modelación de los impactos del cambio climático
TRANSCRIPT
Modelación de los Impactos del Cambio
Climático Sobre los Sistemas de Recursos
Hidráulicos
Eusebio Ingol Blanco, Ph.D., A.M.ASCE Profesor y Coordinador Académico del Programa de Ingeniería Civil,
Universidad San Ignacio de Loyola
Profesor Visitante, Universidad Nacional Agraria La Molina
[email protected], [email protected]
www.eusebioingolb.weebly.com
Outline
• Una introducción a los modelos de clima
• Modelación a escala local
• Técnica de downscaling
• Modelación hidrológica y de recursos
hídricos
Entender las Causas y Efectos del Clima
no es Fácil
Como influyen las causas naturales y antropogénicas ?
Que modelos predicen esto?
Modelos de Circulación General (GCMs)
En cada celda Grid los GCMs calculan:
Temperatura (T)
Presión (P), Viento (U, V), Humedad (Q)
Que Recursos se Necesitan?
Texas Advanced Computing Center
World’s Fastest Supercomputer
Perform 579.4 trillion operations per second
30,000 faster than today’s desktop computers
Offers nearly 200 millions computing hours per year to researchers
Porque Debemos Creer en los GCMs?
• Modelos determinísticos.
• Usan ecuaciones: Continuidad, Momento, Energía,
Ecuaciones de Estado.
• Reproducen las condiciones de clima histórico
representan interacciones entre el Océano, Tierra, y
Atmosfera.
Pero hay que tener mucho cuidado • Importante Incertidumbre: Estructura del
modelo, representación de procesos físicos,
resolución espacial y temporal, formulación de
escenarios climáticos.
Cuáles son las Interrogantes a Nivel de
Cuenca?
• ¿Cuál sería la respuesta hidrológica de la cuenca?
• ¿Qué pasará con la disponibilidad de agua en la
cuenca durante las próximas décadas ?
• ¿Cómo la infraestructura hidráulica, como presas
y canales de los distritos de riego, puede ser
operada para una adaptación confiable al cambio
climático?
Cuáles son las Interrogantes a Nivel de
Cuenca?
• ¿Qué medidas o estrategias, para reducir la
vulnerabilidad e incrementar la resiliencia, serían
las más adecuadas para adaptar los sistemas de
recursos hídricos al cambio climático?
Series Clima
Pr, T, RH, Wv
Uso de la
Tierra y Cov.
Modelación del Manejo
de agua
Evaluación de Impactos
Estrategias de
Adaptación
Predicción del Abastecimiento
Agua
Reducción Escala
Estadística
Dinámica
Caudales: Naturales
Históricos
Modelación Hidrológica e
Hidráulica
Inf.
Hidráulica
Mejora
Política Fin
No
Si
Escenarios de
Cambio
Climático
Modelos de
Circulación
General
Análisis de
Incertidumbre
Modelación a Escala Local
Selección de GCMs
Que criterio?
• Resolución espacial
• Modelos acoplados atmósfera-océanos
• Desempeño en la región
• Realizaciones
Que escenario de emisión?
• A1B: Media emisión, el cambio tecnológico en el
sistema energético es equilibrado en todas las fuentes de
energía fósiles y no fósiles
• A2: Alta emisión, alto crecimiento poblacional, cambio
tecnológico y crecimiento económico mas fragmentado
Downscaling GCMs Downscaling: Permite incrementar la resolución espacial de GCMs para
obtener datos de clima a escala local.
Estadística
Basado sobre relaciones estadísticas
entre datos de clima a escala global
(GCMs) y local
Dinámica
Desarrollo de Modelos de Clima Regional
(RCMs), usando como condiciones de
frontera datos de GCMs
220 km ( 2.0 x 2.0o)
104°30'0"W
104°30'0"W
105°0'0"W
105°0'0"W
105°30'0"W
105°30'0"W
106°0'0"W
106°0'0"W
106°30'0"W
106°30'0"W
107°0'0"W
107°0'0"W
29°30'0"N 29°30'0"N
29°0'0"N 29°0'0"N
28°30'0"N 28°30'0"N
28°0'0"N 28°0'0"N
27°30'0"N 27°30'0"N
27°0'0"N 27°0'0"N
26°30'0"N 26°30'0"N
104°30'0"W
104°30'0"W
104°45'0"W
104°45'0"W
105°0'0"W
105°0'0"W
105°15'0"W
105°15'0"W
105°30'0"W
105°30'0"W
105°45'0"W
105°45'0"W
106°0'0"W
106°0'0"W
106°15'0"W
106°15'0"W
106°30'0"W
106°30'0"W
106°45'0"W
106°45'0"W
107°0'0"W
107°0'0"W
107°15'0"W
107°15'0"W
29°45'0"N 29°45'0"N
29°30'0"N 29°30'0"N
29°15'0"N 29°15'0"N
29°0'0"N 29°0'0"N
28°45'0"N 28°45'0"N
28°30'0"N 28°30'0"N
28°15'0"N 28°15'0"N
28°0'0"N 28°0'0"N
27°45'0"N 27°45'0"N
27°30'0"N 27°30'0"N
27°15'0"N 27°15'0"N
27°0'0"N 27°0'0"N
26°45'0"N 26°45'0"N
26°30'0"N 26°30'0"N
26°15'0"N 26°15'0"N
104°24'0"W
104°24'0"W
107°12'0"W
107°12'0"W
30°24'0"N 30°24'0"N
27°36'0"N 27°36'0"N
103°42'0"W
103°42'0"W
104°3'0"W
104°3'0"W
104°24'0"W
104°24'0"W
104°45'0"W
104°45'0"W
105°6'0"W
105°6'0"W
105°27'0"W
105°27'0"W
105°48'0"W
105°48'0"W
106°9'0"W
106°9'0"W
106°30'0"W
106°30'0"W
106°51'0"W
106°51'0"W
107°12'0"W
107°12'0"W
107°33'0"W
107°33'0"W
107°54'0"W
107°54'0"W
30°59'0"N 30°59'0"N
30°52'0"N 30°52'0"N
30°45'0"N 30°45'0"N
30°38'0"N 30°38'0"N
30°31'0"N 30°31'0"N
30°24'0"N 30°24'0"N
30°17'0"N 30°17'0"N
30°10'0"N 30°10'0"N
30°3'0"N 30°3'0"N
29°56'0"N 29°56'0"N
29°49'0"N 29°49'0"N
29°42'0"N 29°42'0"N
29°35'0"N 29°35'0"N
29°28'0"N 29°28'0"N
29°21'0"N 29°21'0"N
29°14'0"N 29°14'0"N
29°7'0"N 29°7'0"N
29°0'0"N 29°0'0"N
28°53'0"N 28°53'0"N
28°46'0"N 28°46'0"N
28°39'0"N 28°39'0"N
28°32'0"N 28°32'0"N
28°25'0"N 28°25'0"N
28°18'0"N 28°18'0"N
28°11'0"N 28°11'0"N
28°4'0"N 28°4'0"N
27°57'0"N 27°57'0"N
27°50'0"N 27°50'0"N
27°43'0"N 27°43'0"N
27°36'0"N 27°36'0"N
27°29'0"N 27°29'0"N
27°22'0"N 27°22'0"N
27°15'0"N 27°15'0"N
27°8'0"N 27°8'0"N
27°1'0"N 27°1'0"N
26°54'0"N 26°54'0"N
26°47'0"N 26°47'0"N
26°40'0"N 26°40'0"N
26°33'0"N 26°33'0"N
26°26'0"N 26°26'0"N
26°19'0"N 26°19'0"N
26°12'0"N 26°12'0"N
26°5'0"N 26°5'0"N
25°58'0"N 25°58'0"N
25°51'0"N 25°51'0"N
25°44'0"N 25°44'0"N
25°37'0"N 25°37'0"N
25°30'0"N 25°30'0"N
25°23'0"N 25°23'0"N
25°16'0"N 25°16'0"N
25°9'0"N 25°9'0"N
25°2'0"N 25°2'0"N
GCM Data
55 km ( 0.5o x 0.5o)
30 km ( 0.27o x 0.27o)
12 km ( 0.11o x 0.11o)
Downscaling GCMs
104°24'0"W
104°24'0"W
107°12'0"W
107°12'0"W
30°24'0"N 30°24'0"N
27°36'0"N 27°36'0"N
103°42'0"W
103°42'0"W
104°3'0"W
104°3'0"W
104°24'0"W
104°24'0"W
104°45'0"W
104°45'0"W
105°6'0"W
105°6'0"W
105°27'0"W
105°27'0"W
105°48'0"W
105°48'0"W
106°9'0"W
106°9'0"W
106°30'0"W
106°30'0"W
106°51'0"W
106°51'0"W
107°12'0"W
107°12'0"W
107°33'0"W
107°33'0"W
107°54'0"W
107°54'0"W
30°59'0"N 30°59'0"N
30°52'0"N 30°52'0"N
30°45'0"N 30°45'0"N
30°38'0"N 30°38'0"N
30°31'0"N 30°31'0"N
30°24'0"N 30°24'0"N
30°17'0"N 30°17'0"N
30°10'0"N 30°10'0"N
30°3'0"N 30°3'0"N
29°56'0"N 29°56'0"N
29°49'0"N 29°49'0"N
29°42'0"N 29°42'0"N
29°35'0"N 29°35'0"N
29°28'0"N 29°28'0"N
29°21'0"N 29°21'0"N
29°14'0"N 29°14'0"N
29°7'0"N 29°7'0"N
29°0'0"N 29°0'0"N
28°53'0"N 28°53'0"N
28°46'0"N 28°46'0"N
28°39'0"N 28°39'0"N
28°32'0"N 28°32'0"N
28°25'0"N 28°25'0"N
28°18'0"N 28°18'0"N
28°11'0"N 28°11'0"N
28°4'0"N 28°4'0"N
27°57'0"N 27°57'0"N
27°50'0"N 27°50'0"N
27°43'0"N 27°43'0"N
27°36'0"N 27°36'0"N
27°29'0"N 27°29'0"N
27°22'0"N 27°22'0"N
27°15'0"N 27°15'0"N
27°8'0"N 27°8'0"N
27°1'0"N 27°1'0"N
26°54'0"N 26°54'0"N
26°47'0"N 26°47'0"N
26°40'0"N 26°40'0"N
26°33'0"N 26°33'0"N
26°26'0"N 26°26'0"N
26°19'0"N 26°19'0"N
26°12'0"N 26°12'0"N
26°5'0"N 26°5'0"N
25°58'0"N 25°58'0"N
25°51'0"N 25°51'0"N
25°44'0"N 25°44'0"N
25°37'0"N 25°37'0"N
25°30'0"N 25°30'0"N
25°23'0"N 25°23'0"N
25°16'0"N 25°16'0"N
25°9'0"N 25°9'0"N
25°2'0"N 25°2'0"N
220 km ( 2.0 x 2.0o)
12 km ( 0.11o x 0.11o)
¿Cuál es el Procedimiento? Corrección por BIAS.
• Este paso identifica cómo un determinado GCM
tiende a ser demasiado húmedo / seco / frío /
cuando se simulan las condiciones climáticas del
pasado en relación con las observaciones.
• El propósito es eliminar estas tendencias a partir de
los datos de proyección utilizando una técnica de
mapeo cuantil.
(Wood et al. 2002, Wood et al.
2004, and Maurer 2007)
¿Cuál es el Procedimiento? Espacial-Downscaling.
• Este paso traduce espacialmente las proyecciones
ajustadas de los GCMs (1950-2099) a partir de la
resolución espacial del modelo de clima (2°, 2.8° grid) a una resolución más relevante para el
análisis a escala de cuenca (12km x 12km).
(Wood et al. 2002, Wood et al.
2004, and Maurer 2007)
Proyección de la Temperatura y Precipitación
Multi-Model Ensemble
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
2040 2050 2060 2070 2080 2090
Tem
per
atu
re A
no
mal
y (o
C)
A2 A1B
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
2040
-59_
A1B
2060
-79_
A1B
2080
-99_
A1B
2040
-59_
A2
2060
-79_
A2
2080
-99_
A2
Tem
per
atu
re A
no
mal
y(oC
)
-150
-100
-50
0
50
100
150
2040 2050 2060 2070 2080 2090
Pre
cip
itat
ion
An
om
aly
(mm
)
Year
A2 A1B
-150
-100
-50
0
50
100
150
-150
-100
-50
0
50
100
150
2040
-59_
A1B
2060
-79_
A1B
2080
-99_
A1B
2040
-59_
A2
2060
-79_
A2
2080
-99_
A2
Pre
cip
itat
ion
An
om
aly
(mm
)
Modelación Hidrológica
Initial and
boundary
conditions
Outputs Inputs Hydrologic
processes
Equations for
water balance
Climate data ( T, P, RH, WV)
Land use, soil
Climate
change data
Z1
Z2 Base flow
Sub- surface runoff
Surface runoff
k1
k2
Percolation
Smax
P
ET
Water
resources
model
Rango de Variabilidad en la Predicción de
Caudales Anuales
Box plot showing the variation range (Max, P75, Median, Min, and P25) for each GCM for
the A2 scenario at Ojinaga. Dashed sky-blue line corresponds to the natural flow for the
period 1940-1999.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
CCSM3 CGCM31 ECHAM5 Hadley MIROC32
Stre
a m
flo
w (
Mill
ion
M3
)
Cambio Relativo
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
Cu
mu
lati
ve P
rob
abili
ty
Relative Change (%)
A1B_data A1B_GEV A2_data A2_GEV
Caudales Máximos Anuales bajo CC
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 100 200 300 400 500 600 700
Exce
ed
ance
Pro
bab
ility
Annual Max streamflow(m3/s)
2040-2059 2060-2079 2080-2099 1980-1999
Scenario Pr/TR 1980-99 2040-59 2060-79 2080-99
A2
P(Q ≥300) 0.30 0.22 0.10 0.06
T = 1/p 3.33 4.5 10.0 16.7
P(Q ≥100) 0.80 0.94 0.98 0.96
T= 1/p 1.25 1.06 1.02 1.04
A1B
P(Q ≥300) 0.30 0.10 0.12 0.20
T= 1/p 3.33 10.00 8.33 5.00
P(Q ≥100) 0.80 0.96 0.98 1.00
T= 1/p 1.25 1.04 1.02 1.00
Modelación Integrada de los Recursos
Hídricos Link el Modelo Hidrológico con el Modelo de Planificación de Recursos Hídricos
Z1
Z2
Base flow
Sub- surface runoff
Surface runoff
k1
k2
Percolation
P ET
River Irrigation
Aquifer storage
Storage capacity
Initial storage
Maximum withdrawal
Recharge InterflowBaseflowETRunoffecipiation
dt
ds Pr
Priorities
1: Municipal,
2: Irrigation Districts
3: Small Irrigations.
4: water treaty
Efectos del Cambio Climático en el Sistema
de Recursos Hídricos
-30
-20
-10
0
10
20
30
Irrigation (GW) Irrigation (SW) Municipal Water Treaty
Ch
ange
(%
)
2099 A2
Period 2040-2099
Estrategias de Adaptación del Sistema
2099
-30
-20
-10
0
10
20
30
SI SII SIII SIV SI SII SIII SIV SI SII SIII SIV SI SII SIII SIV
Irrigation (GW) Irrigation (SW) Municipal Water Treaty
Ch
ange
(%
)
System performance as % change from A2 scenario. 2040-2099
Impacto en Reservorios
2099
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Oct
-20
39
Oct
-20
42
Oct
-20
45
Oct
-20
48
Oct
-20
51
Oct
-20
54
Oct
-20
57
Oct
-20
60
Oct
-20
63
Oct
-20
66
Oct
-20
69
Oct
-20
72
Oct
-20
75
Oct
-20
78
Oct
-20
81
Oct
-20
84
Oct
-20
87
Oct
-20
90
Oct
-20
93
Oct
-20
96
Alm
ace
nam
ien
to M
ensu
al (
MM
3)
A2
A1B
Baseline
Reservorio La Boquilla
Que ocurre en el Perú?
2099 Loreto
Ucayali
Puno
Cusco
Junín
Lima
Arequipa
Ica
Piura
Madre de Dios
Ancash
San Martín
Ayacucho
Huánuco
Pasco
Amazonas
Cajamarca
Tacna
La Libertad
Apurímac
Moquegua
Huancavelica
Lambayeque
Callao
Tumbes
Callao
Loreto
Ucayali
Puno
Cusco
Junín
Lima
Arequipa
Ica
Piura
Madre de Dios
Ancash
San Martín
Ayacucho
Huánuco
Pasco
Amazonas
Cajamarca
Tacna
La Libertad
Apurímac
Moquegua
Huancavelica
Lambayeque
Callao
Tumbes
Callao
Legend
PER_adm1
Kriging_SERE1
Value
High : 232.43
Low : -90.32
Pr (mm) - 2080-99
SRES
A2
Que ocurre en el Perú?
• No hay datos escalados disponibles para aplicaciones
en recursos hídricos.
• A escala de cuenca, el análisis de los impactos del
cambio climático son muy generales.
• Se propone un Proyecto Nacional que incluya el
análisis y downscaling de GCMs outputs. Con ello, la
evaluación de impactos a nivel de sistemas hídricos,
estrategias de adaptación, incertidumbre GCMs.
Resumen
2099
• La evaluación de impactos del cambio climático sobre
los sistemas de recursos hidráulicos es un proceso
complejo.
• A escala de cuenca, la incertidumbre se propaga a
través de una modelación en cadena, desde que este
proceso requiere el desarrollo y aplicación de modelos
de clima, modelación hidrológica y recursos hídricos.
• Medidas para reducir la vulnerabilidad e incrementar la
resiliencia de los sistemas son necesarias en un marco
de gestión integrada de los recursos hídricos.