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PROGRAMA
SOBRE ENERGÍA Y DESARROLLO SOSTENIBLE
Reunión del 19/06/03 El agua y el cambio climático Luis Balairón Resumen: El artículo desarrolla los siguientes apartados: las causas de los cambios climáticos, la intensificación del efecto invernadero, los escenarios climáticos para el 2100, los modelos climáticos generales y las técnicas estadísticas y empíricas de mejora de la resolución. Se añade una Bibliografía seleccionada.
Otros artículos de la Reunión del 19/06/03 Gráficos e imágenes sobre el agua y el cambio climático
Índices
del programa sobre energía y desarrollo sostenible:
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Introducción:
Clima y sistema climático
El
sistema climático de La Tierra está formado por un conjunto de
subsistemas como la atmósfera, los hielos y nieves –la criosfera-, los
mares y océanos –la hidrosfera-, ), la biosfera y los suelos (en
escalas de tiempo geológicas, la litosfera misma), cuya interacción
combinada determina los distintos estados climáticos que podemos
observar. Parte
de la variabilidad del clima que aparece como aleatoria se explica por la
propia complejidad de los intercambios que tienen lugar en el sistema climático.
Otra parte de la variabilidad observada, sin embargo, puede ser atribuida
en su origen a procesos específicos. La
circulación atmosférica y océanica son mecanismos de redistribución de
energía, materia y momento angular. Los ciclos biogeoquímicos o el ciclo
del agua están constituidos por flujos de intercambio de materia y energía.
Unos y otros intentan establecer estados de equilibrio. Los
patrones finales medios del comportamiento de la temperatura, el viento o
la precipitación, son el resultado de estos procesos y su distribución
geográfica, condicionada por diversos factores
locales, como la latitud (origen de la palabra “clima”), la
orientación o la continentalidad constituye el punto de partida para
establecer la planificación de actividades como la agricultura y la gestión
del agua y la energía. Las
causas de los cambios climáticos: los forzamientos radiactivos Causas
de cambio obstante, el origen de los cambios importantes está determinado
por alteraciones en el balance global de radiación. La
energía recibida en nuestro planeta es, en promedio, de 240 W/m2
, considerando una reflexión
o albedo del 30%. En el equilibrio, la energía devuelta al espacio
exterior por el conjunto de nuestro planeta debe ser de 240 W/m2 .
De no ser así se producirían calentamientos o enfriamientos hasta
alcanzar un nuevo equilibrio. Los factores conocidos que perturban el balance de radiación son numerosos y se conocen como “agentes de forzamiento radiativo”. El forzamiento radiativo es el flujo neto medido en la parte alta de la atmósfera conocida como tropopausa (unos 12 km en promedio) en W/m2. Conocemos
bien algunos de esos forzamientos externos: Los propios cambios en las
emisiones solares, muchos de ellos cíclicos; los cambios en la energía
recibida producidos en escalas de miles de años por la evolucion de
trayectoria de La Tierra alrededor del Sol y el cambio de la inclinación
del eje de rotación (ciclos de Milankovitch controlados por los parámetros
astronómicos de excentricidad de la órbita e inclinación y precesión
del eje de rotación de la Tierra). Estos cambios permiten justificar las
variaciones del clima durante las sucesivas alternancias de glaciación/interglaciación
del período geológico más reciente, el Cuaternario (desde hace casi dos
millones de años). Otros cambios, como son la diferente disposición de
los continentes y océanos, y la composición diferente de la atmósfera,
explican que climas diferentes al actual dominaron hace millones de años
en nuestro planeta. La
intensificación del efecto de invernadero natural
El
efecto de invernadero natural es un mecanismo muy eficaz de algunos
planetas (Venus, La Tierra)
que eleva la temperatura de la atmósfera en superficie, debido a la
presencia en su composición, de gases que absorben la radiación saliente
infrarroja y que, sin embargo, son transparentes a la radiación solar
entrante. Este
proceso eleva en casi 33ºC la temperatura de la atmósfera junto a la
superficie terrestre, de forma que la temperatura media global es de unos
15ºC, en lugar de los –18ºC que tiene la atmósfera en su conjunto. Si
la atmósfera terrestre no incluyera en su composición gases de efecto
invernadero, cuyo nombre más riguroso es el de “gases radiativamente
activos”, su temperatura junto al suelo también sería –18ºC. Durante
los últimos doscientos cincuenta años, debido a las actividades
industriales y agrícolas de la humanidad, la atmósfera ha experimentado
un aumento de gases de efecto de invernadero en relación a las
concentraciones naturales preexistentes, de
un 35 % en el caso del dióxido de carbono, de un 145 % en el caso
del metano y de un 15 % en el caso del óxido nitroso (datos actualizados
al año 2000). Es un cambio sin precedentes conocidos en cuanto al ritmo
de aumento. En el caso del dióxido de carbono (CO2) las concentraciones actuales no se han alcanzado muy probablemente en los últimos 420.000 años y es muy poco probable que se hayan superado en los últimos 20 millones de años. Un
forzamiento como el de gases de invernadero, obliga en primera instancia
al sistema climático a un calentamiento en superficie adicional y a un
enfriamiento en las capas altas, para mantener la temperatura citada de
equilibrio global de –18ºC, logrando que la energía emitida compense a
la recibida. Estos cambios alteran el perfil vertical de distribución de
temperatura de la atmósfera, y desencadenan, potencialmente, cambios en
los patrones de circulación atmosférica y los océanos y en muchos de
los numerosos procesos de retroalimentación que caracterizan el sistema
climático, como son la evaporación marina, los cambios de albedo de los
hielos marinos y terrestres, la fusión y retroceso de glaciares alpinos,
la evolución de las capas nubosas o el comportamiento de la cubierta
vegetal en los grandes ecosistemas. Los modelos simples del clima, establecen que una duplicación del dióxido de carbono planetario induciría un calentamiento de 1,2 ºC mundial. Sin embargo, la modelización del sistema con distintos grados de complejidad y la observación del pasado, nos lleva a la conclusión de que los mecanismos de realimentación amplificarían este calentamiento inicial, hasta alcanzar entre 1,5ºC y 4,5ºC. Se
suele denominar “sensibilidad” climática, a la respuesta de la
temperatura ante una duplicación del CO2 respecto
a las concentraciones naturales o preindustriales. Una definición más
amplia, considera como “sensibilidad” climática a la respuesta de la
temperatura ante cualquier forzamiento real o teórico. Debe entenderse,
que no constituye una “predicción” intederminada sino una forma de
medida de la incertidumbre del conocimiento en cada momento. El
IPCC, organismo creado por Naciones Unidas en 1988, para evaluar el
conocimiento científico, el riesgo de consecuencias negativas asociadas a
un proceso de cambio climático debido a las actividades humanas, y las
respuestas más convenientes para que el clima no experimente cambios
irreversibles perjudiciales para los sistemas tanto humanos como
naturales, ha elaborado tres evaluaciones en los años 1990, 1995 y 2001 y
numerosos informes especiales y técnicos para facilitar el desarrollo de
la Convención Marco sobre el Cambio Climático, aprobada en la Cumbre de
Río en 1992 y cuyo principal resultado fue la elaboración en 1997 del
Protocolo de Kioto, cuyo desarrollo y aplicación constituye hoy el marco
de referencia de la respuesta política a un problema con amplio
fundamento científico. Escenarios
climáticos previstos para 2100 Para
facilitar la investigación de impactos y el desarrollo de experimentos de
modelización climática, el IPCC ha elaborado tres generaciones de
“escenarios” no climáticos de emisiones y concentraciones de gases de
invernadero. Los escenarios de concentraciones sirven para calcular los
escenarios de forzamientos radiativos y estos, a su vez, para realizar los
experimentos de modelización citados. Los resultados así obtenidos,
permiten aplicar técnicas diversas de estudio de impactos que son
comparables entre sí. La
última generación de escenarios, denominada SRES (Special Report on
Emission Scenarios), ha propuesto 40 escenarios agrupados en cuatro
grandes familias, A1, A2, B1 y B2, una de las cuales tiene a su vez tres
grupos (A1FI, A1B y A1T). Los escenarios están desarrollados a partir de hipótesis sobre el
desarrollo económico, la evolución de la población y las pautas de
consumo de energía, que son los factores determinantes de las emisiones
futuras. La
respuesta a los escenarios de emisión considerados, para la evaluación
del IPCC de 2001 (conocida por sus siglas inglesas como TAR: Third
Assessment Report), obtenida con modelos relativamente simples, con
sensibilidades establecidas a partir de los modelos más complejos, son
escenarios climáticos que elevan la temperatura atmoférica global de
superficie para el 2100, dependiendo del escenario considerado, entre 1,4º
C y 5,8ºC y eleva el nivel del mar entre 8 y 90 cm. Los
impactos derivados de esta evaluación, considerando los cambios de los
patrones de precipitación y de los extremos climáticos más importantes,
afectan negativamente a la agricultura, en especial a la más primaria, a
la gestión del agua, la energía y los alimentos y a la conservación de
los ecosistemas, a los
asentamientos costeros en países del mundo no desarrollado o a los costes
crecientes de las actividades de las aseguradoras mundiales. Por
último, existe un consenso generalizado acerca de la necesidad de dar un
paso adelante y vincular la solución de problemas potenciales del cambio
climático con la necesidad de concretar la idea general de desarrollo
sostenible, es decir , de un desarrollo que no comprometa el futuro y en
particular que no se base en un crecimiento que exige el agotar recursos
finitos o que altera el entorno de forma tan irreversible que agota su
riqueza y su capacidad de ser el soporte de nuestra propia vida como
sociedad. Escenarios
globales y regionales de clima Los
escenarios globales de clima se realizan con modelos climáticos de muy
diverso tipo, que conforman lo que conocemos como jerarquía de modelos
climáticos y que incluye
desde modelos de dimensión cero (la tierra es un punto para el que se
establecen balances de energía) hasta modelos de clima muy complejos,
basados en la simulación de las circulaciones generales de la atmósfera
y el océano, es del orden de los 300 km. La
simulación del clima reciente a partir de estos
modelos globales acoplados de circulación océano-atmósfera (MGC-OA),
es relativamente satisfactoria en las escalas hemisféricas y
continentales. Sin embargo en las escalas regionales (104-107
km2) este tipo de modelos presentan desviaciones muy
importantes respecto a los valores observados y variaciones entre unas
regiones y otras en función, que se observan claramente en los proyectos
de intercomparación disponibles
(IPCC, 2001). Como consecuencia de lo anterior, los resultados de experimentos realizados con modelos globales, para estudiar la respuesta del clima ante los incrementos de gases de efecto invernadero previsibles hasta el 2100, resultan inadecuados para describir las circulaciones a escala local y los comportamientos de los elementos climatológicos más comunes en escalas regionales. En
particular, resultan insuficientes para afrontar uno de los objetivos más
importantes en la estrategia de adaptación ante el cambio climático,
como es la evaluación de los impactos potenciales de un cambio de clima
en los sistemas humanos de gestión de recursos hídricos, agrícolas o
energéticos y en los sistemas naturales. Este
problema adquiere una importancia especial en el caso de los escenarios de
precipitación o del viento, dada la influencia de las condiciones orográficas
regionales y locales sobre la misma y la sensibilidad de los resultados de
la precipitación ante las
distintas hipótesis utilizadas en los experimentos de simulación, tanto
en lo que se refiere a los escenarios no climáticos, que determinan los
forzamientos radiativos, como en lo que se refiere al tratamiento de las
realimentaciones dinámicas consideradas en cada esquema de modelización. Para
superar este problema, en la última década se han desarrollado diversos
enfoques, que pueden considerarse como complementarios entre sí: el
aumento de la resolución de los modelos globales para períodos de tiempo
definidos (“time slices”) y el desarrollo de modelos de rejilla
variable; la mejora de
resolución mediante la utilización de modelos de área limitada,
denominados modelos climáticos regionales (down scaling dinámico) y, por
último, la mejora de la resolución de resultados de modelos globales
mediante el desarrollo de algoritmos empíricos y estadísticos que
relacionen el comportamiento de la circulación general en diversos
niveles, considerados como “predictores”, con los comportamientos de
las variables climáticas junto a la superficie, consideradas como “predictandos”,
en el área regional en estudio (down scaling empírico/estadístico).
También se ha abordado el problema mediante técnicas mixtas dinámico-estadísticas
y mediante la interpolación directa de los valores de origen, con métodos
de complejidad variable. Esta última técnica se utiliza todavía en el
caso de estudios de impacto sobre variables en las que resulta difícil
otro tipo de “escalamiento”, como son la humedad relativa o variables
radiativas. En cualquier caso, debe observarse que todas los enfoques
tienen como factor común los resultados de experimentos con modelos
globales y que la comparación de su efectividad y de su adecuación para
estudios de impactos debe hacerse desde dos puntos de vista: la validación
de resultados frente a la observación y el análisis de su consistencia física. Adicionalmente
a estos enfoques persisten, las prácticas de obtención de escenarios
mediante “composites” de varios experimentos basados en hipótesis
comunes. Los
modelos climáticos regionales Los modelos regionales de clima, en su mayoría, son modelos de área limitada atmósfericos adaptados, cuyas condiciones iniciales y de contorno, necesarias para su aplicación, proceden de experimentos climáticos globales. En los últimos años se han producido avances notables en este enfoque, mediante acoplamientos con modelos de otras componentes del sistema climático, anidamientos sucesivos o mejoras en los forzamientos locales considerados. Asímismo, los resultados se han ampliado a estadísticos de orden superior a los de valores promedio (IPCC-TAR, 2001). Sus
resultados captan comportamientos debidos a la orografía o al tipo de
suelo y reproducen episodios de tiempo similares a los reales. No
obstante, tienen un factor limitante esencial en la calidad de los campos
de entrada de los modelos globales y aún están lejos de reproducir
variabilidades diarias o climatologías cercanas a las observadas.
Asímismo, la consistencia entre modelos diferentes aplicados a la
misma región, no proporciona por el momento una base coherente para el
desarrollo de estudios de impacto. No obstante, mejoran indudablemente el detalle espacial de los resultados globales, aunque se observan modificaciones negativas de las características globales de la simulación de origen, debidas posiblemente a interacciones de las escalas utilizadas en el anidamiento. Técnicas
estadísticas y empíricas de mejora de la resolución El desarrollo de técnicas empírico/estadísticas orientadas a la mejora de la resolución de resultados de modelos globales, permite optar en la actualidad por diversos enfoques: generadores de tiempo, funciones de transferencia diversas y tipificación de patrones de circulación atmosférica. La técnica de generadores de tiempo, construye series diarias largas a partir de planteamientos estocásticos basados en las series observadas en un lugar. Las otras técnicas tienen en cuenta dos factores: los estados climáticos a gran escala como condicionante general y las características fisiogeográficas locales y regionales que rigen el comportamiento de cada variable en particular. La escasa bibliografía de revisión del estado de esta cuestión analiza los fundamentos y las limitaciones de estos enfoques, con conclusiones todavía provisionales en cuanto a su futuro. La viabilidad y la importancia de estos enfoques depende tanto de los avances como de las limitaciones actuales de la modelización: de ella obtienen su punto de partida y a partir de ella descripciones detalladas de variables que no son simuladas directamente por los modelos, como variables de ecosistemas o altura de olas. En todo caso, han mostrado su alta capacidad de reproducción precisa de las climatologías observadas de variables esenciales, como la precipitación y la temperatura. Las debilidades de este enfoque nacen de su hipótesis básica: Suponer el mantenimiento, en un contexto climático futuro, de las relaciones obtenidas en un período histórico reciente, delimitado por los datos de los reanálisis disponibles (desde 1948, en el caso del NCEP y desde 1979 en el caso del ECMWF). Esta hipótesis es resistente a cambios climáticos poco intensos, como se demuestra con técnicas de validación cruzada, pero es incierta frente a cambios climáticos de gran escala, en especial de los que afecten a otros subsistemas climáticos, distintos de la atmósfera, como serían los cambios en la circulación termohalina oceánica. Los objetivos para el futuro inmediato de esta estrategia son reducir y acotar esta dependencia en la mayor medida posible y mejorar la justificación teórica, en términos dinámicos, de las relaciones obtenidas. Escenarios
para impactos En
relación a la obtención de escenarios climáticos, el diagnóstico
anterior aconseja elegir el enfoque más adecuado a cada tipo de estudio
de impacto. Los
impactos de escala global y subcontinental tienen en los enfoques de
“time slice” su opción mejor. Los impactos en procesos locales, como
precipitaciones convectivas o degradación de suelos, en especial para
cambios climáticos intensos, tienen su opción óptima en los modelos
regionales. Los estudios de impacto en cultivos, en ecosistemas o en
recursos hídricos en cuencas, dependientes de valores medios y extremos
climatológicos, en especial para las décadas más inmediatas, tienen por
el momento su opción más adecuada en las técnicas empírico-estadísticas
de mejora de resolución. Selección
de resultados Finalmente,
se presentan algunos resultados gráficos para la cuenca mediterránea y
para España, procedentes de
diversos experimentos, y de diversas técnicas, cuya referencias se
incluyen en la bibliografía adjunta. Como
resumen, limitado por la variedad de resultados y enfoques, podemos decir
que se observan aumentos de temperatura comprendidos entre los 2 y 6 ºC,
en función de las hipótesis de emisiones y de los modelos utilizados, y
variaciones de la precipitación del orden de ±
10%, asociados básicamente a los cambios que se producen en invierno y
modulados por los comportamientos de primavera y otoño. |
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Bibliografía
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