Selección de estaciones climatológicas

En la primera etapa del estudio se obtuvieron los datos de un total de 37 estaciones climatológicas ubicadas dentro de los límites del estado (^{SMN, 2021}). Los datos corresponden a la precipitación acumulada diaria en milímetros (mm/día). Las 37 estaciones fueron colocadas en series de tiempo continuas que cubrían el periodo del 1 de enero de 1981 al 30 de junio de 2018. Posteriormente, las series de tiempo fueron sujetas a procesos de control de calidad. Se realizó una verificación de la persistencia de las series y se determinó el porcentaje de datos perdidos, con lo que se concluyó emplear solo aquellas estaciones con menos del 20% de los datos faltantes. También se realizó un chequeo de la consistencia espacial de los datos diarios a fin de detectar errores de medición, contrastando los valores de precipitación con las estaciones vecinas. De las 37 estaciones climatológicas iniciales, 27 cumplieron con los criterios de homogeneidad establecidos (Tabla 1) y las 10 restantes fueron descartadas.

Determinación de eventos extremos

No existe un criterio único para la determinación de un EEP. Algunos estudios utilizan los productos del Grupo de Expertos en Detección e Índices de Cambio Climático (ETCCDI) a fin de analizar su distribución espaciotemporal y sus tendencias empleando datos de estaciones climatológicas o reanálisis (^{Pineda-Martínez et al., 2020}; ^{Tramblay et al., 2013}; ^{Yin y Sun, 2018}). Otras investigaciones optan por el uso de percentiles como técnica para la definición de tales eventos (^{Agel et al., 2015}; ^{Oliveira et al., 2017}; ^{Pérez-Morga et al., 2013}; ^{Zúñiga y Magaña, 2018}). También se pueden mencionar aquellos enfoques basados en el cálculo de periodos de retorno de lluvias intensas (^{Gutiérrez Lozano et al., 2011}; ^{Kunkel et al., 2003}). Es importante señalar que cada uno de estos enfoques presenta sus propias ventajas y limitaciones.

Para el presente estudio se optó por utilizar un enfoque basado en picos sobre el umbral de la precipitación diaria. El umbral seleccionado fue el percentil 99th de los días húmedos; es decir, cuando la precipitación diaria registrada por la estación fuera diferente a cero (^{Agel et al., 2015}; ^{Oliveira et al., 2017}). El uso de días húmedos permitió generar umbrales significativamente mayores (Tabla 1), facilitando la identificación de los eventos más severos. Asimismo, en la técnica de picos sobre el umbral, los datos faltantes no representan un problema tan crítico como en otras metodologías y permite la selección de umbrales por estación, lo que ayuda a reflejar las variaciones regionales y locales de estos eventos (^{Agel et al., 2015}). Este proceso metodológico permitió la producción de una base de datos que concentra las fechas de los EEP históricos.

Trayectorias de ciclones tropicales

Los ciclones tropicales (CT) juegan un papel fundamental en el régimen pluviométrico y el balance hídrico a nivel mundial (^{Khouakhi et al., 2017}). Para el caso de México se estima que la contribución de los CT a la precipitación media anual oscila entre el 10%-50%, con una mayor influencia sobre las regiones costeras del golfo de California, el golfo de México y el océano Pacífico (^{Agustín Breña-Naranjo et al., 2015}; ^{Dominguez y Magaña, 2018}). Asimismo, se ha reportado que alrededor de la mitad de los EEP en el país se relacionan con ciclones tropicales, principalmente sobre la cuenca del Pacífico Oriental, el Caribe y el golfo de México (^{Dominguez et al., 2021}).

Con el objetivo de identificar el origen de los eventos extremos de precipitación en el estado de Colima, se utilizaron los datos del Archivo Internacional de Mejores Trayectorias para la Gestión del Clima (IBTrACS, por sus siglas en inglés) (^{Knapp et al., 2010}, ²⁰¹⁸). Dicho conjunto de datos proporciona la localización e intensidad de los ciclones tropicales a nivel mundial, desde 1842 hasta el presente, en intervalos de hasta tres horas. Para este análisis se utilizó el conjunto de datos IBTrACS v4, disponible de manera gratuita a través del servidor del National Centers for Environmental Information (NCEI).¹

Como primer paso, se filtró el conjunto de datos utilizando como criterios de exclusión el periodo del 1 enero de 1981 al 30 de junio 2018. Posteriormente se seleccionaron aquellas trayectorias que presentaban una categorización de depresión tropical o superior en la Escala Saffir-Simpson. Después se trazó un área de influencia de 500 km sobre el área estatal del estado. Empleando herramientas de superposición vectorial se extrajeron todas aquellas trayectorias que se encontraron dentro del área de influencia establecida. Con este proceso se infiere que las precipitaciones asociadas al ciclón tropical se concentran alrededor de los 500 km desde el centro del sistema. Dicho umbral (500 km) ha sido ampliamente utilizado (^{Cavazos et al., 2008}; ^{Dominguez y Magaña, 2018}; ^{Khouakhi et al., 2017}). Los criterios mencionados permitieron la creación de una segunda base de datos que pudo ser contrastada con aquella que contenía los EEP.

Características generales de la precipitación

De acuerdo con la climatología generada, el periodo húmedo en Colima se concentra en verano durante los meses de julio, agosto y septiembre, con acumulados mensuales entre los 180-213 mm en promedio (Figura 2). Los meses de junio y octubre se identifican como períodos de transición húmedos con acumulados de alrededor de 90-100 mm mensuales. De noviembre a marzo la temporada de secas se instaura en el estado con una clara demarcación sobre los meses de marzo y abril. También se observan algunas diferencias con respecto a la distribución estacional de la precipitación a nivel nacional (Figura 2). La más evidente tiene que ver con acumulados mensuales mayores al promedio nacional. Estudios previos han identificado a la costa del Pacífico como una de las regiones más húmedas del territorio (^{Magaña et al., 1999}). La colindancia con el océano Pacífico (disponibilidad de humedad) y la compleja orografía del territorio (procesos de convección forzada) son dos elementos que ayudan a explicar en buena medida dicho comportamiento.

Figura 2 Precipitación media mensual en el estado de Colima (línea punteada) y subregiones (barras en tonos rojos) para el periodo 1981-2018. La línea continua representa la media mensual nacional. 

Pese a la limitada extensión territorial del estado se pueden observar diferencias significativas en la distribución de la precipitación por regiones (Figura 1 y Figura 2). La región norte prevalece como la más húmeda durante prácticamente todo el año. Lo anterior puede relacionarse con las características orográficas y uso de suelo, que permite la convección forzada y genera procesos de retroalimentación. Las diferencias observadas en un mismo mes entre la región norte con respecto a la centro y sur pueden ser de alrededor de 50 mm. Durante junio y julio la región centro prevalece con acumulados mayores con respecto a la región sur. En agosto el centro y sur tienden a igualarse, y posteriormente, en septiembre y octubre la región sur se alza con los mayores acumulados mensuales con respecto a la región centro. La transición observada del centro hacia sur puede relacionarse con el paso de ciclones tropicales y su mayor influencia sobre la costa en este mismo periodo.

De acuerdo con el análisis realizado con la base de datos IBTrACS, la influencia de los ciclones tropicales sobre el estado de Colima muestra una clara tendencia de aparición en los meses húmedos de agosto, septiembre y octubre. Para el periodo de análisis se contabilizaron un total de 112 ciclones tropicales y 593 días de influencia de estos sobre el territorio. Del total de días con alguna influencia sobre el estado de Colima, el 32% corresponde a depresiones tropicales y el 42% a tormentas tropicales. Para el caso de huracanes se obtuvieron distribuciones del 11%, 6%, 4%, 4% y 1% para las categorías 1, 2, 3, 4 y 5 respectivamente.

Empleando los datos obtenidos de las estaciones climatológicas (Tabla 1) y el método de interpolación de la distancia inversa ponderada (IDW, por sus siglas en inglés) se obtuvo la distribución espacial de la precipitación media anual y el percentil 99th de los días húmedos (Figura 3). Una de las principales características observadas tiene que ver con la relación existente con los acumulados mayores y las regiones orográficas complejas. Los acumulados anuales máximos superan los 1300 mm y se localizan en el municipio de Minatitlán. Resalta también el sureste del municipio de Colima y el norte de Manzanillo. Los municipios de Comala y Cuauhtémoc también muestran valores que oscilan entre los 800-1000 mm anuales. La relación observada entre los máximos de precipitación y las regiones orográficas complejas ha sido previamente documentada en la zona empleando datos de precipitación en mallas regulares (^{León-Cruz et al., 2021}).

Figura 3 Precipitación media anual y percentil 99th de los días húmedos en el estado de Colima (1981-2018). 

El percentil 99th de los días húmedos permite conocer la precipitación mínima requerida para que, de acuerdo con la definición de EEP propuesta, un evento pueda considerarse como extremo. En este sentido, sobre el municipio de Manzanillo, así como la región colindante de Armería, Tecomán y el sur de Coquimatlán, los umbrales más altos oscilan alrededor de los 110 mm y los 140 mm al día. Existe también una clara división entre la región centro y sur del estado con respecto a la región noreste, donde pueden encontrarse los umbrales más bajos. Los municipios de Colima, Villa de Álvarez, Comala y Cuauhtémoc muestran valores desde los 67 mm y hasta los 90 mm para el percentil 99th de los días húmedos.

Es importante notar que las diferencias encontradas sobre el percentil 99th de la precipitación pueden duplicarse de un municipio a otro. Este resultado indica una fuerte variabilidad espacial de la severidad de los eventos de lluvia en el estado, y, por ende, una gran variedad de escenarios de peligro relacionados a los EEP. Mientras que en una región una lluvia con acumulados de 70 mm al día puede considerarse como muy severa, para otra zona a menos de 50 km de distancia, un evento similar puede clasificarse como normal. La identificación de los umbrales de precipitación de un evento extremo a través de estaciones climatológicas permite identificar estas variaciones locales y plantear escenarios distintos para cada municipio, e incluso a nivel de localidad.

Eventos extremos de precipitación (EEP)

Derivado del análisis de las estaciones climatológicas y la propuesta de identificación de EEP, se contabilizaron un total de 605 eventos en el estado de Colima para el periodo 1981-2018. Dicha cifra considera a los eventos identificados en las estaciones como sistemas independientes. Luego del trabajo de homogeneización y agrupamiento de eventos por fecha y cercanía, el número de EEP se redujo a 267. De este total, 188 eventos (70%) fueron registrados por una sola estación, 57 eventos por dos a cinco estaciones (21%), 13 eventos (5%) por entre seis y diez estaciones, y 10 eventos (4%) por más de diez estaciones.

Los resultados de identificación de eventos extremos por estación indican que estos fenómenos no son particularmente cohesivos desde el punto de vista espacial. Dicho comportamiento ha sido reportado anteriormente (^{Agel et al., 2015}) y se atribuye a la naturaleza misma de los fenómenos donde comúnmente se presentan como lluvias puntuales. Los eventos identificados en más de cinco estaciones están representados por aquellos genera- dos por sistemas de gran extensión, como pueden ser los ciclones tropicales, de los cuales se hablará más adelante, o bien con sistemas convectivos de mesoescala que han sido identificados previamente en la zona (^{Ríos-García, 2016}).

Distribución temporal de los EEP

La variación anual de los EEP se muestra en la Figura 4. Los resultados encontrados indican picos de actividad en los años 1992, 1998, 2003 y 2014. El mayor número de registros identificado fue en 1998 con 18 eventos. Las variaciones interanuales no muestran una tendencia de ocurrencia de eventos favorecida por alguna fase en particular del Niño Oscilación del Sur (ENOS), patrón climático ampliamente relacionado con la precipitación en México (^{Bravo Cabrera et al., 2018}; ^{Magaña et al., 2003}; ^{Pavia et al., 2006}). En este sentido, se requiere mayor investigación sobre la influencia de las diferentes oscilaciones climáticas sobre la zona de estudio, así como su posible impacto en la generación de EEP. La detección de los cambios en los patrones de precipitación y sus extremos es de vital importancia para la identificación de los posibles impactos del calentamiento global.

Figura 4 Variación anual de eventos extremos de precipitación (EEP) en el estado de Colima para el periodo 1981-2018. La línea continua se trazó en función de los EEP no-CT y la línea punteada empleando la frecuencia de los EEP sí-CT. 

Diferenciando los EEP entre aquellos asociados (sí-CT en adelante) y no asociados (no-CT en adelante) a ciclones tropicales se pueden observar diferencias claras. En primer lugar, los EEP no-CT superan en frecuencia a los EEP sí-CT en prácticamente todo el periodo analizado. Lo anterior puede explicarse a partir del hecho de que las condiciones necesarias para la generación de una tormenta local son mucho más frecuentes que la formación de un ciclón tropical con efectos sobre el estado. En este sentido, puede mencionarse el rol de los patrones de advección de humedad desde el océano Pacífico y su interacción con la orografía compleja de la zona, elementos que han sido señalados como determinantes para la formación de eventos de convección profunda y precipitaciones intensas en la región (^{León-Cruz et al., 2021}).

Al analizar las tendencias para los EEP sí-CT y no-CT, se puede observar cómo aquellos clasificados como no-CT poseen una ligera tendencia de incremento, caso contrario con aquellos etiqueta- dos como sí-CT. El incremento de la generación de eventos extremos de lluvia bajo escenarios de cambio climático ha sido ampliamente documentado. En este sentido, es probable que el forzamiento antropogénico termine provocando un aumento global de las precipitaciones extremas, debido principalmente al probable incremento del vapor de agua atmosférico y los entornos de inestabilidad asociados (^{Kunkel, 2003}; ^{Oliveira et al., 2017}; ^{Semmler y Jacob, 2004}). Para el caso aquí presentado, las tendencias encontradas requieren ser contrastadas con series de tiempo más extensas que permitan conocer a profundidad los cambios en los patrones de precipitación y sus extremos.

Desde el punto de vista estacional, los EEP tienen mayor recurrencia en los meses húmedos de verano y otoño, desde junio hasta octubre, con el pico de actividad en septiembre (Figura 5). Entre noviembre y mayo la actividad es baja, teniendo su mínimo en los meses secos de marzo y abril. Los eventos categorizados como no-CT comienzan a registrarse en el mes de junio, incrementan gradualmente en julio y alcanzan su máximo en agosto. Durante septiembre y octubre se presenta un decremento paulatino y se mantienen con baja aparición entre noviembre y mayo. Uno de los elementos que cobra mayor relevancia en la formación de este tipo EEP son las ondas del este (Dominguez et al., 2020) y particularmente, la generación de sistemas convectivos de mesoescala en Colima (^{Ríos-García, 2016}). Evidentemente no existe una buena correlación entre la distribución mensual de este tipo de EEP y la curva de influencia de los CT sobre el estado.

Figura 5 Variación mensual de eventos extremos de precipitación en el estado de Colima para el periodo 1981-2018. La línea punteada representa la influencia de CT (en función del porcentaje de días por mes) sobre Colima. 

Los EEP sí-CT también comienzan a registrarse en junio, pero en una menor proporción que los no-CT. Su documentación incrementa durante el mes de julio y decrece en agosto. Dicho decremento puede relacionarse de alguna manera a la influencia de la canícula en esta parte de México (^{Magaña et al., 1999}). Para el mes de septiembre los EEP sí-CT tienden a incrementarse significativamente, alcanzando su máximo de aparición y siendo coincidentes con la curva de influencia de los CT sobre el estado de Colima (Figura 5). En otras palabras, una mayor influencia de CT sobre la zona de estudio induce una mayor probabilidad de generación de un evento extremo. En octubre disminuye gradualmente el número de eventos registrados, y para el periodo entre diciembre y abril estos con valores nulos. Es importante mencionar que para este análisis se consideraron todos aquellos CT con influencia sobre el territorio colimense y no únicamente aquellos que lograron impactar la región continental.

Distribución espacial de los EEP

La Figura 6 muestra la distribución espacial del número total de EEP, así como su desglose por tipo (sí-CT y no-CT), y el promedio de la precipitación asociada. Se puede observar que la frecuencia de EEP en la región norte puede ser del doble en comparación con la región sur del estado (Figura 6, fila superior). En este sentido, el gradiente topográfico y las formas del terreno parecen determinar en buena medida la distribución de los EEP en el estado. También se puede identificar al norte del municipio de Manzanillo con frecuencias superiores a los 30 EEP. Esta zona es coincidente con el cerro La Espumilla, lo que revela nuevamente la importancia de la orografía en la generación de estos eventos a través de procesos de convección profunda y forzada por el terreno.

Figura 6 Total de EEP, desglose por tipo de evento (sí-CT y no-CT) y precipitación promedio asociada en el estado de Colima (1981-2018). 

Por otro lado, resulta interesante que los eventos más intensos son registrados en la zona sur del estado con acumulados superiores a los 180 mm. Los valores promedio de precipitación asociada decrecen hacia el norte, alcanzando su mínimo hacia el este del municipio de Colima donde un EEP promedio presenta acumulados de alrededor de los 100 mm. Si bien dicho valor no es despreciable, se muestra claramente cómo existen diferencias muy marcadas entre las características de los EEP del centro, norte y sur del estado. En resumen, si bien los EEP son más comunes en los municipios del norte, los eventos más extremos se localizan, en términos generales, sobre la porción sur.

Para el caso de los eventos sí-CT (Figura 6, fila intermedia) se puede observar cómo la región sur, principalmente sobre los municipios de Tecomán y Armería, y extendiéndose hacia el norte sobre Coquimatlán, Villa de Álvarez y Comala, muestran las mayores frecuencias en EEP. Al contrario de lo que podría pensarse, el municipio de Manzanillo no ostenta valores significativamente altos. La concentración de un alto número de EEP sí-CT sobre la porción central del territorio estatal se infiere que puede estar relacionada con el transporte de humedad sobre esta zona a través de procesos de canalización de flujos, mismos que serían los detonadores de la precipitación en la zona. Esta situación deberá ser investigada a profundidad para tener mayor certeza sobre dicho comportamiento. Al observar la precipitación promedio de los EEP sí-CT es perceptible que los acumulados mayores (con valores superiores a los 200 mm) se localizan sobre toda la franja costera. En otras palabras, los EEP sí-CT no son tan frecuentes sobre la porción sur del estado (principalmente en Manzanillo), pero los eventos que se documentan suelen ser bastante severos.

Para el caso de los EEP no-CT (Figura 6, fila inferior) la zona noreste se alza como más importante con respecto al número de registros, principalmente sobre los municipios de Cuauhtémoc y Colima. El gradiente altitudinal para este tipo de eventos parece jugar un papel más importante que para el caso de los EEP sí-CT. Investigaciones anteriores han documentado en esta porción norte del estado de Colima la presencia de nubes convectivas profundas (^{León-Cruz et al., 2019}) comúnmente asociadas a eventos extremos. En este sentido, el número total de EEP no-CT se distribuye desde poco más de 18 eventos al noreste y va decreciendo hacia el sur. Las precipitaciones promedio se distribuyen como se ha venido documentando previamente: mayores sobre la línea de costa y menores al norte del estado. Resulta importante señalar que diferencias de alrededor de 100 mm son encontradas entre estas zonas, lo que demuestra la importante variabilidad espacial de estos sistemas.

Características de los EEP

Para complementar la sección anterior, en la Figura 7 se muestran los gráficos de cajas para la precipitación asociada a los EEP, tanto de manera general como su desglose por tipo, y con particular atención a la temporada húmeda. La línea en medio de la caja representa la mediana y la ‘X’ la media. El límite inferior de la caja indica el primer cuartil y el límite superior el tercer cuartil. Las líneas por encima de las cajas y alambres (también conocidos como bigotes) indican los valores más lejanos y los puntos por encima de ellos los valores atípicos.

Figura 7 Gráficos de cajas de la precipitación asociada cada tipo de EEP para todo el periodo analizado y tomando especial atención en los meses húmedos. 

El objetivo de los gráficos de caja fue analizar las características de los EEP en función de su precipitación asociada. Dado que el periodo de secas que comprende de noviembre a mayo no muestra actividad significativa de EEP, se decidió utilizar únicamente los datos del periodo húmedo.

De manera general (Figura 7) se puede observar cómo los EEP sí-CT poseen los acumulados superiores con alrededor de 170 mm en promedio. Los extremos inferior y superior para estos eventos oscilan entre los 70 mm y 340 mm. Los casos considerados como atípicos superan incluso los 400 mm de lluvia diaria y representan los casos más extremos. En este sentido, se puede identificar a la Depresión Tropical y posterior Tormenta Tropical “Greg”, que afectó al territorio colimense el 5-6 de septiembre de 1999 (EEP identificado con 400.1 mm) y al Huracán “Jova” (Figura 8), que alcanzó una categorización de 3 en la Escala Saffir-Simpson y afectó el territorio entre el 10-12 de octubre de 2011 (EEP identificado con 404.5 mm). Estos dos eventos extremos representan los históricos acumulados para el estado de Colima y son un ejemplo claro del peligro que representan para la población de la región. Es importante mencionar que para ambos casos fueron emitidas declaratorias de desastre por parte del CENAPRED.²

Figura 8 Productos satelitales de GOES-13 (Knapp y Wilkins, 2018) para los casos de Huracán “Jova” y un Sistema Convectivo de Mesoescala. 

En los EEP no-CT se identifican, en promedio, acumulados menores con valores cercanos a los 125 mm. Los límites inferior y superior, representados por el primer y tercer cuartil, se ubican alrededor de los 100 m y 140 mm por evento (Figura 7). El extremo superior muestra valores de alrededor de 220 mm, posicionándose muy por debajo de los 340 mm que puede observarse en el extremo de los casos sí-CT. Algunos de los eventos atípicos identificados para los EEP no-CT son: el 29 de octubre de 2015, con 382 mm acumulados y asociado a un Sistema Convectivo de Mesoescala (SCM) formado de los remanentes del huracán “Patricia” (Figura 8), y el 26 de noviembre de 1982, con acumulados de 280 mm (sin información disponible).

Los EEP también muestran diferentes características de acuerdo con el mes en que se originaron. Para el caso de los EEP no-CT (Figura 7) se pueden observar que las diferencias entre los acumulados asociados no varían significativamente de acuerdo con el mes de registro. Las medias oscilan entre los 116 mm (en agosto) y hasta los 133 mm (en octubre). Los límites inferiores tampoco varían significativamente y oscilan alrededor de los 94 mm diarios. Para el límite superior van de los 132 mm (en junio) hasta los 156 mm (en septiembre). Los valores extremos en ningún mes superan los 220 mm y los casos atípicos son mayormente identifica- dos en los meses de septiembre y octubre. Se infiere que durante este periodo la disponibilidad de humedad asociada a, por ejemplo, remantes de ciclones tropicales o el paso de ondas tropicales por la región son los detonadores principales de actividad. Evidentemente los EEP no-CT poseen características que los posicionan como eventos menos severos. No obstante, es necesario considerar que, al no contar con protocolos de seguimiento y alertamiento específicos, este tipo de eventos³ pueden representar situaciones de riesgo para la sociedad. De igual forma, los umbrales establecidos para su identificación se encuentran por encima de los 67 mm diarios, que puede considerarse una precipitación muy intensa de acuerdo con clasificaciones propuestas por otros autores (por ejemplo, ^{Zúñiga y Magaña, 2018}).

Para el caso de los EEP sí-CT se observa un panorama distinto (Figura 7). De acuerdo con los resultados obtenidos, este tipo de sistemas sí muestran una fuerte variación en cuanto a la precipitación asociada con respecto al mes de registro. Lo eventos más severos se han documentado en septiembre y octubre, siendo coincidente también con el periodo donde se presentan mayor cantidad de EEP sí-CT. Las medias asociadas con los EEP varían como 117 mm en junio, 149 mm en julio, 137 mm en agosto, 168 mm en septiembre, y hasta 188 mm en octubre. En términos generales se observa una tendencia de incremento en la severidad de los EEP hacia el final de la temporada húmeda, donde los valores extremos pueden superar los 400 mm para el mes de octubre. Los límites inferiores representados por el primer cuartil no varían significativamente y oscilan entre los 90 mm y 120 mm. Por el contrario, los límites superiores muestran una fuerte variación desde los 147 mm (para junio) y hasta los 242 mm (para octubre). Los casos atípicos calculados en función de la variación estacional de la intensidad de los EEP muestran que estos se concentran principalmente en el mes de septiembre.