Generalidades

Las sequías son quizás la amenaza natural más compleja. Las sequías son reconocidas como un desastre ambiental que interesa a los meteorólogos, hidrólogos, ecólogos y agrónomos. Ocurriendo prácticamente en todas las zonas climáticas, las sequías también se estudian por ingenieros civiles, economistas y sociólogos. Una sequía es un periodo prolongado del déficit de agua, que ocurre en una zona que no recibe la precipitación normal durante varios meses o algunos años. La sequía es una aberración temporal. En contraste, la aridez es una característica permanente del clima y está restringida a regiones de baja precipitación. Con frecuencia existe confusión, entre onda de calor y sequía, pero el lapso de ocurrencia típico de la primera es de una semana y la segunda persiste por meses o incluso años. La ocurrencia simultánea de ambos fenómenos meteorológicos tiene consecuencias socio-económicas desastrosas (^{Morid et al., 2006}; ^{Mishra y Singh, 2010}).

Según ^{Byun y Wilhite (1999)}, debido a su complejidad, las sequías se han estudiado con cuatro enfoques; el primero busca mejorar el entendimiento de la circulación atmosférica asociado a su ocurrencia. El segundo intenta evaluar la severidad, frecuencia y extensión de las sequías de diversas duraciones. El tercero se encarga de describir y cuantificar los impactos de las sequías, centrándose en las pérdidas y sus costos. Por último, el cuarto enfoque busca estrategias de preparación y medidas de mitigación de los daños de las sequías.

Los estudios del segundo enfoque, pretenden definir el inicio y final de las sequías, así como su intensidad; se llevan a cabo con base en diversos índices de sequía, los cuales por lo general utilizan datos de precipitación, temperatura, evapotranspiración y el balance de humedad en el suelo. Comenzaron a mediados de los años sesenta (^{Palmer, 1965}) y han evolucionado hasta el presente, ahora intentando pronosticar las sequías (^{Mishra y Singh, 2011}).

Los estudios orientados a caracterizar las sequías de una localidad (^{Dogan et al., 2012}; ^{Campos, 2015a}), comúnmente se basan en detectar las anomalías de la precipitación en diversas duraciones y con diversos índices. Por otra parte, los estudios de carácter regional (^{Tsakiris et al., 2007}; ^{Elagib, 2009}), se han abordado utilizando índices que emplean tanto el abastecimiento atmosférico (precipitación P), como la demanda atmosférica (evapotranspiración potencial ETP), por ejemplo a través del índice de aridez (IA), definido como el cociente de ambas estimaciones (IA = P/ETP).

Justificación del estudio

El objetivo de este trabajo consiste en analizar regionalmente el comportamiento de las sequías anuales en el estado de Zacatecas, México. Lo anterior, a través del índice de aridez, calculado utilizando los registros de 16 estaciones climatológicas de amplio periodo, para el lapso común de 65 años, de 1950 a 2014. De acuerdo con la ubicación en el estado, de los 16 registros, se establecen tres zonas de estudio (norte, centro y sur) y se procesan estadísticamente en ellas los índices de aridez anual, para caracterizar regionalmente los años con sequías severas y extremas.

Regiones climáticas e índice de aridez

De manera general, la inconsistencia o irregularidad de las variables que caracterizan los procesos del ciclo hidrológico, es la responsable de la ocurrencia de los eventos extremos y por ello, regiones con alta variabilidad en la lluvia y su escurrimiento, son más propensas a las sequías y las crecientes (^{Pandey et al., 2008}). De acuerdo con ^{Ponce et al. (2000)}, las regiones centrales del espectro climático, es decir, los climas árido, semiárido y subhúmedo (0.0833< IA <1.3333), son las más susceptibles a desarrollar sequías severas y extremas. También se acepta que el cambio climático puede acrecentar el déficit hídrico, generado por la demanda en aumento debido al desarrollo económico.

En resumen, las características de las sequías están gobernadas por los parámetros climáticos regionales, entre ellos la precipitación y la evapotranspiración, los cuales son relativamente fáciles de estimar. La precipitación de una localidad depende de la latitud, época del año, factores geográficos, proximidad a los océanos, circulación atmosférica de mesoescala, presión atmosférica y condiciones de la superficie terrestre. En cambio, la evapotranspiración depende de la radiación solar neta, del déficit de presión de vapor, de la rugosidad de la superficie y de su índice de área foliar (^{Ponce et al., 2000}; ^{Pandey y Ramasastri, 2002}; ^{Pandey et al., 2008}).

Tomando en cuenta lo anterior, el United Nations Environment Programme propuso originalmente (^{UNEP, 1992}) el Cociente de Sequedad (dryness ratio) anual para caracterizar las zonas desérticas, cuando tal relación P/ETP es menor de 0.200. Recientemente, tal cociente se denomina Índice de Aridez (aridity index) IA y define los climas áridos con 0.050< IA <0.200 y los hiperáridos con IA<0.050 (^{UNEP, 2006}).

Registros de precipitación anual

Al analizar las amplitudes de los 30 registros de lluvia anual procesados por ^{Campos (2015b)} en el estado de Zacatecas, México, se observa que 16 de ellos tienen registros mayores de 63 datos hasta el año de 2012. Esas series se seleccionaron. En esa referencia se detalla cómo se integraron los registros y cómo se dedujeron sus valores faltantes. A través de la Dirección Local Zacatecas de la Comisión Nacional del Agua, se obtuvieron los datos correspondientes a los años 2013 y 2014, tanto de precipitación anual como de temperatura media anual. Los 16 registros de las estaciones climatológicas que serán procesados, definen un periodo común máximo de 65 años en el lapso de 1950 a 2014. En la Tabla 1 se citan los datos generales y sus respectivos valores promedio anual de precipitación (PMA); en esta tabulación las estaciones se exponen por zonas y en orden progresivo de PMA. En la Figura 1 se muestra su ubicación dentro del estado de Zacatecas, el cual se localiza en el centro de México.

Tabla 1 Datos generales de las 16 estaciones climatológicas procesadas del estado de Zacatecas, México 

Simbología: AC archivo de CONAGUA

msnm: metros sobre el nivel del mar

Los números de las estaciones climatológicas corresponden a los nombres en las Tablas 1 y 3

Figura 1 Ubicación de las 16 estaciones climatológicas procesadas del estado de Zacatecas, México. 

Registros de temperatura media anual

De igual forma a como se integraron los registros de lluvia anual en el estudio de ^{Campos (2015b)}, se obtuvieron ahora los 16 de temperatura media de cada año. Como algunos de estos registros comenzaron varios años después de los pluviométricos, para tales valores faltantes se empleó su promedio anual. Tal fue el caso, en las estaciones Cañitas de Felipe Pescador, Río Grande, Villa de Cos y Villanueva. En la Tabla 1 se dan los valores promedio anual de temperatura media (TMA).

Estimación de evapotranspiración potencial anual

Para la estimación de la ETP anual se empleó la fórmula empírica de ^{Hargreaves y Samani (1982)}, la cual permite la estimación de la ETP media diaria en milímetros, con base únicamente en la temperatura media (Tt) expresada en grados Fahrenheit y de la radiación solar incidente media diaria expresada en milímetros de lámina de agua evaporada (Ri’), tal ecuación es:

(1)

La radiación solar incidente (Ri) se aproximó al promedio de los 12 valores mensuales, citados por ^{Campos (2015b)}, obtenidos para la ciudad de Zacatecas en los mapas de ^{Almanza y López (1975)}; se adoptó un valor de 495 cal/cm²/día. Para transformar a lámina de agua evaporada se emplea:

(2)

en donde, Hv es el llamado calor latente de evaporación o energía necesaria para evaporar 1 g o un cm³ de agua, se estima con la ecuación siguiente, estando la temperatura media (Tt) en °C:

(3)

Utilizando en las ecuaciones 1 y 3 la temperatura media anual y el valor de Ri = 495 lg/d se obtiene la ETP media diaria, que al multiplicarse por 365 conduce al valor buscado de la ETP anual. También en la Tabla 1 se muestran los valores promedio anual en los 16 registros procesados.

Cálculo de las series de índices de aridez

Al dividir los valores de la precipitación anual entre los de la ETP anual calculados en cada uno de los 16 registros procesados, se definen las 16 series de 65 datos de índices de aridez (IA), cuyos valores promedio anual se tienen en la Tabla 1. En cambio, en la Tabla 2 se exponen los datos y resultados anuales, en los tres registros seleccionados como representativos de cada zona geográfica analizada. En la Figura 2 se muestran dos de tales registros de IA, como series cronológicas.

Tabla 2 Datos y cálculos anuales de sequías con base en el IA, en las tres estaciones climatológicas indicadas del estado de Zacatecas, México 

Simbología:

PA precipitación anual, en milímetros

TM temperatura media del año, en °C

ETP evapotranspiración potencial anual, en milímetros

IA Índice de aridez, adimensional

TS tipo de sequía: SL (leve), SM (moderada), SS (severa) y SE (extrema)

Figura 2 Series cronológicas del índice de aridez en las estaciones climatológicas Leobardo Reynoso (El Sauz) y Tlaltenango, del estado de Zacatecas, México. 

Determinación del tipo de sequía

Cada serie de IA anuales se ordena de menor a mayor. En seguida se obtiene su mediana y se considera que todos los IA menores que ella son sequías; con esta mitad del registro, se forman cuatro grupos buscando que tengan igual número de elementos (ns). Los ns valores más bajos definen los años con sequía extrema (SE), los siguientes ns elementos establecen los años con sequía severa (SS), después habrá ns valores de IA relativos a los años con sequía moderada (SM) y por último, ns magnitudes de IA que terminan antes de la mediana y que son años con sequía leve o ligera (SL). En las columnas 7, 12 y 17 de la Tabla 2 se tienen las designaciones del tipo de sequía (TS), obtenidas con el procedimiento anterior usando ns = 8, en los tres registros representativos de las zonas analizadas del estado de Zacatecas, México. Cuando se conozcan los porcentajes de cada tipo de sequía que ocurren en la localidad o región estudiada, se aplicarán a la mitad del registro y entonces el ns será variable.

Verificación de la homogeneidad

Con base en cada serie cronológica de IA anual se realizó un análisis de calidad estadística, buscando componentes determinísticas con dos pruebas generales (test de Helmert y Secuencias) y seis específicas: de persistencia (Anderson y Sneyers), de tendencia (Kendall y Spearman), de variabilidad (Bartlett) y de cambio en la media (Cramer). La mayoría de estas pruebas se pueden consultar en ^{WMO (1971)}, o en ^{Machiwal y Jha (2008}; ²⁰¹²⁾. En la Tabla 3 se concentran los resultados de tales pruebas; observándose que 11 registros son perfectamente homogéneos, cuatro muestran persistencia y uno alta variabilidad. Se detecta de la Tabla 3, que la persistencia está asociada al valor de coeficiente de correlación serial de orden uno (r ₁). Es relevante indicar que en el lapso de estudio (1950-2014), ningún registro de IA presentó tendencia.

Tabla 3 Coeficiente de correlación serial de orden uno (r ₁) y resultados de las pruebas de homogeneidad, en las 16 estaciones climatológicas procesadas del estado de Zacatecas 

Los diez años más secos

A partir de las series de valores IA ordenados de menor a mayor, se seleccionan los diez más bajos y se obtienen sus años de ocurrencia. Tales valores de IA y sus años respectivos se han concentrado en la Tabla 4. Para obtener en cuáles años se presentó el mayor número de sequías más extremas, se realizó una tabulación por zona geográfica, con 65 renglones relativos a cada año del periodo analizado (1950-2014) y diez columnas para los órdenes de magnitud decrecientes (10, 9,..., 2, 1).

Tabla 4 Valores de los 10 menores índices de aridez (IA) anuales y sus años respectivos, en las 16 estaciones climatológicas procesadas del estado de Zacatecas, México 

Después cada uno de los diez años de cada registro (Tabla 4), se llevaron a la tabulación de su zona, marcando únicamente su ocurrencia en el renglón y columna que le corresponde; se sumaron los respectivos órdenes de magnitud y se designaron por SUM. Los años con 3 o más ocurrencias, es decir, estaciones climatológicas afectadas (ECA) con sequía extrema, se exponen en la Tabla 5.

Tabla 5 Años con tres o más estaciones climatológicas afectadas (ECA), por zonas geográficas en el estado de Zacatecas, México 

En la Tabla 5 se observa que en las zonas norte, centro y sur ocurren, respectivamente, 10, 9 y 8 años con tres o más estaciones climatológicas afectadas. En un contexto secuencial, los 18 años detectados en la Tabla 5 son los siguientes: 1950, 1952, 1954, 1956, 1957, 1960, 1961, 1962, 1969, 1974, 1979, 1982, 1989, 1998, 1999, 2000, 2001 y 2011; mostrando que las sequías extremas en el estado de Zacatecas, México, tienen un intervalo promedio de recurrencia de aproximadamente 10 años. También se observa que las sequías extremas de los años cincuenta fueron las de más amplia duración y cobertura. Se deduce de la Tabla 5, que los años con sequías extremas en las tres zonas geográficas fueron exclusivamente, 1957, 1999 y 2011.

Secuencias mínimas de 5 años

Con base en la técnica de promedios móviles de orden cinco, se identificaron en las 16 series cronológicas del IA, las tres secuencias mínimas, cuyos valores y ubicación se detallan en la Tabla 6. Se deduce que en la zona Norte las secuencias de 5 años con sequías más severas son de 1997 al 2001, después la de 1950 a 1957 y por último, según la estación Fresnillo, la de 1960 a 1965. En la zona Centro y con excepción de la estación Pinos, el resto define un lapso amplio de 1977 a 1989 para estas secuencias mínimas. En la zona Sur, con excepción de Nochistlán, el resto define sus secuencias mínimas de 5 años en el inicio de los registros, es decir, de 1950 a 1957.

Tabla 6 Promedios y lapsos de las tres secuencias mínimas de cinco años en las series cronológicas del IA, en las 16 estaciones climatológicas procesadas del estado de Zacatecas, México 

Estudio regional de las sequías severas y extremas

En la Tabla 7 se indican únicamente los años con sequía severa (SS) y extrema (SE); está dividida en dos periodos, del inicio a 1980 y de 1981 al 2014. La suma de tales sequías en las zona Norte, Centro y Sur es, respectivamente, de 56, 43 y 41 eventos en el primer periodo estudiado y de 40, 37 y 39 eventos, en el segundo lapso de análisis. En resumen, en el primer periodo estudiado ocurrió un total de 140 eventos (SS y SE) y en el segundo lapso, únicamente 116 eventos.

Tabla 7 Sequías severas (SS) y extremas (SE) anuales en las 16 estaciones climatológicas procesadas y sus ocurrencias por estación, zona y periodo, en el estado de Zacatecas, México 

Contrario a lo que se podría esperar debido a los efectos del cambio climático, no ocurren más sequías extremas en las épocas recientes, es decir, en el lapso de 1981 a 2014, en comparación con el periodo de 1950 a 1980. Para reforzar lo anterior, se observa en la última columna de la Tabla 7, que el número de años sin sequías extremas (SS y SE) en el primer periodo es de solo 6 (1955, 1958, 1966, 1967, 1971 y 1973) y en el segundo de 13, es decir del doble, ocurriendo en este lapso dos secuencias de años sin sequías extremas: 1983 a 1986 y 1990 a 1992.

También se observa en la última columna de la Tabla 7 , que los años con mayor número de estaciones climatológicas afectadas por las sequías extremas (SS y SE), fueron 1950 con 8, 1952 y 1954 con 12, 1957 con 13, 1960 a 1962 con 6 a 8, 1969 con 14, 1974 con 7, 1979 con 11, 1982 con 9, 1989 con 7, 1998 con 9, 1999 con 15, 2000 con 10, 2001 con 8, 2011 con 16 y 2012 con 9. De los años anteriores, exclusivamente los años de 1962 y 1982 no afectaron la zona Sur. Las sequías de los años 1952, 1954, 1957, 1969 y 1999, abarcaron casi la totalidad de las tres zonas estudiadas. El año 2011 ocurrió en las 16 estaciones climatológicas procesadas.