salud de la vegetación, incluso si hay otros parámetros participantes o predominantes. Por otro lado, las sequías flash medidas usando exclusivamente la precipitación son fenómenos totalmente naturales, originarios, no afectados por la gestión del 271 Comunicaciones Las sequías puviométricas flash en el mundo << Volver al Índice agua, el uso de la tierra o el manejo del suelo, mientras que otros marcos de caracterización de sequías flash sí mezclan parámetros que se ven influenciados por prácticas antrópicas. Aparte de su papel central en la generación de sequías, la precipitación es casi siempre la variable con mayor variabilidad temporal de entre los posibles participantes en un índice de sequía, lo que implica que la temperatura o evapotranspiración tienen una responsabilidad más moderada en la detección desde un punto de vista estadístico (Vicente- Serrano et al., 2010; Asadi Zarch et al., 2011). - Cálculo del índice de sequía DEPI con datos pentadiarios El DEPI es un índice de sequía meteorológica basado en la acumulación de anomalías de precipitación (Limones et al., 2020), de forma similar al Índice de Precipitación Estandarizado (SPI) de McKee (McKee et al., 1995) o el derivado Índice Estandarizado de Precipitación-Evapotranspiración (SPEI) (Vicente-Serrano et al., 2010). Sin embargo, cada puntaje del DEPI representa la probabilidad empírica de exceder el nivel de sequía experimentado en ese momento o unidad de tiempo en particular (originariamente un mes concreto de la serie). Para este artículo, el índice DEPI se aplica a los datos pentadiarios de precipitación. El índice se calcula mediante las siguientes etapas sucesivas (Limones et al., 2020): En la primera etapa, se calculan las anomalías de precipitación de cada pentad de la serie (AP) utilizando la expresión: AP i =P i —P MEDi (1) Donde: P i =Precipitación del pentad I, P MEDi= Precipitación mediana del pentad en la posición i para todo el periodo de estudio, En la segunda etapa, las anomalías acumuladas de lluvia se calculan a partir del primer pentad de la serie en adelante, simplemente sumando la acumulación de las anomalías anteriores a cada nueva anomalía (APi). Sin embargo, cada vez que se encuentra una anomalía negativa (APi <0) después de una acumulación positiva de anomalías, la acumulación se reinicia en ese pentad en particular (es decir, la anomalía de lluvia acumulada de esa pentad i se vuelve igual a ese APi negativo, independientemente del montante positivo acumulado hasta el pentad anterior). Después de ese reinicio, la adición de anomalías continúa pentad por pentad de manera normal, y puede ∑volverse positiva nuevamente después de acumulaciones sucesivas. La metodología es una constante suma de excesos que termina siempre que hay una anomalía negativa, con el fin de otorgarle importancia. En consecuencia, el cálculo de esta segunda fase es: (2) Donde: = Anomalía acumulada del pentad i; r = el valor que marca el inicio de una secuencia seca y sigue la expresión: 272 Comunicaciones COMUNICACIONES | XXVII Congreso de la Asociación Española de Geografía << Volver al Índice Teniendo en cuenta que si entonces r= i y en consecuencia , marcando el inicio de una nueva secuencia seca. Finalmente, en la tercera etapa es necesario ordenar por magnitud la serie pentadiaria de anomalías acumuladas de precipitación calculadas en la etapa anterior y calcular su probabilidad empírica de excedencia, utilizando el método de Weibull: Pexced = DEPIi = M / (n + 1) (3) Donde: Pexced = probabilidad empírica de excedencia de la anomalía acumulada correspondiente al pentad i, es decir, el DEPI de la pentad i. M = posición de la anomalía acumulada del pentad i en la serie ordenada, de menor a mayor anomalía acumulada, siendo: M = 1 en la mayor anomalía acumulativa negativa (el mayor déficit observado en toda la serie); n = número total de pentads en la serie. En consecuencia, el DEPI para cada pentad es literalmente la probabilidad de excedencia atribuible a su anomalía de precipitación acumulada, calculada como se describió anteriormente. Los valores de DEPI por debajo de 0,5 indican sequías, ya que revelan pentads hasta los que se ha dado una acumulación significativa de anomalías negativas a lo largo del tiempo. Es menos probable que se superen tales déficits a medida que los valores se acercan a DEPI 0, siendo estas sequías más severas. Para un ejercicio de caracterización global de sequías flash como el que pretende esta investigación, la identificación directa e inequívoca de secuencias secas históricas, obtenidas de un solo cálculo en tres etapas del índice DEPI, es más fácil de interpretar que las series generadas con índices multiescala como el SPI o SPEI, donde aspectos importantes como el inicio o la intensidad de la sequía dependen en gran medida de la escala de acumulación. Una vez que las series de tiempo pentadiarias de precipitación bruta se convierten en series de valores de DEPI pentadiarios desde 1979 hasta 2020, es necesario identificar las sequías flash dentro de ellas. Siguiendo los umbrales y la lógica de Ford y Labosier (2017), adoptados con cambios menores por Liu et al. (2020), Yuan et al. (2018) y Zhang et al. (2017), entre otros, los criterios seleccionados para registrar el inicio de una sequía en una determinada pentad i de la serie fueron: 1. El DEPI del pentad anterior (i-1) estaba por encima del valor 0,4 (es el percentil 40 o una probabilidad empírica de exceder el nivel actual de sequía de 0,4), es decir, el pentad anterior era normal o se encontraba solo en una situación de sequía muy leve (Limones et al., 2020); 2. En el pentad i considerado, los valores de DEPI cayeron por debajo de una probabilidad de excedencia de 0,2, entrando repentinamente en niveles de sequía moderada. 273 Comunicaciones Las sequías puviométricas flash en el mundo << Volver al Índice Cada vez que esas condiciones aparecen en una serie, se cuenta una nueva sequía flash incluso si solo están separados por un pentad húmedo, situación inexistente en la serie utilizada. 2.2 Datos Los valores de precipitación diaria utilizados para calcular las agregaciones pentadiarias y para el resto de las estadísticas de precipitación se obtienen del conjunto de datos de CPC Global Unified Gauge-Based Analysis of Daily Precipitation (disponible gratuitamente en ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/cpc_global_precip/). Es un conjunto de datos climáticos que se ofrece en una cuadrícula de 0,5 ° de latitud por 0,5 ° de longitud para todos los dominios terrestres, preparado por interpolación de los valores de las observaciones de las estaciones meteorológicas. Abarca el período 1979-2020 a escala diaria (Chen et al., 2008). La extensión completa del conjunto de datos de precipitación se utilizó para el análisis, tanto espacialmente (todo el mundo, excepto las áreas desérticas) como temporalmente (todos los días desde 1979 hasta 2020), ya que su resolución y cobertura permite una caracterización histórica significativa de las sequías flash. 3. RESULTADOS: CARACTERIZACIÓN GLOBAL DE SEQUÍAS FLASH 3.1. Distribución de la incidencia de sequías flash en el globo La Figura 1 presenta el número total de sequías pluviométricas flash desde 1979 hasta 2020, mostrando las áreas donde hay una mayor propensión a estos declives repentinos en los déficits de precipitación. Hay numerosos hotspots. Especialmente significativas son los de varias partes de Australia, Irán, Pakistán, India, Bangladesh, China, las costas del Mediterráneo, varias zonas de la Comunidad de países SADC en el África Austral, sur de Chile y Argentina y norte de México. Además, varias áreas en el oeste de los Estados Unidos, Europa Central y Rusia registran conglomerados menos extensos. Figura 1. Número de sequías pluvimétricas flash por pixel de medio grado de latitud y longitud en el periodo 1979 - 2020. CPC precipitation dataset Fuente: Elaboración propia 274 Comunicaciones COMUNICACIONES | XXVII Congreso de la Asociación Española de Geografía << Volver al Índice El número total de sequías pluviométricas flash identificadas en la Figura 1 depende claramente del rigor de los umbrales utilizados para determinarlas (de un DEPI> 0,4 a un DEPI de <0,2). Obviamente, si se relajan dichos umbrales se identifican más eventos, aunque los patrones siguen siendo similares, con los hotspots en exactamente las mismas ubicaciones enumeradas. 3.2. Las características pluviométricas de las áreas más propensas Se ha calculado para cada pixel la precipitación total anual, la variabilidad de la precipitación (coeficiente de variación) para los doce meses del año, la persistencia de la precipitación mensual, las autocorrelaciones en las anomalías mensuales (precipitación menos la mediana del mes) y el índice de concentración de la precipitación, con la intención de evaluar si alguno de estos parámetros tiene alguna conexión significativa con la propensión a registrar más sequías flash. Las únicas correlaciones de Pearson significativamente diferentes de 0 son aquellas con la variabilidad de todos los meses y con combinaciones de factores de los mismos, pero solo con coeficientes de Pearson en torno a 0,3. El análisis visual de los diagramas de dispersión no reveló ninguna característica interpretable. Las correlaciones de Spearman muestran características similares. También se calcularon los regímenes de precipitación mensual promedio para todos los píxeles y se extrajeron 12 grupos (clases) de regímenes con análisis de conglomerados. Se testaron diferentes métodos para clasificar los regímenes. Estos métodos consistieron en diferentes reescalados y normalizaciones de la precipitación mensual media por píxel, como por ejemplo asignando a cada mes el porcentaje de precipitación que supone con respecto al promedio anual del píxel o asignando puntuaciones z a los valores mensuales de los píxeles. Todos los métodos dieron lugar a agrupaciones muy similares, de manera que solo presentaremos la extracción de grupos de K-medias con los promedios de los 12 meses expresados en milímetros. Se comparó el número de sequías flash registradas en las 12 clases de regímenes de precipitación. Se aplicaron la prueba unidireccional de Welch y las pruebas t por pares sin suposición de varianzas iguales, más la prueba de suma de rangos de Kruskal-Wallis, para verificar si existen diferencias entre los grupos en la forma en que experimentan las sequías flash. La Tabla 1 y la Figura 2 resumen los principales resultados. 275 Comunicaciones Las sequías puviométricas flash en el mundo << Volver al Índice Tabla 1. Resultados de las pruebas aplicadas para evaluar la similitud en la ocurrencia de sequías flash en los 12 diferentes regímenes de precipitación. Los grupos de regímenes se han extraído con los 12 promedios mensuales expresados en milímetros. Ver Figura 2 con la representación gráfica. Fuente: Elaboración propia Los resultados de la Figura 2 y la Tabla 1 confirman que las sequías flash no muestran una ocurrencia similar a lo largo de los diferentes patrones de lluvia. Los regímenes semiáridos a áridos irregulares que reciben casi la totalidad de sus precipitaciones durante ciertas estaciones son propensos a registrar más eventos (en particular los regímenes de las clases 3 y 8), mientras que los regímenes con mayores totales de precipitación y una repartición más homogénea tienden a mostrar menos (en particular los del tipo 6). Esto está de acuerdo con la poca frecuencia de rápidas intensificaciones en los déficits de humedad del suelo que registran las zonas húmedas del mundo, según Koster et al. (2019), aunque su hipótesis otorga más importancia al hecho de que las condiciones húmedas generales no permiten esos episodios, mientras que explicaremos en las próximas secciones que esto puede tener más que ver con la regularidad de la precipitación que con la abundancia.