Adrián Pedrozo Acuña. Coordinador de Hidráulica del II UNAM.
Coautores: Víctor H. Alcocer Yamanaka, Roberto A. Real Rangel, Alfredo Ocón Gutiérrez y Agustín Breña Naranjo.
En este artículo se presenta el resultado de un esfuerzo conjunto entre el Instituto de Ingeniería de la UNAM y la Conagua para la producción de una herramienta de observación de la sequía con alcance nacional, complementaria del monitor del Servicio Meteorológico Nacional para la observación de este fenómeno en México con datos provenientes de sistemas de percepción remota. Con este esfuerzo, se dota a México de herramientas de observación modernas como las que ya se tienen en otras regiones del mundo.
La sequía es un fenómeno climático natural que se manifiesta como un periodo de déficit de agua cuya duración es suficientemente prolongada para causar desequilibrios hidrológicos significativos (AMS, 2016).
Los principales sectores económicos afectados durante un periodo de déficit de agua son agricultura y ganadería, energía e industria, abastecimiento público de agua y calidad del agua. Sin embargo, también existen repercusiones intangibles cuya cuantificación económica es compleja, como daños a los ecosistemas acuáticos y terrestres, degradación del suelo, incendios forestales, menor calidad del aire, deterioro a la salud humana e incluso conflictos sociales (Stahl et al., 2016).
Durante los últimos 20 años, las sequías han provocado pérdidas económicas anuales de 5,000 millones de dólares en el mundo y aproximadamente 1,100 millones de personas afectadas, de las que 22,000 han sido víctimas fatales. En México, la última sequía de gran magnitud sucedió durante el periodo 2011-2013; sus efectos llegaron al 90% del territorio y provocaron pérdidas materiales estimadas en 150,000 millones de pesos, lo que la convierte en la más severa sequía en los últimos 70 años (Conagua, 2014). Es por ello que la evaluación de la sequía es de gran importancia para la planeación y gestión de los recursos hídricos. De hecho, al comienzo de la década pasada se identificó la necesidad de generar herramientas de monitoreo y evaluación de la sequía (Svobova et al., 2002).
Históricamente, el monitoreo de la sequía se realiza con base en observaciones puntuales de pluviómetros y estaciones hidrométricas. Sin embargo, existen en el mundo muchas áreas que no se encuentran bien instrumentadas, o en las que la cantidad de datos no es suficiente para definir los indicadores necesarios con los cuales identificar la sequía de una forma adecuada. Mientras tanto, en otras regiones existen estaciones climáticas con diferencias en su longitud de registro y con una calidad de información variada, lo que hace de la evaluación consistente de la sequía con observaciones terrestres un reto significativo (AghaKouchak y Nakhjiri, 2012).
Con el creciente desarrollo de las misiones de satélite de las agencias espaciales de Estados Unidos y de la Comunidad Europea, desde hace años se ha abierto una puerta a la utilización de percepción remota para la observación de variables hidroclimáticas relacionadas con el monitoreo de la sequía en todo el mundo, desde la precipitación (Sorooshian et al., 2011) y la humedad del suelo (Cashion et al., 2005) hasta la evapotranspiración (Anderson et al., 2011). De hecho, recientemente se han propuesto herramientas para el monitoreo y predicción de la sequía con base en sistemas de percepción remota satelital (AghaKouchak et al., 2015) y de asimilación de datos (Hao et al., 2014). La principal ventaja de utilizar este tipo de herramientas es que la información existente en esas bases de datos ha pasado por procesos de validación y controles de calidad, lo cual reduce la probabilidad de encontrar inconsistencias durante el procesamiento de datos y la estimación de índices de sequía (Damberg y AghaKouchak, 2014). A pesar de que esta información es de libre acceso al público, su uso para fines de monitoreo y predicción de sequía ha sido poco explorado. Es importante mencionar que existe una tendencia global a mejorar el monitoreo de las condiciones de la sequía en tiempo real o cuasirreal (Sheffield et al., 2014; Hao et al., 2014).
Históricamente, el monitoreo de la sequía se realiza con base en observaciones puntuales de pluviómetros y estaciones hidrométricas. Sin embargo, existen en el mundo muchas áreas que no se encuentran bien instrumentadas, o en las que la cantidad de datos no es suficiente para definir los indicadores necesarios con los cuales identificar la sequía de una forma adecuada.
En este contexto, a fin de identificar de una manera objetiva la severidad de la sequía en nuestro país, el Instituto de Ingeniería de la UNAM en colaboración con la Comisión Nacional del Agua (Conagua), a través de su Subdirección General Técnica, impulsaron un esfuerzo conjunto para la producción de una herramienta de observación de la sequía con alcance nacional, que integra información de indicadores univariados tradicionales (por ejemplo, el Índice Estandarizado de Precipitación, SPI) y nuevos indicadores multiparamétricos basados en nuevas fuentes de información.
En este artículo se presenta el resultado de dicha iniciativa complementaria del Monitor de Sequía del Servicio Meteorológico Nacional (SMN) para la observación de este fenómeno en México con datos provenientes de sistemas de percepción remota (Houbourg et al., 2012; Mu et al., 2013; Thomas et al., 2014). Con este esfuerzo, se dota a México de herramientas de observación modernas como las que ya se tienen en otras regiones del mundo.
Evolución de la monitorización de la sequía
La monitorización de la sequía consiste en la recolección y análisis de datos, el desarrollo de productos (por ejemplo, índices) y su comunicación a la sociedad. En los últimos 15 años se ha observado en distintas partes del mundo la proliferación de una serie de herramientas que tienen por objeto llevar a cabo el análisis de las condiciones de humedad en escala local, regional y global, y hacer públicos sus resultados. Entre algunos de los ejemplos más destacables están el Monitor de Sequía de Estados Unidos (Svoboda et al., 2002), el Observatorio Europeo de Sequía (Sepulcre-Canto et al., 2012) y el Monitor Africano de Inundación y Sequía (Sheffield et al., 2014).
Por su parte, nuestro país cuenta con el Monitor de Sequía en México (MSM) desarrollado por el SMN, que publica las condiciones de déficit de humedad predominantes y forma parte del Monitor de Sequía de Norteamérica (North America Drought Monitor, NADM; Lawrimore et al., 2002). Este esfuerzo tiene su base metodológica en aquélla definida para el monitor de sequía norteamericano, la cual parte de la obtención e interpretación de diversos índices de sequía e incorpora la opinión de expertos locales para definir las regiones afectadas por ella.
En las últimas décadas, las técnicas e instrumentos de percepción remota han resuelto la limitante en cantidad y homogeneidad espacial de la información por medio del refinamiento de la resolución espacial y temporal de los diversos conjuntos de datos. El Observatorio de Sequía II UNAM-Conagua tiene su base en el empleo de este tipo de información.
A pesar de que el sistema se basa en esta metodología robusta, en el caso de México los registros de lluvia y escurrimiento disponibles para su implementación son escasos, o incluso inexistentes en algunas regiones del país. En la figura 1 se presenta un mapa de estaciones climatológicas a lo largo del territorio nacional utilizadas para generar los del MSM (aproximadamente 364 estaciones), donde se hace evidente la falta de homogeneidad espacial en la cobertura. Diversos organismos internacionales han señalado que esta limitante en cantidad y homogeneidad espacial de la información redunda en una incertidumbre considerable en los resultados espaciales que se derivan de ésta.
Figura 1. Estaciones climatológicas utilizadas en el actual Monitor de Sequía del SMN.
En las últimas décadas, las técnicas e instrumentos de percepción remota han resuelto esta limitante por medio del refinamiento de la resolución espacial y temporal de los diversos conjuntos de datos, por lo que existe en el mundo un creciente impulso en su utilización para propósitos de monitorización de variables hidrológicas. Estos datos públicos tienen la virtud adicional de ser sometidos a procesos de validación y control de calidad, lo que reduce la probabilidad de encontrar inconsistencias para la estimación de índices de sequía (Damberg y AghaKouchak, 2014).
El Observatorio de Sequía II UNAM-Conagua tiene su base en el empleo de este tipo de información, conjuntos de datos mallados del Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications versión 2 (MERRA-2; Rienecker et al., 2011). MERRA-2 es un producto de reanálisis que aprovecha información de distintas fuentes de percepción remota usando la más reciente versión del modelo Goddard Earth Observing System (GEOS-5) y su sistema de asimilación de datos (DAS) para reproducir los procesos de la superficie terrestre.
El reanálisis combina campos generados por modelaciones con observaciones de distribuciones espacial y temporal irregulares para formar un conjunto de datos meteorológicos mallados (Bosilovich et al., 2016). En particular, se utiliza el producto de reanálisis MERRA-Land 2, que consiste exclusivamente en el componente terrestre de MERRA-2, esto es, el resultado de la aplicación de MERRA-2 desacoplado del modelo atmosférico para generar campos de hidrología terrestre. Los datos de MERRA-2 abarcan un periodo de 37 años, desde enero de 1980 hasta la fecha, y se actualizan de manera mensual; están disponibles de manera gratuita a través del sitio web del Centro Goddard de Datos de Ciencias de la Tierra y Servicios de Información de la NASA (GES DISC; http://disc.sci.gsfc.nasa.gov). El empleo de este tipo de información permite generar una herramienta para la monitorización de la sequía en el plano nacional sin huecos espaciales.
Nuevos índices multivariados para la identificación de la sequía
Un paso adicional del marco de trabajo que se desarrolló para la generación del Observatorio de Sequía II UNAM-Conagua consiste en la incorporación de índices multivariados que consideran la probabilidad conjunta de déficit o superávit en pares o triadas de variables hidrológicas. Esta metodología tiene su base en el recientemente propuesto Índice Estandarizado Multivariado de Sequía (MSDI; Hao y AghaKouchak, 2014 y 2013).
Esta evolución hacia índices que consideran más de una variable se dio como resultado de los señalamientos de diversos autores que demuestran que el análisis univariado resulta insuficiente para describir todos los aspectos del inicio, persistencia y terminación de un evento de sequía (AghaKouchak, 2015; Dracup et al., 1980; Hao y AghaKouchak, 2013; Kao y Govindaraju, 2010).
La sequía es un fenómeno que se manifiesta en diversas etapas del ciclo hidrológico (Van Loon, 2013) y que varía desde la falta de agua de lluvia, conocida como sequía meteorológica, hasta el déficit en el contenido de humedad del suelo que limita la cantidad de agua disponible para la vegetación y la producción agrícola, y da lugar a la sequía agrícola. Si las condiciones de déficit de lluvia persisten, el flujo superficial y subsuperficial que escurre hacia cauces y cuerpos de agua se verá reducido, afectará los ecosistemas acuáticos y los niveles de almacenamiento, y generará la sequía hidrológica. Una vez que esta reducción en la cantidad de agua produce el abatimiento de los niveles piezométricos en acuíferos, se produce la sequía hidrogeológica. Por último, cuando cualquiera de las categorías de sequía definidas genera pérdidas económicas o altera las condiciones sociales de una comunidad, ocurre una sequía socioeconómica. En la figura 2 se resumen de forma gráfica estos conceptos y su propagación; es evidente que los diferentes tipos de sequía están relacionados a través de los déficits en distintas variables hidrológicas (por ejemplo, lluvia, gasto, humedad del suelo). Por ello, es necesario utilizar de manera conjunta dos o más variables hidrológicas distintas (como precipitación y humedad del suelo) para identificar diversos aspectos de un mismo evento de sequía. Hao y AghaKouchak (2014) propusieron el MSDI, una versión extendida del SPI (McKee et al., 1993), con el objetivo de combinar la información obtenida de múltiples variables relacionadas con la sequía a través de la distribución empírica de probabilidad conjunta de todas las variables involucradas.
Figura 2. Diferentes categorías de sequía y su desarrollo (modificado de Van Loon, 2015).
El índice es calculado para una escala temporal (ventana móvil de promediado), que puede ser de i = 3, 6, 12 meses, etc. El conjunto de datos para su cálculo es la serie temporal de precipitación completa, y cada elemento del conjunto de datos será la suma de los i meses previos. Si se toma como ejemplo una escala temporal de análisis de tres meses, éste índice ofrecerá una comparación de la precipitación de un periodo específico de tres meses con respecto a los totales de precipitación del mismo periodo para todos los años incluidos en el registro histórico (WMO, 2012). Es decir, el MSDI03 al finalizar febrero compara la precipitación total de diciembre-enero-febrero en el año de interés con los totales de precipitación de diciembre-enero-febrero de todos los años en el registro.
El MSDI tiene un valor cercano a cero en condiciones normales de humedad; será cada vez menor –valores negativos– conforme más intensa sea la sequía, y cada vez mayor –valores positivos– en la medida en que sea más excepcional el superávit de humedad.
Para la definición de las diferentes categorías de intensidad del MSDI, se utilizan las categorías de intensidad que define el Monitor de Sequía de Estados Unidos, como se muestra en la tabla 1. La principal ventaja del uso de esta clasificación está en los periodos de retorno asociados a sus umbrales, que son, aproximadamente, los convencionalmente usados en México en los estudios de frecuencia de eventos hidrológicos extremos.
La metodología considera como sequía un periodo de valores negativos de MSDI en el que se haya alcanzado, al menos, un valor inferior o igual que –0.8. El inicio de la sequía se define en el mes correspondiente al primer valor negativo, mientras que su término se define en el siguiente mes con valor positivo.
La implementación del MSDI ha demostrado mayor efectividad que otros índices univariados para identificar el inicio y la persistencia de un evento. Además, el enfoque multivariado permite expresar en un solo índice la excepcionalidad de que dos variables presenten déficit de manera simultánea.
Sitio web del Observatorio de Sequía II UNAM
El Observatorio de Sequía II UNAM-Conagua será accesible en línea a través de una página de internet cuya portada se presenta en la figura 3. Allí, el usuario podrá consultar y descargar los mapas de intensidad de sequía de todos los periodos mensuales desde enero de 1980 hasta el presente, considerando los siguientes índices disponibles:
- Índice Estandarizado de Precipitación (SPI)
- Índice Estandarizado de Humedad del Suelo (SSI)
- Índice Estandarizado de Escurrimiento (SRI)
- Índice Estandarizado Multivariado de Precipitación y Humedad del Suelo (MSDI-PreSMo)
- Índice Estandarizado Multivariado de Precipitación y Escurrimiento (MSDI-PreRun)
- Índice Estandarizado Multivariado de Precipitación, Humedad del Suelo y Escurrimiento (MSDI-PreSMoRun)
Figura 3. Portada de la página de internet del Observatorio de Sequía II UNAM-Conagua.
Las escalas temporales que estan disponibles son de 1, 3, 6, 9 y 12 meses, lo que ayuda a identificar la proporción de los periodos secos. La barra lateral del sitio web ofrece menús desplegables para filtrar entre los distintos índices de sequía, escalas temporales y periodos mensuales hasta definir el mapa que desea consultarse. Una vez definidos todos los filtros, el usuario puede visualizar el mapa en la pantalla haciendo clic con el botón izquierdo en “Cargar mapa” o descargando el archivo KML al hacer clic con el botón izquierdo en “Descargar mapa”, compatible con la aplicación gratuita Google Earth, sin necesidad de conexión a internet.
Una nueva versión de esta página está en etapa de planeación y desarrollo; agregará consultas dinámicas de series temporales de intensidad y magnitud de sequía en función de polígonos predefinidos (por ejemplo, estados, municipios o cuencas del país).
En la figura 4 se presenta la visualización de la sequía en el plano nacional (enero 2017) a través del índice multivariado que considera la lluvia, el escurrimiento y la humedad de suelo. Se aprecian valores de déficit y superávit en diferentes partes del territorio.
Figura 4. Interfaz gráfica para consulta de índices en la página del observatorio.
Comentarios finales
En diversas partes del mundo se están llevando a cabo estudios para mejorar el monitoreo de las condiciones de sequía mediante la incorporación de nuevas fuentes de información (percepción remota y asimilación de datos, un mayor número de estaciones y sensores in situ e impactos observados (área afectada, cuantificación de pérdidas físicas y económicas).
El Observatorio de Sequía II UNAM-Conagua es un esfuerzo en ese sentido; integra fuentes de información de última generación en una herramienta moderna, totalmente abierta y pública. Si bien se trata de una herramienta en constante desarrollo, su estado actual ofrece información útil para el usuario general al ofrecer información espacio-temporal de las condiciones de sequía prevalecientes en la República mexicana.
Si desea obtener las referencias bibliográficas de este artículo, solicítelas a h2o@heliosmx.org
