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RECONSTRUCCIONES DEL CLIMA EN EL PERIODOHISTÓRICO A PARTIR DE FUENTES DOCUMENTALES:ASPECTOS METODOLÓGICOS
Fernando Sánchez RodrigoDpto. Física AplicadaUniversidad de Almerí[email protected]
Seminario CLIVAR España. CLIMA EN ESPAÑA: PASADO, PRESENTE Y FUTURO. Contribución a un Informe de Evaluación del Cambio Climático Regional. 11-13 Febrero 2009, Madrid.
Proyecto “Caracterización del clima de la Península Ibérica durante el periodo1750-1850”, 2008-2011, Ministerio de Medio Ambiente, y Medio Rural y Marino
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Introducción
Objetivo de la climatología histórica
Reconstrucción de la variabilidad climática previa a la recopilaciónsistemática de datos instrumentales.
Datos “proxy”, fuentes documentales
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Fuentes documentales
Dispersión espacio-temporal de las informaciones
Contrastación de diferentes fuentesIntegración de diferentes fuentes para elaborar series temporalesde suficiente extensión.
Subjetividad inherente a este tipo de fuentes
Sistema de índices de severidad basados en los impactos
La vulnerabilidad de las infraestructuras del pasado pudo ser muydistinta a la del presente, y cambiar de unas épocas a otras.
Riesgo: considerar como extremos fenómenos “normales” segúnlos estándares actuales, sobrevalorar ciertos sucesos.
Análisis histórico (autor, fuente, fiabilidad, datación, …)
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Indices de severidad.
Indices mensuales, Im = -1, 0, +1
Indices estacionales: Is = Im = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3
Aunque pueden reflejar valores medios de temperaturao totales de precipitación acumulada, no reflejan lavariabilidad intramensual, o intraestacional.
Hipótesis de partida: los extremos climáticos responden a una distribución simétrica entorno al valor medio(lo “normal” se indexa con el valor 0)
Promedio de los índices asignados a diferentes episodios parauna localidad (índice local), o entre los índices de varias localidades (índice regional)
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Reconstrucción
Calibración con datos instrumentales para un periodo de solapamiento
Murcia, autumn
-3
-2
-1
0
1
2
3
1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900
Ejemplo: índices pluviométricos de otoño en Murcia (Rodrigo & Barriendos, 2008,Global and Planetary Change, 63: 243-257)
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Murcia, autumn
I
Z
-3 -2 -1 0 1 2 3-3
-2
-1
0
1
2
3
Murcia, autumn
ZI
1860 1870 1880 1890 1900-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-3
-2
-1
0
1
2
3
Murcia, autumn
ObservationsForecasts
1865 1870 1875 1880 1885 1890 1895 1900-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Calibración Validación
Periodo de solapamiento: 1866-1900
r=0.33
Si el periodo es muy breve,correlación cruzada.
z=0.5+0.8Ir=0.55
No siempre es posible encontrarun periodo de solapamiento
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ReconstrucciónMurcia, autumn
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
Rain
fall
anom
alie
s
Reconstructed series zr0sr0=0.50
Instrumental series zisi=0,85
(a)
zr0 = a + bI
Murcia, autumn
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
Rain
fall
anom
alie
s
Reconstructed series zr1mean value=0,56; sr1 = 0,85
Instrumental series zimean value=0,12; si =0,85
(b)
d = 0,44
zr1=(si/sr0)zr0
Murcia, autumn
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
Rain
fall
anom
alie
s
Reconstructed series, zr2 Instrumental series, zi
(c)
zr2 = zr1 - dMean value = 0,12sr2 = 0,85
Pérdida de varianza
Factor de inflaciónDegradación de la serie instrumental mediante la adición de un ruido blanco
Homogeneidad de la serie reconstruida
Normalmente, no existe una serie homogénea de referencia.
t-test Media y varianzadel periodo históricoiguales a las delinstrumental
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Murcia, autumn
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
Rai
nfa
ll an
om
alie
s
Reconstrucción
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Problemas metodológicos: resumen
Subjetividad de las fuentes
Sistema de índices basados en impactos puede ser inapropiado
Problemas de calibración/verificación(Inexistencia de un periodo de solapamiento, o que éste sea muy breve)
Pérdida de la varianza en la serie reconstruida
Homogeneidad de la serie reconstruida
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Método alternativo
Modelo conceptualde cambio climático
Cambios en la función de distribuciónrepresentativa de la variable climática
Del pasado, sólo conocemosla frecuencia de extremos endeterminados periodos.
Objetivo: inferir los parámetros de la función de distribución a partir de la frecuencia de extremos.
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Método alternativo (Rodrigo, 2008. Climatic Change, 87: 471-487)
Contabilizar estaciones extremas en periodos de 30 años del pasado, nw y nd
(por hipótesis, situaciones en las cuales los valores umbral fueron excedidos)
Si FX es la función de distribución representativa de la variable climática, los cuantiles qw y qd que permiten definir estaciones húmedas y secas puedenencontrarse como (n= 30)
n
nFq)q(FqXobPr
n
n d1XddXd
d
n
n1Fq)q(F1qXobPr1qXobPr
n
n w1XwwXww
w
Hipótesis: FX es la distribución normal, válida para lluvias totales estacionalesen Andalucía, excepto en el caso del verano (Rodrigo, 2002. Theoretical and Applied Climatology, 72: 193-207)
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La distribución normal puede estandarizarse y transformarse en una N(0;1)
Los cuantiles de la serie pueden establecerse de la forma
cd = u + sqd cw = u + sqw
(u= valor medio; s = desviación típica, q = cuantil de la N(0;1), c = cuantil de la normal no estandarizada)
Conocidos cw y cd a partir de un periodo instrumental de referencia, podemos obtener u y s para un periodo de 30 años del pasado en la forma
dw
dw
ccs
u = cw – sqw = cd -sqd
Falta de datos implica que si nd = 0 qd - y si nw = 0 qw Gaps
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Standard deviation
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
SD
(m
m)
En resumen, para periodos de 30 años, nd , nw qd , qw s, u
Validación del método: reconstrucción de la serie regional de Andalucía de precipitaciones de invierno (datos en Rodrigo et al., 1999, Int. J. Climatol.,19: 1233-1253) periodo instrumental 1821-2000, periodos sucesivos de 30 años
Mean value
0
50
100
150
200
250
300
1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Mean
valu
e (
mm
)
Periodo de referencia: 1961-1990
cd = 162.2 mm (percentil 25)cw = 268.8 mm (percentil 75)
Línea continua: reconstrucción.Línea discontinua: observaciones
Sobreestimación (s)/subestimación (u)de las observacionesRMSE(u) = 18 mm (8%)RMSE(s) = 25 mm (23%)
r=0.38
r=0.98
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Standard deviation
0
50
100
150
200
250
1500 1600 1700 1800 1900 2000
s (m
m)
Mean value
0
50
100
150
200
250
300
350
1500 1600 1700 1800 1900 2000
u (
mm
)Reconstrucción de las precipitaciones de invierno en Andalucía (1501-2000)periodos sucesivos de 30 años, desde 1501-1530 hasta 1971-2000 (Rodrigo, 2008. Climatic Change, 87: 471-487 )
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1651-16801681-17101711-1740
Rainfall (mm)0 100 200 300 400 500
0
2
4
6
8
10(X 0,001)
Aplicaciones
Periodo u (mm) s (mm)1651-1680 222.8 54.61681-1710 230.5 45.51711-1740 219.2 51.3
El Mínimo Maunder secaracteriza en Andalucíapor un aumento (descenso)de u (s)
cd cw
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Oscilación “Maldá”: 1760-1800 (Barriendos & Llasat, 2003, Clim. Change, 61: 191-216)
1741-17701771-1800
Rainfall (mm)0 100 200 300 400 500
0
2
4
6
8
10(X 0,001)
Periodo u (mm) s (mm)1741-1770 238,5 41,61771-1800 234,6 65,2
El último tercio delsiglo XVIII se caracterizapor un aumento acusado de s respecto al periodoanterior
cd
cw
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Ventajas del método:
No se precisa encontrar un periodo de solapamiento entre datos documentales e instrumentales.
Los percentiles 25 y 75 permiten recoger un amplio intervalo de situaciones sin conjeturas sobre el grado o magnitud de los fenómenos.
No se corrigen las series para buscar la homogeneidad
Problemas del método:
La hipótesis de normalidad puede no ser adecuada.
Resolución temporal de baja frecuencia (periodos largos)
Ausencia de información nd = nw = 0, obliga a la aparición de huecosen las series reconstruidas.
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Falta de datos.
¿Es suficiente el número de informaciones encontradas?
Distribución binomial = Prob x>c = 0.5 si c=P25, P75
n = 30
15nnn wd 5.7)1(n)nnvar( wd
Criterio: El número total de estaciones extremas es satisfactorio si está incluidoen el intervalo )nnvar(2nn wdwd
n=nd+nw
0
5
10
15
20
25
1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850
n
Serie regional de Andalucía, número de inviernos extremos en periodos sucesivos de 30 años, 1501-1820.
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Hipótesis de normalidad
Ejemplo: serie de precipitaciones totales de Murcia en otoño
Murcia, otoño, 1961-1990
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Precipitation (mm)
F Normal (u=100,1; s=82,1)KS=0.1467
Gamma (=1,5; = 67,9)KS=0.0695
cd=49 mm cw=139 mm
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Hipótesis: FX es la función de distribución gamma incompleta
(FX) = 1
?Sea = 2.83, valor medio de los parámetros correspondientes a periodos de 31 años en la serie instrumental (1866-2000)
)n
n1(Fq w1
Xw
);(
FX
uq
ccq
w
www
Murcia, otoño
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1850 1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990
u (
mm
)
RMSE = 6.9 mm (7%)r = 0.95
Observado
Reconstruido
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Reconstrucción
Murcia, otoño
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
u (m
m)
Media móvil 31 años, método de índices
r = 0.55
Murcia, otoño
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
u (m
m)
Método de FX para periodos sucesivos de 31 años
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Resolución temporal
El método proporciona las medias para periodos sucesivos de n años
rK
rkktt x
1r2
1u
rk
rkk1t1t x
1r2
1u
Sea n impar (por ejemplo n=31) n = 2r + 1 (r=15)
rtr1tt1t xx1r2
1uu
)uu(nxx t1tr1trt
Mediante un proceso iterativo podemos obtener los valores x a partirde los datos instrumentales y las medias móviles.
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Posibles desarrollos
Uso de diferentes funciones de distribución (lognormal, exponencial, Weibull, …)
Cambio de los valores umbral c (otros percentiles)
Reducción de la escala temporal
Comparación con otros datos “proxy” (anillos de árboles)
Reconstrucción de temperaturas
Relación con factores causales (NAO, ENSO, “forcings” solar, volcánico, [CO2])