ANEXO 9a EL MÉTODO DE REDUCCIÓN DE ESCALA ESTADÍSTICO APLICADO A LA VARIABLE PRECIPITACIÓN EN EL TERRITORIO COLOMBIANO N. Bernal1, A. Molina1, J.D. Pabón2 & J. Martínez3 RESUMEN El método de reducción de escala estadístico es una técnica que permite establecer la relación entre las variables de gran escala simuladas por el Modelo de Circulación General Atmosférico (MCGA ) CCM3 y elementos meteorológicos como la temperatura en superficie y la precipitación. Esta técnica se aplica para generar escenarios de cambio climático en el territorio colombiano particularmente para la temperatura del aire en superficie y la precipitación a una escala mensual bajo el supuesto de duplicación de CO 2 ABSTRACT The Statistical Downscaling contributes to obtain the relationships between variables simulated by General Circulation Model, CCM3 and variables such as surface temperature and precipitation. This method is applied to generate climate change scenarios to Colombian region using the assumption related to CO2 duplication and it estimates changes to mean surface temperate and precipitation to the future. 1. INTRODUCCIÓN El crecimiento poblacional, los desarrollos económicos y sociales y el cambio tecnológico son factores mundiales que están ocasionando una alteración en el sistema climático con la emisión de gases efecto invernadero (IPCC, 2000). La respuesta en el sistema climático se analiza determinando posibles cambios en la precipitación bajo el supuesto de un incremento del dióxido de carbono. Para Colombia es importante conocer las proyecciones climáticas de precipitación hacia el futuro bajo el supuesto escenario de duplicación del dióxido de carbono, estos resultados son útiles en el impacto del cambio climático sobre la población y las actividades económicas como la agricultura, generación de energía eléctrica, transporte fluvial, pesca. Para el desarrollo de este estudio se emplea el modelo de circulación general atmosférico CCM3, el cual permite simular campos meteorológicos de temperatura en los niveles de 695 y 866 hPa., humedad relativa, viento zonal y meridional y presión atmosférica en superficie estos campos se relacionan con la variable precipitación en 24 regiones climáticas colombianas mediante la técnica de reducción estadística de escala. Mediante esta técnica se pueden proyectar posibles alteraciones en la precipitación (Wigley & Wilby, 2000) bajo el supuesto de duplicación de dióxido de carbono. Estadísticos, Coinvestigadores Proyecto “Proyecciones Climáticas Regionales e Impactos Socioeconómicos del Cambio Climático en Colombia”. COLCIENCIAS-U.N. 2 Profesor Asistente, Departamento de Geografía, Universidad Nacional de Colombia 3 Profesor Asociado, Departamento de Matemáticas y Estadística, Universidad Nacional de Colombia 1 ANEXO 9a 1 2. METODOLOGÍA La metodología de reducción de escala se puede sintetizar en las siguientes etapas (Storch & Zwiers, 1999). 1. Identificar una variable climática R de interés. 2. Encontrar una variable climática L, tal que satisfaga la siguiente condición: R = F(L) + Donde F(L) = L Y L representa una fracción del total de varianza de R y representa un vector de parámetros a estimar. Y denota el error del modelo. 3. Utilizar las realizaciones históricas (rt, lt) para estimar, el período histórico que se toma denominado período de calibración. 4. Validar el modelo ajustado con un conjunto de datos independientes denominado período de validación. 5. Aplicar el método validado a las realizaciones simuladas por un MCGA de L., así de esta forma se pueden generar escenarios de cambio climático para la variable climática R de interés. 1.1. Análisis de Correlación Canónica Una alternativa para establecer la relación estadística entre la variable climatológica R y las variables simuladas por el MCGA, es emplear la metodología estadística análisis de correlación canónica. Para la aplicación de esta técnica, se toman las simulaciones de varias variables meteorológicas en los niveles de superficie, 866 hPa. y 695 hPa; específicamente presión atmosférica en superficie, componente zonal y meridional del viento en 866 hPa. y 695 hPa, humedad relativa, temperatura en 866 hPa. y 695 hPa, y fracción de nubes efectiva. Esta simulación se realiza con el MCGA CCM3, por lo tanto, en este caso las variables climáticas denotadas con la letra “L”, corresponden a varias variables meteorológicas simuladas en la atmósfera. Los elementos meteorológicos de interés para este estudio corresponden a la temperatura en superficie y la precipitación, ambas variables consideradas en una escala mensual, y corresponden a la descripción con la letra “R”. También se suele señalar las variables simuladas como variables predictoras y las variables de interés como variables predictantes (Solman, 1999), otra alternativa es definir las variables simuladas como “campos meteorológicos” identificando con este nombre la distribución espacial en puntos de grilla de variables meteorológicas; por ejemplo, el campo de temperatura en 866 hPa. De igual forma, las variables predictantes de precipitación y temperatura se pueden identificar como campos de temperatura en superficie representados en estaciones meteorológicas localizadas en regiones climáticas colombianas. ANEXO 9a 2 1.1.1. Definición de las variables canónicas Sea [X] la matriz de p variables simuladas por el MCGA para el período de calibración en r puntos de grilla, así, la dimensión de esta matriz corresponde a t*(pxr). Sea [Y] la matriz que contiene la información de la variable climática de interés en s estaciones meteorológicas, por lo tanto, la dimensión de esta matriz es t*s. Se definen las variables canónicas como: VK = aiXi W K = biYi Donde k es el número de variables canónicas y k = s. Por lo tanto, a partir del conjunto de variables predictoras, cada variable canónica representa una combinación lineal de las mismas variables meteorológicas simuladas por el MCGA. Respecto a la variable climática de interés (temperatura en superficie o precipitación mensual), cada variable canónica representa una combinación lineal de la variable analizada en las estaciones meteorológicas. La búsqueda de pares de variables canónicas debe satisfacer la siguiente condición: Cor(V1, W 1) > Cor (V2, W 2) > … Cor(Vk, W k) Donde Cor indica la correlación de tipo lineal que existe entre cada par de variables canónicas, esta correlación se define mediante el coeficiente de correlación de Pearson. Por lo tanto, cada par de variables canónicas se construyen de tal forma que exista una “fuerte asociación lineal entre ellas”. La correlación canónica permite establecer la relación entre las variables meteorológicas simuladas por el MCGA en la atmósfera y las variables climáticas temperatura en superficie o precipitación, o también se puede señalar que éste análisis es útil para determinar los modos dominantes de covariabilidad entre los dos conjuntos de datos (variables simuladas y precipitación en estaciones) (Climlab, 2000). 1.1.2. Interpretación de las variables canónicas Se pueden señalar dos estrategias para la interpretación de las variables canónicas, la primera consiste en analizar los “pesos” ai y bi que indican la ponderación de cada variable predictora en puntos de grilla y la ponderación de cada estación meteorológica, respectivamente. Los pesos expresan la importancia de una variable meteorológica en el conjunto de variables predictoras con relación al segundo grupo que contiene la variable climática de interés en estaciones meteorológicas (Dillon & Goldstein, 1984). Otra alternativa para la interpretación de estos pesos es que permiten establecer la contribución relativa de cada variable en la definición de la variable canónica siempre que las variables sean estandarizadas (Rencher, 1988). ANEXO 9a 3 La segunda estrategia consiste en determinar la correlación entre las variables que definen la variable canónica y la misma variable canónica, es decir, Cor(Xi, Vk), donde k = s Esto significa que se determina la correlación entre cada variable simulada por el MCGA y la(s) variable(s) canónica(s). Esta asociación refleja el grado de representación de la variable meteorológica por parte de la variable canónica (Dillon & Goldstein, 1984). En particular, para el conjunto que contiene la información de la variable climática de interés temperatura en superficie o precipitación mensual en estaciones meteorológicas, las correlaciones se hallan así: Cor(Yi, W k), donde k = s e indican que tanto la variable canónica representa las estaciones meteorológicas en donde se mide la variable de interés. 1.1.3 Patrones Canónicos Otra estrategia para la interpretación de los resultados de análisis de correlación canónica es definir los patrones canónicos así: (Storch & Zwiers, 1999). a. Determinar la matriz de covarianza de cada conjunto de variables. [SXX] y [Syy] b. Los patrones canónicos se definen así: fx = [SXX][a] y fy = [Syy][b] donde [a] es de dimensión (pxr*1) y corresponde al vector peso con el cual se define la késima variable canónica del primer conjunto de variables y [b] es de dimensión (s*1) y representa el vector peso de la k-ésima variable canónica del segundo conjunto de variables. Los patrones del primer conjunto de variables representan una suma ponderada de covarianzas de las variables atmosféricas simuladas por el MCGA en los r puntos de grilla. Los patrones del segundo conjunto de variables representan una suma ponderada de las covarianzas de la variable climática de interés temperatura en superficie o precipitación. Los patrones pueden visualizarse en un mapa para cada conjunto de variables y trazar las isolíneas, de esta forma se visualizan realmente patrones espaciales que están altamente correlacionados. 1.2. Análisis de Redundancia La variabilidad total del conjunto de las variables simuladas por el MCGA está representada por la matriz de covarianza [SXX], es importante señalar que esta matriz resume la información de la variabilidad temporal de cada variable en cada punto de grilla estos valores están representados en la diagonal de la matriz y además resume la covarianza espacial de cada variable en cada punto de grilla con las restantes variables en los puntos de grilla. ANEXO 9a 4 A partir de las variables canónicas Vk se puede determinar que proporción de varianza o variabilidad del primer conjunto de variables es explicado por sus variables canónicas, que se determina así: R2 (k) x = [a]’[a] / (pxr) Para el segundo conjunto que contiene la información de la temperatura en superficie o precipitación mensual se determina la proporción de varianza de este conjunto de variables por sus variables canónicas, así: R2 (k) y = [b]’[b] / (s) Coeficiente de Redundancia El coeficiente de redundancia permite relacionar la proporción de varianza de un conjunto de variables la cual puede ser explicada por una variable canónica del otro conjunto. Esto significa la capacidad predictiva que tiene una variable canónica sobre la variabilidad de un conjunto de variables, en particular, si el primer conjunto hace referencia a las variables simuladas por el MCGA, el coeficiente de redundancia permite establecer que tanto las variables canónicas contribuyen a explicar la variabilidad de la temperatura en superficie o precipitación mensual. El coeficiente de redundancia para la k-ésima variable canónica del segundo conjunto de variables (temperatura o precipitación mensual) respecto al primero (variables simuladas por el MCGA), se define así: R2 (k) y/x = I R2 (k) x Donde I corresponde al valor propio asociado a la k-ésima variable canónica del primer conjunto de variables( variables simuladas por el MCGA). Por lo tanto, un alto coeficiente de redundancia (valores próximos a 100%) indicarían que una variable canónica de las variables simuladas por el MCGA permiten explicar la variabilidad de la temperatura en superficie o precipitación mensual. 1.3. Análisis de la variabilidad temporal El análisis espectral de una serie de tiempo X t de longitud n, permite descomponer su variabilidad en diferentes escalas del tiempo, expresándola como una suma de funciones trigonométricas, así: ( Storch & Zwiers, 1999). Xt = Ao + (akcos2kt / n) + (bksen2kt / n) La varianza de la serie de tiempo se puede expresar como: Var(Xt) = ½ (ak2+ bk2) Al conjunto de elementos ak2+ bk2 se les denomina periodograma, este permite detectar las escalas de tiempo que sintetizan la más alta variabilidad en la serie de tiempo. ANEXO 9a 5 Relación entre el coeficiente de redundancia y el periodograma La variabilidad del conjunto conformado por la variable climática de interés temperatura o precipitación en estaciones meteorológicas representada por la matriz de covarianzas resume variabilidad espacial y temporal, parte de esta variabilidad es explicada por las variables canónicas generadas a partir del conjunto de variables simuladas por el MCGA, este porcentaje como se señaló arriba es calculado mediante el coeficiente de redundancia. Así, este coeficiente sintetiza la capacidad predictiva del modelo MCGA sobre la temperatura en superficie o precipitación mensual. Analizando los periodogramas se puede establecer algunos valores ak2+ bk2 más altos lo que permite establecer la siguiente relación expresada en el siguiente esquema: Variabilidad espacial y temporal sintetizada mediante El coeficiente de redundancia R2 (k) y/x = I R2 (k) x Variabilidad temporal expresada en frecuencias predominantes mediante el análisis de los valores más altos en el periodograma ak2+ bk2 2. REGIONES ANALIZADAS Y VARIABLES El análisis de correlación canónica se aplica a 24 regiones climáticas colombianas, en cada región se toman los nueve puntos de grilla más próximos a la región de análisis y se tiene en cuenta la información de las siguientes variables simuladas por el MCGA CCM3; viento zonal y meridional, temperatura en los niveles de 866 hPa y 695 hPa, presión atmosférica en superficie, fracción de nubes efectiva, humedad relativa en 992 hPa. Para el territorio colombiano se considera la información de 62 estaciones meteorológicas, en las cuales se tiene la información de la precipitación mensual para el período 1969 a 1998. 2.1. Resultados del Método de Reducción de Escala Estadístico El período con el cual se aplica el análisis de correlación canónica es 1969 a 1990, este período se denomina de calibración. Con el fin de analizar los resultados de las variables canónicas del conjunto de variables simuladas por el MCGA. Para el territorio colombiano los vientos zonales en los niveles de 695 y 866 hPa. tienen una participación de 41.25%, los vientos meridionales en los niveles de 695 y 866 hPa de 25.94%, la presión atmosférica de 23%, la temperatura en 866 hPa. de 7.50%, la temperatura en 695 hPa. de 1.56 y la humedad relativa de 0.30. Esto debido a que variaciones de estos campos en altura están ligados a variaciones en el campo de precipitación en superficie (Esta expresión indica que existe una covariabilidad entre los campos predictores señalados y el campo de la precipitación en superficie a nivel regional). ANEXO 9a 6 Las variables atmosféricas que más están asociadas o correlacionadas con la variable canónica de la precipitación en el territorio nacional son: la variable atmosférica humedad relativa con una participación de 25%, viento zonal y meridional en los niveles de 866 y 695 hPa. de 42%, temperatura en 866 y 695 hPa. de 21.5%, presión atmosférica al nivel del mar de 9% y fracción de nube efectiva de 1.90%; esto significa que la variabilidad de la precipitación está asociada a la variabilidad principalmente de la humedad relativa y luego por los vientos zonales y meridionales. Resultados del Análisis de Redundancia En la Tabla 3 se presentan los resultados del análisis de redundancia, en la columna identificada como “variabilidad explicada por W i” indica la variabilidad explicada del conjunto de variables conformada por precipitación mensual en las estaciones meteorológicas regionales que alcanza a ser explicada por sus propias variables canónicas W´s, la siguiente columna identificada por “variabilidad explicada por Vi” indica el porcentaje de variabilidad que alcanzan a explicar las variables canónicas de las variables simuladas por el CCM3 y la última columna identificada con “total Vi” indica el valor acumulado de explicación de la varianza por las variables canónicas de las variables simuladas por el MCGA. Se observa que las mejores regiones que presentan un coeficiente de redundancia respecto a las variables simuladas por el modelo son Medio Magdalena (74%) y Orinoquia Central – Sur Oriente Amazónico – Amazonía Central (72%), lo que significa que la variable canónica de las variables simuladas por el modelo explican un alto porcentaje de la variabilidad espacio–temporal de la precipitación. Para las regiones de Pacífico Norte y Central, Montaña Nariñense y Catatumbo los coeficientes de redundancia resultan los más bajos comparados con los valores de todas las regiones colombianas (49%). Los coeficientes de redundancia también permiten aseverar que existen otras señales climatológicas que no están captadas por las variables simuladas por el CCM3, una alternativa de identificar otras señales principalmente de tipo temporal es mediante un análisis de la variabilidad temporal con la metodología de los periodogramas de las series de tiempo de precipitación mensual. Con los resultados de los periodogramas se observa que los períodos más frecuentes en las estaciones meteorológicas analizadas corresponden a 6 y 12 meses, lo que revela una estructura de tipo estacional, la varianza explicada por estos períodos aproximadamente es del 50%, por lo tanto, esta descomposición de la variabilidad temporal permite asegurar que el modelo MCGA CCM3, reproduce estructuras estacionales principalmente, pero no alcanza a detectar otras fluctuaciones temporales más de tipo interanual, este análisis puede explicar la razón por la cual, para algunas regiones el coeficiente de redundancia es bajo. 2.2. Comparación de los campos de precipitación real y estimado Para los resultados del período de calibración 1969 a 1990 se presentan en mapas de diferencias entre los valores reales y estimados. ANEXO 9a 7 Tabla 3. Resultados del Análisis de redundancia Región Nombre 1 2 3 4 5 6 Alta Guajira Cuenca del cesar Litoral Central Bajo Magdalena S. Jorge, Nechi, Uraba Pacifico norte y central 7 Pacifico sur 8 Montaña Nariñense 9 Alto Cauca 10 11 Medio Cauca- Alto Nechi Alto Magdalena 12 Medio Magdalena 13 14 Sabana de Bogotá Río Sogamoso 15 Catatumbo 16 17 18 19,20,21 Río Arauca – Cuenca Media Meta Pie de Monte Llanero Orinoquia Oriental Orinoquia Central, Sur Ori. Amazónico, Amazonia central Var. Canonica Variabilidad explicada V1 V1 V1 V1 V1 V1 V2 V1 V2 V1 V3 V1 V2 V1 V1 V3 V1 V2 V1 V1 V3 V5 V1 V2 V1 V1 V1 V1 Wi 0,77 0,68 0,67 0,82 0,80 0,56 0,27 0,50 0,50 0,69 0,17 0,33 0,54 0,71 0,69 0,20 0,71 0,29 0,73 0,31 0,35 0,14 0,63 0,21 0,80 0,82 0,88 0,57 Vi 0,40 0,56 0,58 0,65 0,59 0,40 0,09 0,30 0,23 0,40 0,05 0,22 0,30 0,44 0,44 0,06 0,51 0,12 0,38 0,22 0,23 0,05 0,40 0,09 0,67 0,64 0,78 0,53 Total Vi 0,44 0,69 0,58 0,74 0,72 22 Pie de Monte Amazónico V2 V1 0,28 0,82 0,19 0,66 23 24 Alto Patia San Andrés Isla V1 V1 0,78 0,88 0,54 0,58 0,49 0,53 0,49 0,52 0,50 0,63 0,50 0,49 La metodología que se emplea para la construcción de estos mapas se puede sintetizar así: a. Calcular el promedio de cada mes para el período 1969 a 1990 para cada una de las 62 estaciones consideradas en el análisis. b. Interpolar la información de las estaciones a 56 puntos de grilla, distanciados aproximadamente 2.8 km, mediante la metodología de Kriging. Esta grilla cubre la zona continental del territorio colombiano. c. Interpolar la información en puntos de grilla a todo el territorio colombiano, de nuevo utilizando la metodología de Kriging y visualizar en mapas de contornos de isoyetas. Esta metodología se emplea para el caso de los valores reales de precipitación y para los valores estimados mediante el proceso de reducción de escala. ANEXO 9a 8 Esta comparación permite determinar la validación de la metodología desde el punto de la variabilidad intraanual de la precipitación y su estructura de variabilidad espacial. (Fig.1). Los valores de las diferencias (DIF) se expresan en términos porcentuales respecto al valor real, así: DIF = [(Valor promedio real – valor promedio estimado) / (Valor promedio real )] *100 Por lo tanto, si DIF > 0, el método de reducción escala subestima el valor de precipitación promedio mensual y para aquellos casos que DIF < 0, el método sobrestima el valor de precipitación promedio mensual. Se observa en los mapas para el mes de enero que aparecen valores interpolados sobrestimados por el método para las región sur del departamento de Meta, para el mes de febrero y marzo aparecen valores sobrestimados en la región de la costa Caribe y para el mes de diciembre también aparecen sobrestimados en el departamento de Norte de Santander. Para los meses restantes los valores estimados tienden a estar subestimados o sobrestimados hasta valores aproximadamente del 20%. (tonalidades verdes y amarilllas claras, respectivamente). 3. VALIDACIÓN DE LA METODOLOGÍA Haciendo uso de los resultados del análisis de correlación canónica para el método de reducción de escala, se toma el período 1991 a 1998 como de prueba; es decir, se aplican las relaciones halladas con el período de calibración 1969 a 1990. En la Tabla 4 se presentan las Raíces de los Errores Cuadráticos Medios (RECM), como una medida cuantitativa que representa la discrepancia entre los valores reales de precipitación mensual y sus valores estimados por el método de reducción de escala. Estos valores de RECM’s comparados con la desviación estándar de las series de tiempo de precipitación para cada una de las estaciones permiten determinar que realmente estos valores no son altos, puesto que para aquellas estaciones con una alta variabilidad en general los REM’s también resultan valores altos, lo que significa que algunas estaciones tienen valores extremos de precipitación que ocasionan una medida de variabilidad alta, por lo tanto el método de reducción de escala no permite estimar los valores extremos de precipitación, lo que ocasiona un incremento en los RECM’s. En la Fig.1 se observa la relación entre las desviaciones estándar de algunas series de precipitación para el período de referencia climática 1969 a 1990 y las raíces de errores cuadráticos medios para este mismo período y para el período de prueba 1991 a 1998. Por lo tanto, las Raíces de los Errores Cuadráticos Medios son una medida cuantitativa de la distancia promedio entre los valores reales y los valores estimados, en particular para el período 1969 a 1990 es una medida de bondad de ajuste del modelo ( método de reducción de escala) y es útil también para cuantificar los errores en un proceso de construcción de un modelo estadístico (Peña, 1987). Para el período 1991 a 1998 es una medida de validación de la metodología de reducción de escala y permite valorar el alcance del modelo, en particular se observa que las RECM para este período de prueba son mayores comparados con el período 1969 a 1990, pero en ambos casos las RECM son menores que la desviación ANEXO 9a 9 estándar de las series para el período 1969 a 1990, lo que indica la limitación de la metodología en la estimación de valores extremos. 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 500 -4.00 -78.00 ENERO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 -76.00 FEBRERO -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 300 MARZO 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 100 80 60 40 20 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -4.00 -78.00 -76.00 ABRIL -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 MAYO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 JUNIO 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 0 -20 -40 -60 -80 -100 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -4.00 -78.00 JULIO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 AGOSTO 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 OCTUBRE -70.00 -68.00 -76.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -300 -500 -4.00 -78.00 -74.00 SEPTIEMBRE -72.00 -70.00 NOVIEMBRE -68.00 -78.00 -76.00 DICIEMBRE -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 Figura 1. Diferencias en la Distribución espacial de la Precipitación media mensual. Entre el escenario Real y el Escenario estimado con la Reducción de Escala, 1969 1990 ANEXO 9a 10 Tabla 4. Raíces de los Errores Cuadráticos Medios, Período de Prueba 1991 a 1998 Región Alta Guajira Nw, Snsm y Cuenca del Cesar Bajo Magdalena Sinú, San Jorge, Bajo Nechi, Uraba Pacifico Norte y Central Pacifico sur Montaña Nariñense Alto Cauca Medio Cauca, alto Nechi Alto Magdalena Medio Magdalena Sabana de Bogotá Río Sogamoso Catatumbo Río Arauca y Cuenca media del Meta Pie de monte Llanero Orinoquia Oriental Orinoquia Central, sur oriente Amazónico, Amazonia Central Pie de monte Llanero Alto Patia San Andrés ANEXO 9a Estacion 1508503 1507503 2802502 2803501 2804501 2904502 2903517 2903511 1401502 1501505 2502510 2502522 1308503 2502508 5311501 5601501 1104501 5103501 5304501 5204502 5205501 2603503 2606501 2611504 2613504 2612506 2612507 2615511 2111506 2202501 2118503 2315503 2317502 2120562 2120540 2120272 2401502 2401518 2402503 2403515 1602502 1601506 1601505 3705501 3704501 3801503 3403501 3401501 4801501 4704501 4404503 4403502 4603502 5202505 5202503 1701501 1702502 Rmse2 68.11 34.11 66.45 65.98 127.68 74.35 60 78.48 77.34 43.85 72.03 84.08 63.56 52.29 194.78 201.24 231.13 148.44 162.23 73.38 40.42 98.24 75.66 49.73 94.58 86.58 122.03 Promedio 51.11 67.65 92.37 81.08 128.14 155 37.89 38.59 39.99 104.63 80.01 126.39 57.23 96.68 73.75 61.88 98.88 128.43 77.79 87.17 108.96 135.63 148.23 166.82 85.69 110.63 104.26 86.70 66.80 78.05 57.92 209.05 155.33 56.9 74.54 101.06 141.57 38.82 96.08 77.43 113.65 82.48 130.94 126.25 107.44 11 300 milímetros 250 200 RECM9198 150 RECM6990 100 DESV6990 50 51 46 41 36 31 26 21 16 11 6 1 0 Estaciones Figura 2. Comparación de las raíces de los errores cuadráticos medios y la desviación estándar de las series de precipitación periodos 69-90 y 91-98 Una segunda alternativa de determinar la validación de la metodología consiste en comparar los campos de precipitación real y estimado para el período 1991 a 1998, esta alternativa es de carácter cualitativa, puesto que la comparación se realiza mediante la construcción de mapas de contornos de isoyetas (isolíneas de igual valor de precipitación). Se presentan los campos de precipitación real y estimado se comparan para cada uno de los meses del año, esta comparación permite determinar la validación de la metodología desde el punto de vista espacial y tiene en cuenta la variabilidad intraanual de la precipitación (Fig.3a y 3b). 4. ESCENARIO DE PRECIPITACIÓN BAJO EL SUPUESTO DE DUPLICACIÓN DE CO 2 Para cada uno de las estaciones meteorológicas se estiman las proyecciones de precipitación bajo el supuesto de duplicación de CO 2., En la Tabla 5 se presentan los resultados a nivel regional teniendo en cuenta el valor de precipitación anual del período real (1969 a 1990) como referencia climática y el valor de precipitación estimada que se obtiene con el período de calibración perturbado bajo el supuesto de duplicación de CO 2. Los valores positivos en las columnas descritas con el título “cambios” se expresan en valores porcentuales con respecto al valor promedio real del período 1969 a 1990, por lo tanto, si el valor es positivo significa que en lugar geográfico señalado se proyectan aumentos en el valor de la precipitación anual y para aquellos lugares en los cuales el valor es positivo significa que se proyectan disminuciones en el valor de la precipitación anual. Para indicar un valor de cambio por región climática se calcula el promedio de los valores de cambio incluyendo los valores de cambio para las estaciones meteorológicas dentro de cada región. Se calcula un valor de cambio con ajuste, esto indica, que se tiene en cuenta el error de subestimación o sobrestimación de los valores de precipitación con el método de reducción de escala hallado para el período 1969 a 1990, por lo tanto, un cambio con ajuste se calcula así: DIF = [(R – Ed) / R] *100 + D ANEXO 9a 12 Donde DIF indica el valor de la diferencia relativa respecto al valor real ( R ) de precipitación anual y (Ed) indica el valor estimado de precipitación anual bajo el supuesto de CO 2 y el valor D se obtiene así: D = [(R – E) / R] *100 DATOS REALES 1991-1998 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -4.00 -78.00 -68.00 ENERO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -4.00 -78.00 -76.00 FEBRERO -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 -76.00 -74.00 MARZO -72.00 -70.00 -68.00 ABRIL 700.00 DATOS ESTIMADOS 1991-1998| 650.00 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -4.00 -4.00 600.00 550.00 500.00 450.00 400.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 ENERO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -78.00 -68.00 -76.00 FEBRERO -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 350.00 -78.00 -76.00 -74.00 MARZO -72.00 -70.00 -68.00 300.00 250.00 ABRIL DATOS REALES 1991-1998 200.00 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 150.00 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -76.00 MAYO -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 0.00 -4.00 -4.00 -78.00 50.00 -78.00 -76.00 JUNIO -74.00 -72.00 -70.00 -78.00 -68.00 JULIO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 AGOSTO DATOS ESTIMADOS 1991-1998| 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 MAYO -70.00 -68.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 JUNIO -68.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 JULIO -70.00 -68.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 AGOSTO Figura 3a. Valores reales y estimados de la precipitación media mensual Período 91-98 ANEXO 9a 13 DATOS REALES 1991-1998 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 700.00 650.00 600.00 550.00 500.00 -4.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 SEPTIEMBRE -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 450.00 -4.00 -78.00 -68.00 OCTUBRE -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 400.00 DICIEMBRE NOVIEMBRE 350.00 DATOS ESTIMADOS 1991-1998| 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 SEPTIEMBRE -68.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 OCTUBRE -68.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 NOVIEMBRE -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 DICIEMBRE Figura 3b. Valores reales y estimados de la Precipitación media mensual. Período 91-98 Donde D indica la diferencia entre el valor real y estimado de precipitación anual para el período 1969 a 1990, es decir, tiene en cuenta la bondad de ajuste del método de reducción de escala para el período de calibración. 4.1. Cambios en los valores intranuales de la precipitación Para cada una de las estaciones se puede visualizar la magnitud de cambio para cada uno de los meses del año, este análisis permite determinar si la variabilidad intranual de la precipitación tendrá cambios comparándola con la variabilidad intranual real para el período de referencia climática (Fig.4). A continuación se presentan los casos mas extremos de variación en los valores intraanuales de precipitación: ellos se observan para el mes de enero en la región del Piedemonte llanero en la estación Vista Hermosa (Meta) donde se proyectan aumentos de precipitación hasta un 493%. Para el mes de Abril se proyectan aumentos hasta un 168% en la precipitación para la región del Litoral Central en la estación Aeropuerto Simón Bolívar (Magdalena). Para el mes de mayo en la región Alto Patía en la estación la Sierra hasta un 157% de incremento. Para el mes de junio en el Alto Magdalena en la estación de San José hasta un 235% de aumento. Para el mes de julio para la región del Alto Patía, estación La Sierra hasta un 370% de incremento. Para el mes de agosto para la región Alto Patía (La Sierra) hasta un 494% de aumento. Para el mes de septiembre en la región del Catatumbo (Blonay) hasta un 233% de incremento. Para el mes de octubre en la región de Pacífico Sur (Apto. La Florida) hasta un 191% de incremento. Para noviembre una disminución del 100% para la región Piedemonte Amazónico y un aumento del 217% en la región de Cuenca del Cesar (Villarosa). ANEXO 9a 14 R eg ió n C uenca d el C esar, San Lo renzo 500 450 400 350 300 real 250 Duplicación 200 150 100 50 0 ENE FEB M AR ABR M AY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Figura 3. (Continuación) Valores reales y estimados de la Precipitación media mensual. Período de prueba 1991 a 1998 Figura 4. Cambios en la precipitación Intra-anual, algunas estaciones 4.2. Cambios en la distribución espacial de la precipitación Para visualizar los cambios en la distribución espacial se presentan los mapas de las diferencias entre los valores real y estimado con el supuesto de duplicación de CO 2 (Fig.5). ANEXO 9a 15 12.00 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 500 300 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -4.00 -78.00 ENERO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 FEBRERO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 MARZO 12.00 12.00 12.00 10.00 10.00 10.00 10.00 8.00 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 4.00 2.00 2.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -2.00 -2.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -4.00 -78.00 MAYO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 80 60 40 20 0 -20 -4.00 -78.00 JUNIO -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 AGOSTO JULIO 12.00 -76.00 ABRIL 12.00 -4.00 100 -4.00 -78.00 12.00 12.00 10.00 10.00 8.00 8.00 6.00 6.00 4.00 4.00 2.00 2.00 -40 12.00 10.00 -60 10.00 8.00 8.00 6.00 -80 6.00 4.00 -100 4.00 2.00 2.00 0.00 0.00 0.00 -2.00 -2.00 -300 0.00 -2.00 -2.00 -4.00 -4.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -4.00 SEPTIEMBRE -4.00 -78.00 -78.00 -76.00 -74.00 -72.00 OCTUBRE -70.00 -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -78.00 -500 DICIEMBRE -76.00 -74.00 -72.00 -70.00 -68.00 -68.00 NOVIEMBRE Figura 5. Diferencias de las diferencias en la distribución espacial de la precipitación media mensual. entre el escenario real, real estimado y el escenario con el CO 2 duplicado 5. INCERTIDUMBRE DEL MÉTODO DE REDUCCIÓN DE ESCALA Para efectos de considerar la incertidumbre en el proceso de estimación de los valores de precipitación se emplean dos alternativas la primera consiste en ajustar los cambios promedios de precipitación bajo el supuesto de duplicación de CO 2 considerando el error de estimación calculado como diferencia entre el valor real y el valor estimado para el período de calibración. Es importante notar que los escenarios de cambio climático son proyecciones de los valores de precipitación bajo supuestos de forzamiento del sistema climático bajo el supuesto de duplicación de CO2, por lo tanto se estima la respuesta que tendría la precipitación bajo esta condición forzante del experimento climático de duplicación. ANEXO 9a 16 Tabla 5. Escenario de Precipitación - cambios en la precipitación anual, valores estimados bajo el supuesto de Duplicación de CO 2 Reg 1 Nombre Región Alta Guajira Estación Manaure E. Agraria Carraipía 2 Cuenca del Cesar San lorenzo El Rincón Villarosa Pueblo Bello 3 Litoral Central Apto. Rafael Nuñez Apto. Simón Bolívar San Pablo Sincerín Apto. E. Cortissoz 4 Bajo Magdalena Apto. Baracoa Norosí 5 Sinú, San Jorge Bajo Nechi, Urabá San Bernardo Apto. Rafael Barvo 6 Pacífico Norte y Central Apto. Carano Apto. Buenaventura Panamericana 7 Pacífico Sur Apto. La Florida Bonanza 8 Montaña Nariñense Apto. Antonio Narín Apto. San luis Los Milagros 9 Alto Cauca Apto. G. L Valencia Ing. Cauca C.a.d.M. La Unión 10 Medio Cauca, Alto Nechi Apto. El Edén La Bella Apto. Matecaña Apto. La Nubia 11 Alto Magdalena San José Guamo Planadas 12 Medio Magdalena Apto. Yariguies Apto. Otú 13 Sabana de Bogotá Checua - Nemocón Guatavita Granja San Jorge 14 Rio Sogamoso U.I. Santander Bertha Esclusa Tolón La sierra Belencito 15 Catatumbo Apto. Aguas Claras Blonay Risaralda 16 Rio Arauca y Cuenca media Meta Saravena Apto. Arauca 17 Pie de Monte llanero Vista Hermosa Salinas de Upin 18 Orinoquía Central Tuparro Bocas Apto. Pto. Carreño 22 Pie de Monte Amazónico Macagual La Mono Pto. Rico 23 Alto Patía Mercaderes La sierra 24 San Andrés A. Sesquicentenario A. Sesquicentenario 19_2 Orinoquía, Amozonía Central y Sur Las Gaviotas 0_21 Oriente Amazónico Pto Leguizamo Apto. Vasquez Cobo ANEXO 9a Depto La Guajira La Guajira Magdalena Cesar Cesar Cesar Bolivar Magdalena Bolívar Bolívar Atlántico Bolívar Bolívar Córdoba Sucre Chocó Valle Chocó Nariño Cauca Nariño Nariño Cauca Cauca Cauca Valle Quindio Quindio Risaralda Caldas Huila Tolima Tolima Santander Antioquía Cundin Cundin Cundin Santander Boyacá Boyacá Boyacá Boyacá N. Santan N. Santan N. Santan Arauca Arauca Meta Meta Vichada Caquetá Caquetá Caquetá Cauca Cuaca San Andrés San Andrés Vichada Putumayo Amazonas Cambios Cambios Promedio de relativos con cambios por (%) ajuste(%) región (%) -10.95 0.00 0.00 -3.98 0.00 -12.37 -11.70 -9.89 -8.44 -8.45 -9.62 -9.59 -9.89 -9.84 -20.32 -18.86 -16.75 -17.28 -16.88 -13.95 -13.96 -15.30 -15.23 -20.28 -18.83 48.49 50.86 50.18 48.66 49.50 -47.54 -46.47 -41.30 -36.36 -36.13 21.52 21.52 -7.79 -18.50 -18.50 -26.37 -26.37 -6.30 -5.43 30.15 65.56 65.73 19.00 19.41 24.31 29.22 29.22 16.49 16.62 -40.78 -41.57 -11.01 4.17 4.15 3.74 4.41 -14.17 -14.17 -15.72 -17.50 -17.50 -13.41 -13.42 -17.78 -17.79 27.98 28.65 34.06 51.78 51.78 21.76 21.75 -26.16 -26.16 -5.54 15.09 15.08 -29.30 -28.66 -27.02 -22.30 -22.17 -30.42 -30.23 -5.34 -4.72 -20.79 -3.25 -1.48 -29.44 -27.75 -37.65 -36.31 -34.28 -33.67 32.86 33.28 -34.99 -80.56 -80.08 -58.07 -58.16 23.34 -3.93 -4.22 21.14 -4.51 0.12 0.67 2.50 4.02 4.34 1.69 -25.86 -26.30 -0.23 -26.75 68.97 72.65 71.26 64.10 67.26 67.25 73.88 -86.76 -114.44 -131.59 -121.57 -148.74 6.22 -20.88 -20.92 6.13 -20.96 -10.50 -37.09 -33.08 -4.96 -2.40 -32.04 -30.13 17 CONCLUSIONES El método de reducción de escala permite establecer la relación entre las variables predictoras simuladas por el modelo de circulación general atmosférico MCGA, del tipo CCM3 y la precipitación mensual en las estaciones meteorológicas colombianas. Entre las variables atmosféricas que covarían con la precipitación, se destaca el viento zonal en los niveles bajos (866 y 695 hPa) con una participación del 41.25%; resultado coherente en la dinámica del atmósfera sobre el territorio colombiano en la cual los vientos alisios del noreste y sureste son una característica predominante. El método también contribuye a detectar las variables que más están asociadas a la variabilidad de la precipitación, estas son: la humedad relativa en superficie (25%) y los vientos zonales y meridionales en los niveles de 695 y 866 hPa (42%). Las relaciones entre las variables simuladas por el modelo de circulación general atmosférico CCM3 y la precipitación permiten también señalar cuales variables están más asociadas a la variabilidad de la precipitación a nivel regional. Estas relaciones son útiles para entender la climatología regional y como parte de la etapa exploratoria en la formulación de modelos de predicción climática. El método de reducción de escala principalmente reproduce las ciclos de orden estacional (6 y 12 meses) en las estaciones analizadas, por lo tanto, la metodología es débil en la estimación de valores extremos derivados de la escala climática de tipo interanual como la variabilidad ocasionada por los fenómenos cálidos y fríos del océano Pacífico (El Niño y La Niña). La variabilidad de la precipitación es explicada por el conjunto de variables predictoras simuladas por el MCGA CCM3; mediante los valores del coeficiente de redundancia se observa que la mayor habilidad en el porcentaje de varianza explicada aparece en las regiones llanas colombianas como El Bajo Magdalena y La Amazonía Central y presenta menor habilidad en aquellas regiones con mayores accidentes orográficos, como La Montaña Nariñense, El Catatumbo, El Río Sogamoso, El Medio Magdalena. Por lo tanto, la proporción de variabilidad no explicada en la precipitación puede ser atribuible a efectos de tipo local a nivel espacial. Se observa para las regiones climáticas colombianas que los cambios que se proyectan para la precipitación son de un incremento promedio del 9% en los valores anuales, principalmente para las regiones del Alto Patía (132%), Sinú – San Jorge – Bajo Nechi – Urabá (41%), El Catatumbo (35%), La Orinoquía Central – La Amazonía Central – El Sur Oriente Amazónico (33%). Se proyectan cambios hacia el futuro bajo el supuesto de duplicación de CO 2 en los valores de precipitación a nivel intranual en estaciones meteorológicas ubicadas en los regiones de El Piedemonte LLanero, El Litoral Central, El Alto Patía, El Alto Magdalena, El Catatumbo, El Pacífico sur y La Cuenca del Cesar. Y se proyectan disminuciones en la región del Piedemonte Amazónico. Reconocimientos Trabajo realizado dentro del marco del Grupo de Investigaciones en Meteorología - U.N., que cuenta con el apoyo financiero de COLCIENCIAS y el BID, contrato COLCIENCIAS-U.N. No.391/99. Forma parte de los resultados del Proyecto de Investigación apoyado por COLCIENCIAS y el BID “Proyecciones climáticas e impactos socioeconómicos del cambio climático en Colombia", contrato COLCIENCIAS-U.N. No.321-98 y por el IDEAM. ANEXO 9a 18 Se agradece al Dr. Richenda Conell, UK. Climate Impacts Programme, por el envío de material bibliográfico del Dr. Wilby & Wigley (National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado - Division of Geographic, University of Derby, UK). Al Dr. Radan Huth Institute of Atmospheric Physics, Czech Republic por dar respuesta a interrogantes estadísticos respecto a los supuestos del método de reducción de escala. Y al comité organizador de la Octava Reunión Internacional sobre Climatología Estadística (University of Luneburg, Germany, marzo 2001) por la aceptación en modalidad de poster de resultados parciales del método de reducción de escala aplicados a la precipitación. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Climlab2000, 2000: Un Paquete Estadístico para Aplicaciones Climáticas, International Research Institute for Climate Prediction. Dillon, W. & M. Goldstein. 1991: Multivariate Statistical Analysis, 581 pp. John & Wiley Sons, Inc. Intergovernmental Panel on Climatic Change (IPCC). 2000: Special report on Emissions Scenarios, Cambridge University Press, United States of America. Peña, D. 1987: Modelos Lineales y series temporales. 652pp. Ed. Universidad Poltécnica de Madrid, España. Rencher, A. 1988: On the use of Correlations to interpret canonical functions, Biometrika. 75(2):363-365. Solman, S., M. Nuñez. 1999: Local Estimates of Global Climate Change: A Statistical Downscaling Aproach, International Journal of Climatology, 19:835-861. Storch, H. & F. Zwiers. 1999: Statistical Analysis in Climate Research. Cambrigde University Press, United Kingdomm, 488 pp. Wilby, R. & T. Wigley. 2000: Downscaling General Circulation Model Output. A Reappraissal of Methods and Limitations, Material bibliográfico en impresión, Organización Mundial de Meteorología, 2000. ANEXO 9a 19