Nota técnica

 

Estimación de la severidad de sequías ambientales mediante registros de lluvia mensual

 

Estimation of severity of environmental droughts through monthly rainfall records

 

Daniel Francisco Campos-Aranda

 

Profesor jubilado de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México.

 

Dirección del autor

Dr. Daniel Francisco Campos-Aranda
Profesor jubilado de la Universidad Autónoma
de San Luis Potosí
Genaro Codina 240, Colonia Jardines del Estadio
78280 San Luis Potosí, San Luis Potosí, México
Teléfono: +52 (444) 8151 431
campos_aranda@hotmail.com

 

Recibido: 16/06/10
Aceptado: 28/09/11

 

Resumen

Se definen las sequías y se citan sus indicadores más comunes. Se clasifican las sequías en ambientales y de abastecimiento de agua. Para las primeras se propone un sistema simple para definir su severidad y duración. Se sugiere emplear el registro de lluvia mensual, completando datos mensuales faltantes con su moda, para identificar años con sequía. El procedimiento consiste en obtener las medianas mensuales y después las diferencias entre cada lluvia y su mediana. La suma de las diferencias negativas en cada año define el déficit anual de lluvia, el cual es un indicador numérico del comportamiento anómalo de ésta. El análisis probabilístico de los déficits anuales a través de varios modelos, seleccionando el de menor error estándar de ajuste, permite encontrar los límites correspondientes a los periodos de retorno de 5, 20 y 50 años, con los cuales se definen los años con sequía moderada, fuerte y severa. El procedimiento sugerido se aplicó al registro de 123 años, disponible en el observatorio meteorológico de San Luis Potosí, México, encontrando que sus resultados coinciden con los de otros estudios previos.

Palabras clave: sequías, lluvia mensual, moda, medianas, modelos probabilísticos.

 

Abstract

This work defines droughts and cites their more common indicators, as well as presents a classification for environmental droughts and water supply droughts. For environmental droughts, a simple system is proposed to define their severity and duration. To identify drought years, the use of monthly rainfall records is suggested, completing missing monthly data with their mode. The procedure is aimed at obtaining the monthly medians and then the differences between each rainfall and its median. The sum of the negative differences for each year defines the annual rainfall deficit, which is a numerical indicator of its anomalous behavior. The probabilistic analysis of annual deficits using several models—selecting the one with the minimum standard error of fitting—allows for finding the limits associated with return periods of 5, 20 and 50 years, which define the years with moderate, strong and severe droughts. The suggested procedure was applied to 123 years of records available from the meteorological observatory in San Luis Potosi. The results of this study agree with the conclusions of previous studies.

Keywords: droughts, monthly rainfall, mode, medians, probabilistic models.

 

Introducción

Una definición general de una sequía establece que es un decremento de la disponibilidad de agua en un determinado periodo y sobre un área específica. Las consecuencias de una sequía son fácilmente reconocidas y sentidas por la sociedad; en cambio, la evaluación de su severidad es un problema complejo, principalmente por la variedad de indicadores que pueden ser utilizados. Por ejemplo, existen los indicadores ambientales (meteorológicos e hidrológicos), que miden los efectos directos en el ciclo hidrológico, y los indicadores de recursos hidráulicos, que estiman la severidad en términos del impacto de la sequía en el uso del agua (abastecimiento, riego, gasto ecológico, usos recreativos, etcétera). En términos generales, los indicadores ambientales miden la severidad "natural" de una sequía, mientras que los indicadores de recursos hidráulicos implican la interferencia del elemento humano y pueden reflejar una mala planeación y/o manejo deficiente de las obras hidráulicas involucradas (Mawdsley et al., 1994).

Entre los indicadores ambientales se tienen la lluvia (P), la temperatura, la evapotranspiración (ETP), la lluvia efectiva (P - ETP), el déficit de humedad del suelo, los cambios en el agua subterránea (recarga, nivel y almacenamiento), el escurrimiento en los ríos y la evolución de los embalses (entradas, almacenamiento, extracciones). Los principales indicadores de recursos hidráulicos son las restricciones a los usos agrícolas, las reducciones en el abastecimiento de agua potable y las suspensiones a los usos comerciales (lavado de autos) y recreativos (riego de campos de golf, jardines, etcétera). El análisis de cada uno de los indicadores citados, en cuanto a su relación estrecha con las sequías y su disponibilidad de datos, define los cuatro siguientes como los indicadores más convenientes: la lluvia, el almacenamiento en los embalses, el nivel de las aguas subterráneas y el escurrimiento de los ríos (Mawdsley et al., 1994).

En este trabajo se propone utilizar el registro de lluvia mensual para identificar los años de sequía mediante el análisis probabilístico de un indicador anual de su déficit. Se probó establecer este indicador con respecto a la media aritmética y la mediana mensuales; se propone el basado en la mediana. Se identifica cada año como libre de sequía o con sequías moderada, fuerte y severa. El procedimiento sugerido se aplicó al registro de 123 años del observatorio meteorológico de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México; sus resultados coinciden con los de otros estudios de sequías.

 

Desarrollo

Tipo y clasificación de las sequías

En general, conviene clasificar a las sequías por tipo, intensidad y duración. En relación con el tipo, se definen las sequías ambientales y las de abastecimiento de agua. Las primeras detectan las deficiencias de la lluvia, cuyos efectos se aprecian en el estado del tiempo atmosférico, en la agricultura de temporal y en el bajo escurrimiento en los ríos. En las sequías de abastecimiento de agua se intentan medir los efectos en los usuarios del agua. Respecto a la intensidad o severidad, la clasificación más simple de las sequías es (1) moderadas, (2) fuertes y (3) severas, asignando a cada una un código de color (amarillo, anaranjado y rojo, respectivamente), cuando se busca representar su cobertura espacial. Finalmente, respecto a su duración, la clasificación más sencilla es de una estación de lluvias o año, y de varios años.

 

Severidad de sequías ambientales

En el procedimiento propuesto para detectar estas sequías se hace la siguiente simplificación básica: se trabaja por años, utilizando el registro de lluvia mensual P_jⁱ, con j variando de 1 a 12 e i de 1 al número de años. Entonces, habiendo completado el registro, se obtienen sus medianas mensuales (M_j) y se hace en cada mes del registro la diferencia P - M_j; sumando únicamente los valores negativos, se obtiene el déficit anual de la lluvia (DA_i).

Con base en el análisis probabilístico de los DA_i se obtienen los límites para definir la severidad de las sequías, pues se acepta el criterio de Mawdsley et al. (1994), expuesto en el cuadro 1. Lógicamente, el límite con periodo de retorno de cinco años define hacia abajo los años sin sequía.

Tomando en cuenta que en este nivel bajo de periodos de retorno los modelos probabilísticos conducen a valores muy semejantes, se consideró suficiente realizar tal procesamiento con base únicamente en la transformación MIMEMA y el ajuste de las distribuciones Log-Pearson tipo III y General de Valores Extremos, adoptando los resultados del modelo con el menor error estándar de ajuste (Campos-Aranda, 2006).

 

Aplicación en el observatorio meteorológico de San Luis Potosí

El registro disponible de lluvia mensual —tomado de Moreno-Castro et al. (2004)— abarca de julio de 1877 a diciembre de 2000, estando incompleto el año 1913 y faltantes de 1914 a 1921. Por lo anterior, en esta referencia se tiene un registro completo de 114 años. Además, en la Facultad de Ingeniería de la UASLP se obtuvo la información relativa al periodo de enero de 2001 a diciembre de 2009, con dos años incompletos, 2007 y 2008, ambos en los meses de mayo y julio. Estos datos faltantes se supusieron iguales a la moda de tales meses, por lo cual primero se procesó probabilísticamente el registro de 123 o 121 años con base en la distribución Gamma Mixta (Campos-Aranda, 2005), aplicada a cada mes, para estimar la moda y la mediana poblacionales. Los resultados se tienen en el cuadro 2. El registro de lluvia mensual de 2001 a 2009 completado se muestra en el cuadro 3.

Para verificar la consistencia del procedimiento sugerido se utilizaron las medias aritméticas y las medianas del cuadro 2 para obtener los déficits anuales de lluvia (DA_i). En el cuadro 4 se muestran estos cálculos para el año 2005; en cambio en el cuadro 5 se presentan todos los valores de DA_i sin el signo negativo.

El análisis probabilístico de las dos series de 123 déficits anuales mostrados en el cuadro 5 a través de los modelos probabilísticos citados anteriormente condujo a los resulta dos mostrados en el cuadro 6, entonces los valores adoptados —por tener el menor error estándar de ajuste— para los periodos de retorno de 5, 20 y 50 años de los déficits con respecto de la media aritmética son 156.7, 196.1 y 215.8 mm, respectivamente. En cambio, para los déficits con respecto de la mediana, las magnitudes respectivas de los periodos de retorno citados son 96.4, 130.3 y 147.6 mm.

Los déficits anuales en cuanto a la media aritmética a través de los límites respectivos definen los siguientes veinte años con sequía moderada, tres años con sequía fuerte (f) y tres años con sequía severa (s): 1884, 1891, 1894, 1896 (s), 1899 (s), 1900, 1901, 1902 (f), 1907 (f), 1929, 1937, 1945, 1947, 1949, 1960, 1962, 1969, 1970, 1979, 1980, 1982, 1989, 1995, 2000 (f), 2005 (s) y 2008.

Los déficits anuales en relación con la mediana con base en los límites respectivos definen 19 años con sequía moderada, tres años con sequía fuerte (f) y dos años con sequía severa (s): 1883, 1884, 1891, 1894, 1896 (s), 1899 (f), 1900, 1902 (f), 1907, 1911, 1929, 1937, 1947, 1969, 1970, 1974, 1979, 1980, 1982, 1989, 1995, 2000 (f), 2005 (s) y 2008. En cuanto a las secuencias o periodos de sequías, se pueden definir los cuatro siguientes: de 1891 a 1896, de 1899 a 1902, de 1979 a 1982 y de 2005 a 2009. En la figura 1 se muestra la ocurrencia de los déficits anuales, así como los límites que definen a las sequías moderadas, fuertes y severas. Este gráfico de años-déficit permite una visualización más objetiva de los periodos de sequía.

 

Análisis de los resultados

Los déficits anuales con respecto de la media definen 26 años con sequía; en cambio, los obtenidos con la mediana, 24. Las diferencias son sutiles en relación con la severidad de cada año. Un contraste con otros resultados previos en esta zona geográfica (Campos-Aranda, 1991) y en todo el país (Araiza-Rodríguez, 2004) establece una excelente concordancia tanto de años con sequía como en las secuencias de éstas. Se considera que la aplicación del procedimiento en todas las estaciones pluviométricas de una zona o región geográfica permitirá establecer las áreas de sequías moderada, fuerte y severa, las cuales serán identificadas con los colores amarillo, naranja y rojo, respectivamente. Se han llevado a cabo estudios con este enfoque con otros procedimientos de detección de sequías (Flores-Vázquez y Campos-Aranda, 1998; Araiza-Rodríguez, 2004).

Por otra parte, en la naturaleza del método propuesto queda implícito el trabajar por años cronológicos, pues los déficits anuales son procesados probabilísticamente como serie anual. Sin embargo, tales déficits también pueden proceder de un periodo más corto, por ejemplo, la temporada de lluvias, con lo cual se estaría dando más importancia sólo a las desviaciones estacionales de éstas.

 

Conclusiones

El procedimiento propuesto para detectar años de sequía ambiental y estimar su severidad es bastante simple y accesible, al requerir exclusivamente el registro de lluvia mensual completado.

El déficit anual de lluvia (DA_i) permite detectar el comportamiento anómalo de ésta en relación con sus medianas mensuales y asignarle un valor numérico. El análisis probabilístico de tales déficits anuales para obtener sus valores asociados con periodos de retorno de 5, 20 y 50 años es una técnica estándar y confiable, con la cual se establece qué años tienen sequías moderadas, fuertes y severas (cuadro 1).

La aplicación de este procedimiento en todas las estaciones pluviométricas de una región o zona geográfica permitirá estimar la cobertura espacial de los años de sequía moderada, fuerte y severa, definiendo áreas de color amarillo, naranja y rojo para cada una, respectivamente.

 

Agradecimientos

Se agradece al árbitro anónimo, cuyas sugerencias permitieron volver más explícito el trabajo y definir mejor su alcance.

Se agradece al maestro en ciencias Abraham Cárdenas Tristán, coordinador de Ingeniería Geomática de la Facultad de Ingeniería de la UASLP, el haber proporcionado al autor la información pluviométrica mensual del periodo 2001-2009.

 

Referencias

ARAIZA-RODRÍGUEZ, J.A. Detección de sequías en la República Mexicana analizando información pluviométrica con métodos estadísticos. Tesis presentada para obtener el grado de Maestro en Ingeniería Hidráulica. San Luis Potosí, México: Facultad de Ingeniería de la UASLP, 2004, 162 pp.         [ Links ]

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