The human bioclimate in southern Mexico's cities under a double atmospheric CO₂ scenario

Adalberto Tejeda Martínez* David A. Rivas Camargo**

* Centro de Ciencias de la Tierra, Universidad Veracruzana, A. P. 465, Xalapa, Veracruz. E-mail: atejeda@uv.mx

** Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Ensenada, Baja California.

Resumen

A partir del concepto de temperatura efectiva (TE), se presenta un escenario de las condiciones de bioclima humano de ocho ciudades importantes del sur de México, obtenido de predicciones regionales de modelos de circulación general para el caso de una duplicación en la concentración atmosférica global de CO₂. Los resultados se ilustran con gráficas de las condiciones de confort actuales y futuras para el sur del país. Se encontró que, pese a los procesos de aclimatación, se intensificarán las sensaciones cálidas debido al efecto invernadero. Combinando lo anterior con proyecciones conservadoras del incremento de la población para la segunda mitad del siglo XXI, se estima que las ciudades de clima cálido quintuplicarán las necesidades de enfriamiento para obtener el confort de sus habitantes.

Palabras clave: Bioclima humano urbano, sur de México, escenario bioclimático.

Abstract

From the concept of effective temperature (ET), a scenario of bioclimatic conditions for eight southern cities of México is presented by using results from regional predictions of general circulation models for the scenario of doubling the global atmospheric CO₂ concentration. Current and future bioclimate graphs for the southern part of the country are presented. Despite the acclimatization process, the bioclimatic conditions will likely become warmer as a result of a greenhouse effect. By combining these results with population projections for the second half of the 21st century, cities with warm climates are esetimated to increase in five times the air conditioning requirements.

Key words: Urban human bioclimate, South of México, bioclimate scenario.

INTRODUCCIÓN

No son obvias las consecuencias del posible cambio climático global en el confort térmico humano. Un incremento de temperatura muy probablemente inducirá mayores necesidades de aire acondicionado en las regiones cálidas, pero debe tomarse en cuenta que ese incremento será paulatino y, por lo mismo, susceptible de ser contrarrestado por la aclimatación y la forma de vestir de la gente. Además, hasta el momento no son claros los efectos de los incrementos térmicos en la humedad atmosférica (relativa o absoluta), que es uno de los elementos climáticos más importantes en las evaluaciones del bioclima humano (Auliciems, 1992). Por otra parte, el llamado calentamiento global bien podría significar una reducción en las necesidades de calefacción en temporadas o regiones frías, de las que un país tropical como México no está exento.

Este artículo muestra una manera sencilla de generar un escenario de condiciones bioclimáticas para ocho ciudades del sur de México (Tabla 1), que incorpora la aclimatación a través del uso del concepto de temperatura preferente. También se propone una forma estadística de estimar la humedad ambiente a partir de las predicciones de los modelos de circulación general. Como se verá más adelante, merced al aumento poblacional, los consumos energéticos para la segunda mitad del siglo XXI en estas ocho ciudades, deberán incrementarse para reducir las sensaciones de incomodidad térmica, tanto por "calor" como por "frío".

Cambio climático y bioclima humano en México

Es de esperarse que los incrementos medios de temperatura bajo una condición de duplicación en la concentración de CO₂ disminuirán conforme aumenta la latitud, como lo muestran los escenarios de cambio climático para México generados por Magaña et al. (2000). Estos incrementos están alrededor de 2°C para México, y se obtienen de modelos de simulación climática de circulación general. Magaña et al. (2000) han utilizado los modelos del Canadian Climate Center (CCCM) y del Geophysical Fluids Dynamics Laboratory de los Estados Unidos (GFDLR30). Desde luego, los escenarios climáticos regionalizados (para variables como temperatura y precipitación) pueden llegar a ser altamente especulativos, ya que el error potencial es grande, pues, entre otros, no están claros los efectos del cambio climático en la nubosidad (Hartmann, 1994, cap. 10).

Por otra parte, el incremento de la temperatura ambiente que experimentan los centros de las ciudades -conocido como "isla urbana de calor" - se intensifica y extiende en proporción directa al tamaño de las urbes (Oke, 1993), por lo que las ciudades de rápido crecimiento en los países en desarrollo -como es el caso de las estudiadas en este trabajo (Figuras 1a y b)- tenderán a incrementar las condiciones de incomodidad por temperaturas y humedades altas (situaciones cálidas o muy cálidas), más notoriamente que como ocurre en las ciudades del centro de Europa (Unger, 1999).

Utilizando los conceptos de temperatura efectiva (TE) y tendencia relativa, McGregor (1995) ha evaluado los cambios probables en el confort humano en el Pacífico oeste ecuatorial y sur tropical, como consecuencia del calentamiento global. Para bioclimas futuros, McGregor supone un cambio de temperatura de +2° C con incrementos de presión de vapor de 7 a 14%, lo que incrementará la frecuencia, duración e intensidad de las condiciones de estrés térmico humano en la región oceánica.

Para México existe el antecedente de trabajos que exploran el posible impacto de la duplicación de la concentración de CO₂ en el bioclima humano del país (Jáuregui et al., 1996), de la Ciudad de México (Jáuregui y Tejeda, 2000 y 2001) y de cuatro ciudades del sur del país (Tejeda y Rivas, 2001). El primero de ellos (Jáuregui et al., 1996), apoyado en las proyecciones demográficas de Aguilar (1996), concluye que durante el verano de la segunda mitad del siglo XXI, 49 millones de mexicanos que ahora no utilizan sistemas de aire acondicionado, los requerirán para estar en condiciones de confort entre media mañana y media tarde, a pesar de los procesos de aclimatación que experimentará la población afectada (Tabla 2). Esa información implica que para el verano el consumo energético por climatización de edificios habrá de triplicarse en comparación con la actualidad.

El objetivo de este trabajo es mostrar un escenario de las condiciones bioclimáticas a escala local para el sur de México (por debajo de los 20° N). El estudio se realizó para 18 urbes, pero se discutirán los resultados en las ocho ciudades de la Tabla 1, cuatro ubicadas en un transecto sobre el paralelo 17° N (Acapulco, Oaxaca, Tuxtla Gutiérrez y San Cristóbal de las Casas) y otras cuatro alrededor del paralelo 19° N (Xalapa, Veracruz, Ciudad del Carmen y Chetumal). Los perfiles altitudinales de ambos transectos se muestran en las Figuras 2a y b.

Las ocho ciudades seleccionadas presentan diversidades de tamaños, tendencias de crecimiento, condiciones altitudinales, climáticas, sujetas a la influencia de prácticamente los mismos sistemas meteorológicos, pero no de manera simultánea, por lo que pueden considerarse una muestra representativa de lo que podría ocurrir ante el cambio climático en las urbes mexicanas por debajo de los 20° N.

Termopluviometría del sur de México

Los climas de la parte sur del país son por demás variados, con diferencias claras entre las costas pacífica y atlántica; entre las planicies bajas y las cimas de las sierras. Para no entrar en detalles que escapan al propósito de este artículo, en esta sección, como indicativo general, se esbozará la termopluviometría de las localidades analizadas.

En las Figuras 3a y b se muestran los promedios de temperaturas durante un mes de invierno (enero) y uno de verano (junio). Para el transecto sur, la ciudad de San Cristóbal de las Casas registra los promedios de temperatura mínima más bajos (4.1° y 10.2°C en enero y junio, respectivamente); para el mes de enero, el promedio de temperatura máxima más alto lo tiene la ciudad de Acapulco (31.0°C, casi igualado por Tuxtla Gutiérrez, con 30.4° C), mientras que durante junio el promedio de temperatura máxima más alto le corresponde a Tuxtla Gutiérrez (33.8°C). Salvo Acapulco, el resto de las localidades del transecto sur presentan una mayor oscilación térmica diaria media mensual (representada por la longitud vertical de las cajas en las Figuras 3a y b) que los sitios del transecto norte, mayoritariamente costeros. En Oaxaca y Tuxtla Gutiérrez la oscilación llega a ser de 20° C en enero, mientras que en ningún caso del transecto norte se alcanzan los 10° C.

Como se verá más adelante, esto ocasiona que las condiciones de comodidad térmica en las localidades del transecto norte sean más uniformes y que los requerimientos de climatización sean comparativamente menores. El sur del país se caracteriza por ser una zona con precipitaciones copiosas en verano (semestre de mayo a octubre), que significan más del 70% de la lluvia anual. En el transecto sur las lluvias de verano en todos los casos son superiores al 90%, si bien Oaxaca tiene una precipitación anual de 607 mm y Tuxtla de 822 mm, mientras que San Cristóbal acumula 1 160 mm y Acapulco 1 404 mm. En el transecto norte las precipitaciones de verano son aproximadamente del 70%, excepto en el puerto de Veracruz, que concentra el 90% de la precipitación en este semestre. En este transecto se rebasan los 1 000 mm anuales (Veracruz llega a los 1 758 mm y Chetumal a los 1 091 mm). Para enero Tuxtla Gutiérrez es la menos (0.6 mm) y Xalapa la más lluviosa (45 mm; Figuras 4a y b); para junio Xalapa registra la media más alta (315 mm), y la menor corresponde a Ciudad del Carmen (145 mm).

El contraste más notorio entre los regímenes termopluviométricos de ambos transectos, lo generan las invasiones de masas de aire polar modificado en su tránsito sobre el Golfo de México, que provocan lluvias invernales importantes en el transecto norte, cercanas a los 50 mm en enero en los cuatro sitios, el doble o más que en cualquiera de las ciudades analizadas para el transecto sur. El mismo fenómeno meteorológico hace que la diferencia de temperaturas medias entre el mes más cálido y el más frío en el transecto norte sea de 5.6° C en promedio, contra 3.5° C en promedio para el transecto sur.

LOS DATOS

Para este trabajo, los registros mensuales de temperatura media, mínima, máxima y humedad relativa promedio, estuvieron disponibles con calidad y sincronía para las estaciones climatológicas de la Tabla 1 durante el periodo 1951-1980 (Servicio Meteorológico Nacional, s/f), excepto que para Ciudad del Carmen no se dispuso de información de humedad relativa. Los incrementos en los promedios mensuales de temperatura mínima y máxima para el futuro, fueron obtenidos de los escenarios regionales para México derivados de las salidas de los modelos CCCM y GFDL-R30 aplicados a México por Conde et ai. (1996) y por Magaña et al. (2000). El modelo GFDL-R30 tiene una resolución de 2.22° de latitud y 3.75° de longitud, para iterar sus resultados sobre una malla de 96 por 80 puntos en nueve niveles altitudinales, mientras que el CCCM se desarrolla sobre 96 por 48 puntos de malla (resolución de 3.75° por 3.75° en cinco niveles altitudinales). Para una duplicación de bióxido de carbono, el primero pronostica un incremento térmico planetario promedio de 4^o C y el segundo de 3.5° C.

Sin embargo, puesto que ambos modelos arrojaron resultados similares de incremento de temperatura media para el sur del país (entre 1.7° y 2.7° C), se adoptó el valor más bajo para la estimación de la temperatura esperada para condiciones de duplicación en la concentración de CO₂ (Tabla 3), lo cual posiblemente ocurra hacia la segunda mitad del siglo XXI (SEMARNAT-INE, 2001).

La población registrada para cada una de las ciudades, tomada de los censos generales de población de 1990 y del año 2000, permitió obtener la tasa de crecimiento poblacional para pronosticar el número de habitantes para el año 2020 (Figuras 1a y b). Para estimar el número de habitantes que las poblarán cuando ocurra la duplicación de CO₂, se adoptó como hipótesis arbitraria que a partir del año 2020 la población se mantendrá constante. De esta manera, se resolvió la dificultad de precisar una fecha de ocurrencia del doblamiento de CO₂ respecto de las concentraciones en la última década del siglo XX. Esto implica, igualmente, que la llamada isla urbana de calor cesará de intensificarse hacia ese año (2020).

Es de notarse en las Figuras 1a y b, que para el año 2020 Acapulco rebasará el millón de habitantes y Tuxtla Gutiérrez se acercará a esa cifra, mientras que Xalapa y Veracruz se acercarán a los 700 mil habitantes. Estos valores deben tomarse con reserva, pues ante la dificultad de considerar áreas conurbadas y su evolución futura, se optó por tomar los datos de los municipios en lugar de únicamente el de las ciudades, considerando que la población municipal sea aproximadamente equiparable a la de las zonas conurbadas pertenecientes a dos o más municipios, como en los casos claros de Xalapa, Veracruz y Acapulco.

MÉTODO

En la literatura es posible encontrar una amplia variedad de índices para evaluar el bioclima humano (para una revisión véase Taesler, 1986; Jáuregui, 1996 y Höppe, 1997). Los hay tan complicados como los que pretenden una simulación de las condiciones físicas y fisiológicas presentes en la sensación de confort de los humanos, y en el otro extremo están los índices sencillos que usan como datos de entrada sólo la temperatura ambiente y la humedad atmosférica. Sin embargo, los primeros no son aplicables a la generación de escenarios de bioclima humano ante el cambio climático, porque los modelos climáticos de circulación general o de balance de energía producen como datos de salida temperatura ambiente y precipitación, eventualmente insolación y casi nunca humedad atmosférica. Por otra parte, Jáuregui et al. (1997) han mostrado que cuando en un índice complejo se parametrizan algunas de las variables, ese índice adquiere la misma sensibilidad y utilidad que un índice sencillo. Por esa razón siguen siendo vigentes las evaluaciones bioclimáticas a partir de datos de temperatura y humedad, más aún cuando hay dificultad para conseguir información climática más específica, como datos de horarios de viento, radiación solar, temperatura radiante, entre otros, como ocurre para los países tropicales (Tejeda y García, 2002) o en las salidas de los modelos de cambio climático. Pero incluso en regiones del mundo donde son accesibles datos climáticos densos, continuos y de otras variables, además de humedad y temperatura, se siguen aplicando índices sencillos para fines de comparaciones bioclimáticas, como por ejemplo en Grecia (Tselepidaki et al,, 1992), en el centro de Europa (Unger, 1999) o en California, Estados Unidos (Cesaraccio et al., 2001).

Por lo anterior, se escogió usar en este trabajo la temperatura efectiva (TE), definida como el equivalente a la temperatura del aire en calma que experimentaría un sujeto sedentario, sano, a la sombra, vestido con ropa de trabajo, si la humedad relativa fuera del 100%. El uso de este índice resulta sumamente atractivo por su simplicidad (Hentschel, 1987), aunque ha sido criticado porque pierde sensibilidad ante la humedad elevada en los climas cálidos (Tromp, 1980).

Propuesta originalmente por Houghten y Yaglou (1923), debe notarse que la TE es un índice de respuesta térmica para individuos sedentarios. Sin embargo, tiene la ventaja de depender sólo de datos de temperatura y humedad relativa; la primera se puede obtener de los modelos de cambio climático y, para los datos de humedad relativa en condiciones de duplicación de la concentración de CO₂, se mostrará aquí un procedimiento de parametrización.

La ecuación de TE propuesta por Missenard (1937) es:

donde Ta es temperatura del aire en grados centígrados y f es la humedad relativa en décimas.

Estimación del bioclima 1951-1980

Primero, para el periodo 1951-1980 se calculó la presión de vapor e (hPa) promedio mensual mediante una ecuación de regresión polinomial de quinto grado:

donde Tmin es el promedio mensual de temperatura mínima en grados centígrados. El error estándar dé estimación es de 3.1 hPa y el coeficiente de correlación lineal de 0.91 (para 67 observatorios meteorológicos en México y 12 meses, es decir, 804 casos).

La humedad relativa (f en decimales) es:

donde la presión de vapor de saturación e_s (en hPa) se calculo con la ecuación de Adem (1967):

con bo = 6.115, b₁, = 0.42915, b₂ = 1.4206 x 10^-2, b₃ = 3.046 x 10^-4, b₄= 3.2 x 10^-6.

A partir de la humedad relativa media mensual se procedió a estimar los valores promedio mensuales de humedad relativa máxima (fmax) y minima (fmin). En ausencia de advección significativa. Geiger (1957) sugiere que la presión de vapor (e) no varía entre las 10 y las 14 horas y la humedad relativa minima promedio (representativa para las 14 a 15 horas locales) será entonces:

donde e es la presión de vapor promedio mensual y e_smax es la presión de vapor de saturación máxima. Ésta fue calculada de acuerdo con la ecuación (2) aplicada a la temperatura promedio mensual máxima (Tmax):

Por su parte, la humedad relativa máxima media mensual (fmax) se puede calcular a partir de la humedad relativa media mensual (f), de la siguiente manera:

Los valores horarios medios mensuales de temperatura (Thor) y de humedad relativa (fhor) se obtuvieron a partir de las ecuaciones exponenciales siguientes:

La ecuación (8a) tiene un error estándar de estimación de 1.3° C y un coeficiente de correlación de 0.91, al comparar con datos observados de temperatura ambiente en diez localidades de México. Los valores de las constantes son a=0.096, b=2.422, c=-0.339, e es la base de los logaritmos naturales y f es la hora del dia medida a partir del amanecer (Tejeda, 1991).

En este trabajo la expresión (8a) se adaptó para estimar datos horarios medios mensuales de humedad relativa (ecuación 8b), a partir del hecho de que la humedad relativa sigue una marcha diaria inversa a la de la temperatura ambiente (Tejeda y García-Cueto. 2002).

Posteriormente se calcularon los cuatro promedios estacionales (TEesf) de TEhor. Estos valores fueron utilizados para calcular la TE preferente estacional, a partir de extender el concepto de temperatura preferente aplicado originalmente por Auliciems (1992) a la temperatura ambiente:

Finalmente, la zona de confort se definió como.

Por su parte, las horas grado calor (HGC) y las horas grado frío (HGF) son la suma de grados Celsius o Kelvin que hay que incrementar (HGC) o disminuir (HGF) a la temperatura efectiva de cada hora durante un día promedio para alcanzar el confort, considerando que éste abarca un intervalo de 2^o C alrededor de la temperatura efectiva preferente (Ecuación 11):

donde P₁₉₉₀ es la población en el año 1990.

donde P₂ooo es la población en el año 2000.

Al estimar la población total en el año 2020 (P₂₀₂₀). se ha supuesto que dicho valor corresponde a la población para la segunda mitad del siglo XXI:

donde Dt es el periodo 1990-2020, es decir, 30 años (véanse Figuras 1a y b).

Escenario para condiciones de 2CO₂

Para un escenario de duplicación en la concentración de CO₂, Magaña et al. (2000) muestran que los incrementos medios regionalizados de temperatura media mensual en grados centígrados esperados para el sur del país, a partir del modelo CCCM, ocurren como se muestra en la Tabla 3. Se tomaron los incrementos de este modelo por ser menores a los arrojados por el GFDL-R30 y, por lo tanto, generan escenarios más conservadores. A partir de dichos valores se obtuvieron los promedios de temperatura máxima y mínima para condiciones de duplicación de bióxido de carbono:

Finalmente, se rehicieron las estimaciones y cálculos descritos por las ecuaciones 1 a 13 (a y b) utilizando como datos de entrada las temperaturas derivadas con la ecuación (16) y con el valor de P₂₀₂₀ en lugar de P₁₉₉₀ dando como resultado los escenarios de bioclima y población para condiciones de duplicación del CO₂ atmosférico que se comentarán a continuación.

RESULTADOS

Las Figuras 5a y b muestran que, sin considerar los incrementos poblacionales, localidades de climas cálidos como Acapulco, Tuxtla Gutiérrez, Ciudad del Carmen y Chetumal requerirán un incremento en sistemas de enfriamiento de un 100% o hasta de un 200% para Veracruz, mientras que Oaxaca y Xalapa, templadas actualmente (es decir, con requerimientos de enfriamiento y de calefacción relativamente bajos), vivirían una situación cálida inédita.

Las necesidades de calefacción se reducirán para ambos transectos (Figuras 6a y b), excepto para Tuxtla Gutiérrez. El pequeño incremento para esta ciudad se debe a la forma de parametrizar el proceso de aclimatación de los individuos, pues el incremento de temperatura de los meses de transición hacia el invierno hará que se perciban con mayor rigor los descensos de temperatura y, por ende, se requiera de calefacción. En cualquier caso, los incrementos son poco significativos y pueden resolverse con abrigo, excepto en Oaxaca, Xalapa y, sobre todo, en San Cristóbal, donde tanto ahora como en un escenario de cambio climático, por momentos es necesaria la calefacción.

Por otra parte, el incremento poblacional y térmico aunados significa que las necesidades de aire acondicionado pueden incrementarse en un 500% en los casos de Acapulco, Tuxtla Gutiérrez, Veracruz, Ciudad del Carmen y Chetumal (Figuras 7a y b), mientras que el impacto del cambio climático en la reducción de calefacción es rebasado por el incremento de población (Figuras 8a y b), excepto en Acapulco, Veracruz, Ciudad del Carmen y Chetumal, cuyas necesidades de enfriamiento mínimas para una persona a la intemperie, prácticamente se ven abatidas por los incrementos térmicos inducidos por el cambio climático. Hay que notar que la menor oscilación térmica diaria del sector norte y su menor explosión demográfica (Figuras 1a y b), inducen menores incrementos energéticos para finales del siglo XXI, comparativamente con el transecto sur (Figuras 7a, b, y 8a y b).

Por último, debe enfatizarse que las necesidades de calefacción estimadas para condiciones de uno o dos CO₂ en buena medida se pueden reducir por el abrigo que proporcionan las edificaciones y la ropa. En cambio, los requerimientos de enfriamiento estimados aquí son conservadores toda vez que en este trabajo no está incluida la actividad de los sujetos, que induce a mayores incomodidades en periodos diurnos con temperaturas y humedades elevadas.

AGRADECIMIENTOS

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