Área de estudio

El área de la frontera sur de México comprende seis cuencas abarcando un área total de ~168,349 km² (cuencas Usumacinta, Grijalva, Candelaria, Hondo, Suchiate y Coatán), las cuales se extienden a través de México, Guatemala y Belice. En particular, las cuencas Grijalva y Usumacinta (a las cuales se les denomina cuenca completa en adelante), por su importancia, extensión y desarrollo hidrológico, tienen un alto capital natural. El área de la cuenca de Usumacinta (72,118 km²) está dividida entre México (42 %) y Guatemala (58 %), con una proporción menor en Belice (0.0002 %). Del área de la cuenca de Grijalva (57,682 km²), se estima que el 90.5 % se encuentra en México y el 9.5 % en Guatemala. En México, las cuencas Grijalva y Usumacinta tienen un área total de 82,478 km², representando el 4.2 % del territorio continental del país. La distribución de las dos cuencas en México incluye los estados de Tabasco, Chiapas, y una pequeña parte de Campeche (Figura 1).

Figura 1 Ubicación de las cuencas Grijalva y Usumacinta (QGIS Desktop 3.10.0, World Hydro Basemap: HydroTeamRC). 

Las cuencas Grijalva y Usumacinta comprenden no solo una de las regiones con una enorme diversidad biológica y cultural, sino también las cabeceras de ríos importantes. Estos ríos incluyen Usumacinta, Grijalva, San Pedro y Lacatún. De hecho, el rio Usumacinta tiene el mayor caudal en Mesoamérica, estimado a 1,700 m³/s (^{March-Mifsut & Castro, 2010}). En efecto, el sistema hidrológico Grijalva-Usumacinta es responsable del 30 a 40 % de los escurrimientos superficiales de agua en México (^{García & Kauffer, 2011}; ^{March-Mifsut & Castro, 2010}). Además, según el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC), el 67 % de las especies viviendo en el país se encuentran en estas cuencas. Existen áreas naturales protegidas importantes, tales como la reserva de biosfera de Pantanos de Centla y El Lacan-Tun, El Triunfo y otras áreas naturales protegidas. Las actividades que coexisten en estas áreas son la agricultura, la ganadería y la generación de energía hidroeléctrica. Las cuencas Grijalva y Usumacinta abarcan una población total de ~5 millones.

Datos

Los datos de precipitaciones fueron tomados de las bases de datos CRU TS 4.01: Unidad de Investigación Climatológica (CRU, por sus siglas en inglés) Series temporales (TS, por sus siglas en inglés) versión 4.01 datos en rejilla de alta resolución de variación climática mes a mes (enero 1901- diciembre 2016) (^{Unidad de Investigación Climatológica de la Universidad de East Anglia, Harris, & Jones, 2017}). Estos datos tienen una resolución espacial de 0.5° × 0.5°. Por lo tanto, la determinación de la evolución temporal del SPI del 1960 al 2016 a diferentes escalas de tiempo (3, 12 y 36 meses) permitió identificar periodos húmedos y secos sobre la base estacional, anual y trianual cerca de los ríos de las cuencas Grijalva y Usumacinta. En esta región, la degradación ha sido reportada, en asociación con una intervención antropogénica en varias áreas (^{Gama et al., 2010}; ^{Haer et al., 2017}).

Climatología de la precipitación

La climatología de la precipitación de la cuenca Grijalva-Usumacinta se presenta en la Figura 3a. Se observa que los patrones de altas precipitaciones fueron ubicados en la parte superior de la cuenca, a la frontera sur de México, y al noroeste de la cuenca (Tabasco). La cantidad anual de precipitaciones en estas zonas es de ~2,500 a 2,880 mm entre 1960 y 2016. Mientras que las zonas de bajas precipitaciones están ubicadas al suroeste y al noreste de la cuenca (~1000 a 1800 mm). Este resultado mostró que la cuenca Usumacinta era más húmeda que la cuenca Grijalva. No obstante, a lo largo del año, hubo diferencias estacionales; las Figuras 3b y 3c mostraron la climatología de la precipitación en verano e invierno, respectivamente. Los patrones quedaron similares durante el invierno con una cantidad similar de precipitaciones, debido a los frentes fríos, mientras difirieron en verano. La parte de alta de la cuenca presentó la cantidad más alta de las precipitaciones que en el resto de la cuenca. Durante verano, estas precipitaciones se deben a los sistemas tropicales como los ciclones o la Zona de Convergencia Intertropical (ITCZ, por sus siglas en ingles).

Las altas precipitaciones fueron ubicadas en la parte alta de la cuenca y al noroeste y las bajas precipitaciones en direcciones inversas.

Nota. La zona poligonal corresponde a la delimitación de las cuencas Usumacinta y Grijalva y las unidades están expresadas en mm.

Figura 3 Climatología de la precipitación en las cuencas Grijalva y Usumacinta entre 1960 y 2016: a) anual; b) veraniego; y, c) invernal. 

Patrones del SPI

La Figura 4 y 5 muestra las tres ventanas de tiempo del SPI. En todos los puntos, los valores del SPI-3 (ventana estacional) fueron de +2 a -2, i.e., los periodos trimestrales de 1960 a 2016 fueron de muy húmedos a severamente secos. El comportamiento de las precipitaciones fue muy similar en todos los puntos. No obstante, en la región de Usumacinta, hubo eventos extremadamente secos cerca de 1998; en la región de Grijalva, ocurrieron en 1960, 1970, 1980, 2003 y 2005.

La primera columna corresponde al SPI-3, la segunda al SPI-12, y la tercera al SPI-36.

Nota. El orden sigue las coordenadas de la Figura 2.

Figura 4 SPI (3, 12 y 36 meses) de 1960 a 2016 para la cuenca Grijalva (rojo). 

La primera columna corresponde al SPI-3, la segunda al SPI-12 y la tercera al SPI-36.

Nota. El orden sigue las coordenadas de la Figura 2.

Figura 5 SPI (3, 12 y 36 meses) de 1960 a 2016 para la cuenca de Usumacinta (azul). 

Para el SPI anual (SPI-12), la evolución varió en cada punto. Este comportamiento no fue identificado por el SPI-3 en los puntos. Los valores del SPI-12 de 1960 a 2016 mostraron que el comportamiento de las precipitaciones no fue homogéneo a todos los puntos. Hubo algunas excepciones, como para 1998, cuando todos los puntos mostraron un periodo extremadamente seco. No fue claramente evidenciado por el SPI-3. Los eventos extremadamente húmedos fueron más frecuentes después de 2010 en todos los casos. En la cuenca de Grijalva, el comportamiento de las precipitaciones fue similar en los puntos 1 y 2, y en el punto 6 en la cuenca de Usumacinta. De acuerdo con la ^{SEMARNAT (2016)}, la transformación regional por la influencia humana fue fuerte o muy fuerte. La evolución de las precipitaciones fue similar en los puntos 4, 5, 8 y 9 (todos en la cuenca de Usumacinta menos el punto 4). Esto podría ser debido a que, en estos puntos, el suelo está cubierto de vegetación de una selva tropical. La variación del SPI-12 no fue similar entre los puntos restantes (3, 7 y 10). Los puntos 1, 2 y 3 difieren de los demás, mostrando un periodo más seco de 1975 a 1995, mientras que los otros puntos indicaron un periodo húmedo. A estas fechas, la Oscilación Decadal del Pacifico (PDO, por sus siglas en inglés) fue negativa y los eventos de La Niña ocurrieron. Este resultado mostró una respuesta diferente al modulador de clima para cada punto, lo que podría sugerir la influencia local de otros factores, como factores ambientales.

Para la ventana trianual del SPI-36, el comportamiento de las precipitaciones fue muy similar al del SPI-12, pero mejor definido. En el norte de la cuenca completa, hubo un periodo seco de 1978 a 1998. En la cuenca central, hubo también este periodo seco, pero igualmente un máximo, i.e., un periodo húmedo entre 1980 y 1990. A estas fechas la fase de La Niña pudo haber producido el evento húmedo. Hubo otros eventos húmedos después del 2000, donde los eventos de La Niña pudieron haber estado presentes y la fase del PDO negativa. Las áreas localizadas al este del punto 10, mostraron que el periodo seco inició en 1962, i.e. duro más tiempo, en este caso la fase de El Niño-Oscilación del Sur (ENSO, por sus siglas en inglés) estuvo tendiendo a cálida. En la cuenca sur, la evolución de las precipitaciones fue casi idéntica al del área central, pero el periodo seco fue de 1979 a 2000. Los eventos húmedos ocurrieron después de 2005. Además, eventos más extremadamente húmedos fueron evidenciados en los puntos 1, 2 y 3 (Grijalva, Figura 4), y en los puntos 5 y 6 (Usumacinta, Figura 5); al menos uno de estos eventos fue evidenciado en todos los puntos (durante el año 2000).

En particular, los resultados del SPI-3 del presente estudio mostraron que los eventos húmedos y secos fueron similares a lo largo de la cuenca de Grijalva y Usumacinta. Pero el SPI-3 de la cuenca de Grijalva mostró más frecuencia de periodos secos que el SPI-3 de la cuenca de Usumacinta, este resultado fue comparable con la climatología de la precipitación, donde la cuenca de Grijalva mostró la cantidad más baja de precipitaciones anuales, veraniegas e invernales entre 1960 y 2016. Asimismo, los resultados del SPI-3 mostraron una alta cantidad de precipitaciones para los puntos de la cuenca de Usumacinta (Chiapas y Tabasco) y para algunos en la cuenca Grijalva, en Tabasco.

No obstante, los SPIs con ventanas más amplias (e.g. SPI-12) tuvieron diferencias notables (Figuras 4 y 5). Las características de las precipitaciones para el SPI-12 mostraron valores cerca de cero para los puntos de la cuenca de Usumacinta, mientras que los puntos de la cuenca de Grijalva mostraron periodos con valores negativos, indicando un largo periodo seco. Estos procesos están descritos debajo.

^{Santana et al. (2017)} reportaron eventos extremadamente secos y húmedos usando el SPI-12 de 1985 a 2008 para la cuenca de Usumacinta (solo para la parte en México). Estos resultados coincidieron con los obtenidos en este estudio, con eventos extremadamente secos y húmedos para el mismo periodo. Estos eventos pudieran ser relacionados con las fases del ENSO, este punto será discutido más adelante. Los eventos severamente secos, moderadamente secos y húmedos ocurrieron de 1961 a 1985, igualmente de acuerdo con ^{Santana et al. (2017)}.

El SPI-36 reveló que las precipitaciones variaron geográficamente. Las precipitaciones en la parte norte de la cuenca completa tuvieron un comportamiento similar. En el área central de la cuenca, los puntos mostraron la misma evolución de las precipitaciones, y en los puntos de la región sur, el SPI-36 reveló de nuevo una evolución paralela. Los análisis de precipitaciones de ^{González-Villela & Montero-Martínez (2017)} mostraron este perfil sólo para la cuenca de Usumacinta. El periodo seco para todos los puntos de 1970 a 2000 estuvo asociado a los efectos climáticos de la Oscilación Decadal del Pacifico (PDO) y a una fase débil de la Oscilación Multidecadal Atlántica (AMO) (^{Méndez & Magaña, 2010}).

La Figura 6 mostró el SPI-12 vs. el PDO durante el mismo periodo y su relación. La mayoría de los eventos húmedos ocurrieron cuando el PDO estuvo en su fase negativa, y los eventos secos cuando estuvo en su fase positiva. Este resultado demostró que la relación entre el SPI-12 y el PDO es inversa. ^{Méndez-González et al. (2011)} mostraron que las precipitaciones en el sur de México están influenciadas por esta oscilación y revelaron el mismo comportamiento de las precipitaciones regionales que en nuestro estudio. ^{Méndez & Magaña (2010)} argumentaron que la evolución de las precipitaciones en todo México está modulada por la combinación del ENSO con el PDO y el AMO, indicando un dipolo geográfico de las precipitaciones. Es decir, cuando el norte es seco, el sur está húmedo, y viceversa. Por lo tanto, estos fenómenos climáticos alteran principalmente las precipitaciones regionales. Por otro lado, las tendencias de lluvias en el sur de México y de América Central fueron positivas o negativas durante los años 90s (^{Dore, 2005}; ^{Jauregui, 1997}), pero las diferentes áreas experimentando sequías severas o periodos húmedos fueron estrechamente relacionadas con el cambio del ENSO hacia eventos más cálidos desde el final de los años 70s (^{Dore, 2005}). Las fases del ENSO determinan el comportamiento de los sistemas meteorológicos, como los vientos alisios, los ciclones y los vientos del norte en la cuenca de Grijalva-Usumacinta. La disminución del número de ciclones y el aumento de los vientos del norte llevó a periodos secos (^{Andrade-Velázquez, 2017}).

Los puntos rojos representan la cuenca Grijalva y los azules la cuenca Usumacinta.

Figura 6 Relaciones entre la Oscilación Dedacal del Pacifico (PDO) y el Índice Estandarizado de Precipitaciones a 12 meses (SPI-12) en cada punto de estudio de 1960 a 2016.  

La Figura 7 presentó la relación entre el SPI-12 y el Índice Niño Oceánico (ONI, por sus siglas en inglés), uno de los índices del evento El Niño. La tendencia mostrada confirmó que la fase negativa del ONI fue asociada a valores positivos del SPI, i.e., eventos húmedos, mientras que la fase positiva del ONI fue asociada a eventos secos en el sureste de México. En esta misma línea de investigación, usando datos locales, ^{Arreguín et al. (2014)} reportaron que durante el evento La Niña (fases frías o negativas del ENSO) de 2007, hubo eventos intensos de lluvias en el sureste del país. Asimismo, otros estudios indicaron que eventos extremos de lluvias fueron asociados a el evento La Niña (^{Peralta-Hernández et al., 2009}; ^{Pérez-Morga et al., 2013}).

Los puntos rojos representan la cuenca Grijalva y los azules la cuenca Usumacinta.

Figura 7 Relaciones entre el Índice Niño Oceánico (ONI) y el Índice Estandarizado de Precipitaciones a 12 meses (SPI-12) en cada punto de estudio de 1960 a 2016. 

Se ha presentado un periodo húmedo en todos los puntos desde 2009. El ^{IPCC (2013}, ²⁰¹⁴⁾ reportó cambios en los datos de precipitaciones usando anomalías anuales de 1900 a 2010, pero no mencionó ninguna tendencia en los trópicos durante este periodo. Durante los últimos 10 años, los eventos de precipitación en el sureste de México estuvieron en línea con fases negativas del PDO y del ENSO. Mateos et al. (2015) reportaron que la señal del PDO pudiera posiblemente estar presente para otras regiones del país, en el presente trabajo, una relación entre el PDO y el SPI-12 fue demostrada para el sur de México. No obstante, Mateos et al. (2015) encontraron que el patrón de precipitaciones no mostró un comportamiento homogéneo en varias cuencas hidrográficas. ^{Montero-Martínez et al. (2018)} demostraron que de 1965 a 1994, la cuenca de Usumacinta mostró eventos secos, lo cual podría estar asociado a microclimas de áreas topográficos complejos o a cambios en el uso del suelo y de la cobertura del suelo.

^{Guevera-Murua et al. (2018)} reportaron una influencia similar del ENSO en Guatemala, las fases frías estuvieron relacionadas con periodos húmedos y las fases cálidas estuvieron relacionadas con periodos secos. La Figura 7 mostró que la relación entre el ENSO y el SPI-12 fue inversa para la cuenca, no obstante, también mostró que podría haber otros eventos adicionales implicados en esta relación (^{Muñoz-Jiménez et al., 2019}). Este comportamiento podría ser asociado a la relación estacional ENSO/PDO y a su influencia con el clima mexicano; una interferencia constructiva entre el PDO y el ENSO fue identificada (^{Pavia et al., 2006}).

La Tabla 2 mostró las correlaciones de los parámetros estadísticos entre el ONI y el SPI-12 y entre el PDO y el SPI-12 para cada punto. El coeficiente de correlación fue bajo, pero una relación significativa fue detectada para la cuenca Grijalva. En el caso de la cuenca Usumacinta, otros factores pudieron estar involucrados, lo que será discutido más adelante. A pesar de la alta dispersión de los valores entre los índices y el SPI-12, una correlación, aunque baja, pudo ser evidenciada entre ellos, confirmando los resultados de estudios anteriores los cuales demostraron una asociación del PDO y del ENSO con los patrones de precipitaciones (^{Méndez & Magaña, 2010}).

Hoy en día, el cambio climático se reconoce como un gran reto por las Naciones Unidas. Las precipitaciones representan un elemento crucial en la variabilidad espacio-temporal del balance hidrológico (^{Mujere & Eslamian, 2014}). Por lo tanto, es necesario analizar y comprender los patrones de precipitaciones a nivel de la cuenca para la gestión de los recursos hídricos bajo la variabilidad climática natural. Aunque se conoce el cambio climático como el principal estresor sobre el clima, el grado de su relación con moduladores globales como el ENSO aún no ha sido determinado (Maloney et al., 2014; Chen et al., 2017). Las proyecciones del cambio climático podrían definir esta relación.

Sin embargo, el cambio climático no es la única presión que se ejerce sobre los recursos hídricos regionales. Existen otros factores como los cambios en cobertura y uso del suelo que podrían afectar el ciclo hidrológico y el sistema climático (^{Oki et al., 2013}). La destrucción ambiental localizada incluyendo la deforestación extrema ha ocurrido a ambos niveles de la cuenca y del país (^{Romo-López, 2008}; ^{Tudela, 1990}; ²⁰⁰⁴). En las partes mexicanas de las cuencas de Grijalva y Usumacinta, las tasas de deforestación son más altas que la media de 0.33 % para Latino América. Además, estas tasas son altas comparadas al nivel nacional, de 0.51 % de 1976 a 2000 y de 1.3 % de 1993 a 2000 (^{Kolb & Galicia-Sarmiento, 2011}). De manera similar, ^{Cuevas et al. (2010)} identificaron procesos de cambio de uso del suelo y de degradación de la vegetación entre 1976 y 2009 en la región de las cuencas Grijalva y Usumacinta. En particular, en el estado de Tabasco en el sureste de México, el bosque tropical cubría 49 % de su área en 1940. Sin embargo, en 1987, esta cobertura estaba cerca de 8 % (^{Tudela, 1990}). ^{Gallardo-Cruz et al. (2019)} reportaron que el cambio en el uso de suelo y en la degradación de la vegetación fueron intensivos entre 2000 y 2012 en la cuenca Usumacinta. En este sentido, ^{PNUD México-INECC (2018)} reportaron que los factores que condicionaron la vulnerabilidad de los recursos hídricos en esta cuenca estaban relacionados con altos niveles de pérdida y fragmentación de la vegetación, con cambios en la dinámica hidrológica de la cuenca, urbanización, práctica de actividades agrícolas no sustentables, contaminación de aguas, pérdida de servicios del agua y de saneamiento, y con una gestión ineficiente de los residuos. En Guatemala, un país vecino en América Central, las tasas de deforestación son aún más altas. Allá, el departamento de Petén, junto con unas partes de la cuenca de Usumacinta se consideran como focos de deforestación (^{IARNA-URL, 2012}; ^{GIMBOT, 2014}).

Por lo tanto, la degradación ambiental influyó sobre toda el área de estudio. Los efectos de la degradación de la cobertura vegetal y de la deforestación regional se manifestaron en el ciclo hidrológico, como la pérdida de humedad en la vegetación, los escurrimientos de agua aumentando la pérdida de infiltraciones, la modificación del microclima, el aumento de la erosión del suelo, los cambios dinámicos en los sedimentos y la lixiviación de fuentes de agua (^{Tudela, 2004}). En adición, según ^{IPCC (2019)}, los procesos de degradación del suelo pueden afectar los componentes del suelo, del agua o los componentes bióticos del suelo o sus interfaces respectivos.

Las dinámicas de los sistemas de los ríos Grijalva y Usumacinta fueron afectados por otras actividades, como la hidroeléctrica (^{Muñoz-Salinas & Castillo, 2015}). A lo largo del rio Grijalva, existen cinco presas multiuso que han iniciado su operación entre 1964 y 1986. Estas presas almacenan cerca del 40 % del agua y proporcionan la mitad de la hidroelectricidad en México. En contraste, no hay presas en la cuenca mexicana de Usumacinta, contra un total de ocho presas hidroeléctricas en la parte guatemalteca de la cuenca, en particular la que se encuentra en el río Chixoy, el cual es un importante afluente del río Usumacinta en México.

Para enfrentar los retos antes mencionados en el sureste de México, donde las precipitaciones son fuertes y la exposición al cambio y a la variabilidad climática es alta (^{García & Kauffer, 2011}; ^{Kauffer, 2006}; ^{Valdés-Manzanilla, 2016}; ²⁰¹⁸), es esencial estudiar y entender los temas relevantes. En este sentido, estudiar las lluvias y su relación con el PDO y el ENSO a esta escala regional es muy importante para entender el clima de la región, la variación de los flujos de agua y sus variables de control y factores causantes, con el objetivo de estimar la disponibilidad en agua y su impacto en las actividades económicas. Por consiguiente, debido a los riesgos del cambio climático sobre los sistemas humanos y naturales (^{Mora et al., 2018}; ^{UN Environment, 2019}), los tomadores de decisiones del gobierno y de la sociedad deberían actuar conjuntamente para reforzar la capacidad de mitigación y de adaptación al enfrentar la variabilidad climática y otros cambios en las cuencas de Grijalva y Usumacinta.