ARTÍCULOS ORIGINALES

Variacion temporal de índices de precipitaciones extremas en el centro de la provincia de Buenos Aires

Temporal variation of extreme precipitations indexes in the centre of Buenos Aires province

 

Mónica Gelmi⁽¹⁾ y Rafael Seoane⁽²⁾

(1) Facultad de Ingeniería. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Argentina. Avda. A. Del Valle 5737. (B7400JWI) Olavarría. mgelmi@fio.unicen.edu.ar
(2) Instituto Nacional del Agua-FIUBA-CONICET. Autopista Ezeiza-Cañuelas, tramo Jorge Newbery km 1620. CC Nº 46. (1802) Ezeiza. Buenos Aires. rseoane@ina.gov.ar

 

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RESUMEN

El objetivo de esta investigación consiste en estudiar la evolución temporal de precipitaciones diarias para detectar la presencia de tendencias y la frecuencia de eventos extremos. Las series de precipitaciones observadas corresponden a cuatro estaciones meteorológicas ubicadas en el centro de la Provincia de Buenos Aires, Argentina.
Los cambios en las precipitaciones extremas a nivel diario se evalúan con los índices propuestos por la World Meteorological Organization-Commission for Climatology (WMO-CCL) y el World Climate Research Programme (WCRP) - Climate Variability and Predictability.
Para estudiar los posibles cambios en la relación período de retorno - precipitaciones máximas se aplicaron a las series dos funciones de densidad de probabilidades, la Generalizada de Valores Extremos y la Gamma de dos parámetros. Los resultados estimados con las dos funciones de densidad de probabilidades de la precipitación máxima, generalmente muestran un incremento de la precipitación asociado a la misma probabilidad de ocurrencia en el período 1971-1999 respecto a 1951-1970.
Los eventos de precipitación que produjeron crecidas, ocurridos en Olavarría y Azul desde la década del 80 son una clara indicación del interés del estudio de este tema tanto por sus implicancias sociales asociadas con las inundaciones, como por la necesidad de actualizar las estimaciones de los parámetros de diseño de obras hidráulicas.
Los valores de los índices estimados indican la existencia de una tendencia positiva en la precipitación en la mayoría de las estaciones meteorológicas y una mayor frecuencia de ocurrencia de valores extremos para el periodo 1971-1999 en relación al periodo 1951-1970.

Palabras claves: Índices de Precipitación; Modelos Estadísticos; Eventos Extremos; Provincia de Buenos Aires.

ABSTRACT

The objective of this research is to study the temporal evolution of daily precipitation in order to detect the presence of trends and to estimate the frequency of extreme events. The observed precipitation series correspond to four meteorological stations located in the center of the Province of Buenos Aires, Argentina.
Changes in daily extreme precipitation were assessed through the indices proposed by the World Meteorological Organization-Commission for Climatology (WMO-CCL) and the World Climate Research Program (WCRP) -Climate Variability and Predictability.
In order to analyze possible changes in the return period - maximum precipitation relationship, two probability density functions were applied to the series, the Generalized Extreme Values and the two parameters Gamma. The obtained results show, in general, a higher probability of occurrence of greater precipitations over the period 1971-1999 respect of period 1951-1970.
The rainfall events that caused floods in Olavarría and Azul since the '80s clearly show the interest of studying this subject, not only because of its social implications associated to floods, but the demand of developing techniques to update the estimation of design parameters of hydraulic works.
The estimated indices suggest a positive trend in the precipitation at most of the analyzed meteorological stations and a higher frequency of occurrence of extreme values over the period 1971-1999 compared to the period 1951-1970.

Keywords: Precipitation Indices; Statistical Models; Extreme Events; Province of Buenos Aires.

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INTRODUCCIÓN

Existen numerosas investigaciones orientadas a estudiar la ocurrencia de precipitaciones extremas y la posible tendencia en las series observadas de la precipitación diaria, dada la importancia que tiene la ocurrencia de crecidas asociadas a eventos más severos en intensidad y duración.

El Informe del Intergovernmental Panel Climate Change (IPCC, 2007) indica que se han observado tendencias a largo plazo durante el periodo 1900-2005 en la cantidad de las precipitaciones; como así también un aumento significativo de las precipitaciones en las regiones orientales de América del Norte y del Sur, en el norte de Europa y en Asia septentrional y central. Los patrones de tendencia de eventos extremos diarios y de varios índices en el período 1960-2000 resultaron muy semejantes al patrón de tendencia de la precipitación total anual, observando la presencia de cambios hacia condiciones más húmedas en Ecuador y norte de Perú y la región sur de Brasil, Paraguay, Uruguay, norte y centro de Argentina (Haylock et al. 2006).

En Argentina, en las últimas décadas, se detectaron tendencias muy importantes en la precipitación, cabe mencionar: a) aumento de las precipitaciones medias anuales en ciertas regiones del territorio argentino, especialmente en el noreste (Barros et al. 2000) y b) incremento de la frecuencia de precipitaciones extremas en gran parte del este y centro del país (Penalba y Robledo 2010, Segunda Comunicación Nacional de la República Argentina a la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático 2007).

El último informe citado en el parágrafo anterior indica que es muy probable que la tendencia en la precipitación esté relacionada con el cambio climático global, aunque también se ha comprobado que la variabilidad interanual de la precipitación ha impactado fuertemente en la producción agropecuaria, la infraestructura de las rutas, caminos rurales y ciudades.

Berbery y Barros (2002) estudiaron el origen de los cambios en el escurrimiento entre dos períodos de veinte años, 1951 a 1970 y 1981 a 1999, en las cuencas de los ríos Paraná aguas arriba de Corrientes y en el río Uruguay en Paso de los Libres, y concluyeron que estos cambios se generaron por incrementos de la precipitación entre ambos períodos.

En Uruguay, sur de Brasil y Buenos Aires se han detectado tendencias positivas en la precipitación diaria durante el verano y el otoño y tendencias levemente negativas en la primavera y el invierno (Berbery et al. 2006).

El grupo de expertos en Cambio Climático del World Meteorological Organization-Commission for Climatology (WMO-CCL) y del Research Programme on Climate Variability and Predictability (CLIVAR) propone calcular una serie de índices, que se obtienen a partir de la cantidad de la precipitación y las temperaturas máxima y mínima diaria, con el objetivo de mejorar el diagnóstico de los cambios en temperaturas y precipitaciones extremas en el mundo (Peterson 2005).

Los valores calculados de estos índices, a partir de las series de precipitaciones diarias del período 1946 a 1999, en América del Norte, Europa, Asia y Australia, indican un aumento en el número de días húmedos y en los eventos extremos de precipitación en el período 1971 a 1999 respecto al 1946 a 1970 (Frich et al. 2002).

Para describir la precipitación diaria en la costa este y central de la isla de Cerdeña (Italia), Bodini y Cossu (2010) realizaron un estudio de las precipitaciones máximas observadas en esta zona, que presenta un tipo de suelo que es altamente vulnerable a los deslizamientos. Estos autores analizaron la presencia de tendencia en algunos índices y ajustaron a las series de precipitaciones máximas una distribución Generalizada Pareto.

El estudio de los eventos extremos de precipitación se fundamenta por la importancia que éstos tienen sobre la humedad de suelo, los parámetros de diseño de pequeñas obras hidráulicas y el transporte de fertilizantes en cuencas rurales con el consecuente deterioro de la calidad del agua de los arroyos.

A partir de los conceptos anteriores este trabajo de investigación propone estudiar distintas series de precipitación diaria y los índices que se pueden derivar de las mismas, en una región del centro de la provincia de Buenos Aires, para detectar tendencias en las series temporales en dos períodos de tiempo.

METODOLOGIA

En el presente trabajo se estiman distintos índices derivados de la precipitación diaria en cuatro estaciones meteorológicas ubicadas en la provincia de Buenos Aires, considerando un día húmedo cuando la precipitación diaria observada es igual o mayor que 1.0 mm.

Los índices fueron estimados en escalas de tiempo anual y estacional para dos períodos de tiempo 1950-1970 y 1971-1999. Los meses que incluye cada estación del año son: diciembre, enero y febrero, verano; marzo, abril y mayo, otoño; junio, julio y agosto, invierno y septiembre, octubre y noviembre, primavera.

En la tabla 1 se presenta la definición de los índices estimados (Frich et al. 2002, Peterson 2005 y Bodini y Cossu 2010).

Tabla 1: Definición de los índices de las precipitaciones.
Table 1: Rainfall indices definition.

Para la estimación de la presencia de tendencias en las series de tiempo de los índices calculados, se aplicó la prueba no paramétrica de Mann-Kendall que establece para la hipótesis nula H₀: los datos de una serie de tiempo son independientes e idénticamente distribuidos y la hipótesis alternativa H₁: la serie tiene tendencia positiva o negativa. Sin embargo bajo la existencia de una correlación positiva en los datos, se incrementa la posibilidad de detectar tendencias cuando realmente no existen y viceversa. El código de programación desarrollado por Helsel et al. (2006) resuelve el problema que presenta aplicar la prueba de Mann-Kendall a series de tiempo con datos autocorrelacionados.

Una vez detectada la tendencia en las series de tiempo de los índices calculados se estudiaron los parámetros del modelo de regresión lineal, estimando el intervalo de confianza de la pendiente y la ordenada al origen para un nivel de significancia del 5%. También se analizaron los residuos del modelo y se comprobó que son una variable aleatoria con media cero y varianza constante, σ² y la serie de los residuos es independiente, estimando la función de autocorrelación, que para retardos mayores e iguales a uno no es significativa.

Luego, se analizó la capacidad de representación de las funciones de densidad de probabilidades Generalizada de Valores Extremos y Gamma para la precipitación diaria máxima en escala de tiempo anual. El método consistió en definir a partir de las precipitaciones diarias cuatro nuevas series de precipitaciones máximas anuales y se estimaron los parámetros de las dos funciones de densidad de probabilidades propuestas.

La función de distribución generalizada de valores extremos (GEV) es una combinación de las distribuciones de extremos Gumbel, Fréchet y Weibull. Esta forma conjunta de las tres distribuciones permite realizar inferencia estadística sin seleccionar previamente uno de los tres modelos posibles. La GEV tiene la siguiente forma:

Los parámetros asociados a las funciones de densidad de probabilidades GEV y Gamma se estimaron por el método de máxima verosimilitud para cada período de tiempo y se consideró el estadístico de Kolmogorov -Smirnov para determinar el ajuste alcanzado con cada función de distribución.

También se estimó, a partir de la función de distribución acumulada GEV y Gamma, el período de retorno de la precipitación para eventos en escala diaria.

Para evaluar los cambios en la precipitación diaria, en distintas escalas temporales, se aplicó la metodología propuesta y se analizaron los resultados obtenidos en dos períodos de tiempo de veinte años cada uno, el primero que incluye hasta el año 1970 y el segundo a partir del año 1971 a 1999.

DESCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN BÁSICA Área de estudio

El área de estudio comprende la zona central de la provincia de Buenos Aires, Argentina, que se caracteriza por una extensa llanura donde se alternan algunas serranías de baja altura que le dan un aspecto de tipo ondulado.

La superficie que ocupan los partidos de Olavarría, Bolívar, Benito Juárez y Tandil se localiza en la región denominada 'Bordes oeste y sur de la cuenca del Plata', siendo esta última subdividida en siete regiones (Caffera y Berbery, 2006).

Con respecto a la actividad desarrollada en el área de estudio, existe una superficie importante que se caracteriza por el desarrollo de la agricultura y ganadería, la otra se destina a las actividades mineras asociadas a la producción de cemento, cerámicos, caleras, canteras a cielo abierto.

El clima de la región de estudio, según la clasificación climática clásica de Thornthwaite es húmedo mesotermal con precipitación todo el año (B r B' a') y conforme a la clasificación también clásica de Köppen es templado húmedo sin estación seca (C f b) (Obertello, 2006).

En la figura 1 se presenta un mapa de la República Argentina, con la provincia de Buenos Aires y la ubicación de las estaciones meteorológicas consideradas para el desarrollo del presente trabajo de investigación. En la tabla 2 se presenta la ubicación geográfica y los períodos de registro.

Figura 1: Ubicación de las estaciones meteorológicas.
Figure 1: Location of meteorological stations.

Tabla 2: Coordenadas geográficas de las estaciones meteorológicas y período de registro de las precipitaciones.
Table 2: Geographical coordinates of the meteorological stations and period of record of precipitation.

El primer período de tiempo se inicia en los años 1959 y 1961 en las estaciones meteorológicas de Azul y Bolívar respectivamente, y en Benito Juárez y Tandil en 1951.

RESULTADOS

Para cada una de las estaciones meteorológicas los resultados obtenidos son: valores medios, índices, análisis de tendencia y representación de la precipitación máxima.

Escala de tiempo anual

En esta escala temporal, se calculó la precipitación total en todas las estaciones meteorológicas y se observó que a partir del año 1971 la precipitación anual es igual o mayor que 800 mm, con excepción de algunos pocos años que resultan por debajo de este umbral.

La precipitación media anual se estimó para los períodos de tiempo 1951 a 1970 y 1971 a 1999. Se observan incrementos en el segundo período respecto al primero, para las estaciones del Azul, Benito Juárez, Bolívar y Tandil, de aproximadamente 13%, 10.5%, 10.1% y 3% respectivamente (Tabla 3).

Tabla 3: Precipitación media anual.
Table 3: Mean annual precipitation.

En la tabla 4 se presentan los valores medios de los índices calculados para cada estación meteorológica para todo el período de tiempo. En la estación Bolívar se obtienen los mayores valores de precipitación diaria, el número de días con precipitación mayor o igual a 10 mm y 20 mm, la proporción de la precipitación anual que excede el percentil 95% y la precipitación total anual.

Tabla 4: Valores medios estimados de los índices de las precipitaciones.
Table 4: Estimated mean values of precipitations indices.

Para las estaciones meteorológicas analizadas los resultados de la tabla 4 muestran que la precipitación media anual se halla en un rango de 800 mm a 1000 mm; que coincide con el mapa de precipitación media anual presentado en el trabajo de Nuñez et al. (2008).

La precipitación diaria máxima anual se encuentra en el rango de los 75 a 90 mm y la máxima precipitación acumulada en cinco días consecutivos se ha registrado en la estación meteorológica Tandil (Tabla 4). Los números de días con precipitación mayor a 10 mm y 20 mm se encuentran entre 25 y 31 días y entre 13 y 16 días, respectivamente. Las precipitaciones asociadas a los percentiles del 95% y 99%, así como la proporción de extremos asociada a cada uno de los percentiles, es del mismo orden de magnitud para todas las series de precipitaciones (Tabla 4).

La tabla 5 muestra los valores de la suma de las precipitaciones diarias que exceden el percentil del 95% (PTE95), la suma de las precipitaciones diarias mayores o iguales a 1 mm (PT) y el valor medio de la proporción de la precipitación acumulada que excede el percentil del 95% respecto de la precipitación total (PTE95PT), para cada período de tiempo.

Los valores estimados de PTE95PT del segundo período de tiempo para las estaciones meteorológicas de Azul, Benito Juárez y Bolívar superan a los valores estimados en el primer período entre el 18% y 24% (Tabla 5). Además, se observa que los valores medios de PTE95PT del segundo período (Tabla 5) superan los valores medios de todo el período estudiado (Tabla 4), para todas las estaciones meteorológicas.

El número de años con valor máximo de la suma de la precipitación diaria durante cinco días consecutivos (Rx5días) es superior en el período 1971-1999; también se presenta para cada período de tiempo, el valor medio de Rx5días (Tabla 6).

En la tabla 7 se muestra el máximo número de días húmedos consecutivos (NDH) para cada período de tiempo.

Como puede observarse en todas las estaciones meteorológicas, a excepción de la estación Azul, se registra el máximo número de días húmedos consecutivos en más de un año en el período 1971 - 1999.

También se muestra para una escala de tiempo anual y para cada período de tiempo el máximo número de días consecutivos secos (NDS) (Tabla 8).

Tabla 8: Número máximo de días secos consecutivos (NDS).
Table 8: Maximum number of consecutive dry days (NDS).

El número máximo de días consecutivos secos que se muestran en la tabla 8 son del mismo orden de magnitud que la duración de las máximas secuencias secas asociadas a los años 1962, 1966, 1993 y 1995 determinadas por Penalba y Llanos (2008).

Prueba no paramétrica de Mann-Kendal

En escala de tiempo anual, las series que evidencian una tendencia positiva con un nivel de significancia del 5% son: PTE95PT, P10 y P20, en la estación meteorológica de Azul (Figuras 2 a 4) y P20, en la estación meteorológica de Tandil, (Figura 5), mientras que para el resto de las otras series no se evidencia una tendencia significativa.

Las series de los índices presentan tendencia y por lo tanto la pendiente del modelo de regresión lineal es distinta de cero para un nivel de significancia del 5%. Se verifican las hipótesis del modelo de regresión lineal: a) la serie de los residuos es una variable aleatoria con media cero y varianza σ² y b) los residuos son independientes dado que la función de autocorrelación es igual a cero para retardos iguales o mayores a uno.

Figura 2 Fracción de la precipitación anual que excede el percentil del 95% (PTE95PT).Azul.
Figure 2 Fraction of annual precipitation greater than percentile 95% (PTE95PT). Azul.

Figura 3: Número de días con precipitación igual o mayor a 10 mm (P10). Azul.
Figure 3: Number of days with rainfall equal to or greater than 10 mm (P10). Azul.

Escala de tiempo estacional

En las tablas 9 a 12 se muestran los valores de la suma de las precipitaciones diarias que exceden el percentil 95% (PTE95), la suma de las precipitaciones diarias mayores o iguales a 1 mm (PT), y el valor medio de la proporción de la precipitación acumulada que excede el percentil 95% respecto de la precipitación total, en cada período de tiempo (PTE95PT).

Los valores de PTE95PT en la estación meteorológica de Azul, en verano y otoño, presentan un incremento del 35.7% y 36.8% en el segundo período respecto al primero, disminuyendo en invierno.

En Benito Juárez los valores medios de PTE95PT, comparando ambos períodos, presentan incrementos en el segundo período respecto al primero en verano y otoño en un 34.7% y 10%, respectivamente.

En Bolívar se observa que los valores medios de PTE95PT aumentan en el segundo período de tiempo en relación al primero, en verano, invierno y primavera, en un 8.9%, 70.8% y 36.1%, respectivamente.

En la estación meteorológica de Tandil, los valores medios del índice PTE95PT se incrementa en el segundo período en relación al primero para la estación verano en un valor de 41.4% y disminuye en otoño e invierno.

Prueba no paramétrica de Mann-Kendal

En escala de tiempo estacional, las series que evidencian una tendencia positiva con un nivel de significancia del 5% son: PTE95PT en la estación meteorológica de Tandil para la estación verano (Figura 6); las restantes series temporales no evidencian una tendencia significativa.

Figura 6: Fracción de la precipitación anual que excede el percentil del 95% (PTE95PT). Verano. Tandil.
Figure 6: Fraction of annual precipitation greater than percentile 95% (PTE95PT). Summer. Tandil.

En esta escala de tiempo la serie presenta tendencia positiva y la pendiente del modelo de regresión lineal es distinta de cero para un nivel de significancia del 5% (Figura 6). También se verifican las hipótesis del modelo de regresión lineal: a) la serie de residuos tiene media cero y varianza σ² y b) son independientes dado que la función de autocorrelación es igual a cero para retardos iguales o mayores que uno.

Análisis de precipitaciones extremas diarias

En este parágrafo se presenta la comparación de los resultados de dos funciones de densidad de probabilidades (GEV y Gamma). Las tablas 13 y 14 muestran los valores obtenidos de los parámetros para ambos modelos.

Tabla 13: Parámetros de la función de distribución GEV.
Table 13: GEV distribution function parameters.

Los resultados muestran diferencias en los valores estimados de los parámetros de las dos funciones de densidad de probabilidades GEV y Gamma (Tablas 13 y 14).

Para que sea aplicable la GEV se tiene que cumplir la condición dada por la ecuación (2), la cual no se verifica para las series de precipitaciones de las estaciones de Azul (Primer período) y Bolívar (Segundo período).

Tabla 14: Parámetros de la función de distribución Gamma.
Table 14: Gamma distribution function parameters.

En la tabla 15 se muestran los resultados obtenidos de las distancias, según Kolmogorov -Smirnov, entre la probabilidad de no excedencia empírica y la teórica dada por cada función de distribución.

Tabla 15: Distancias de Kolmogorov - Smirnov.
Table 15: Distances of Kolmogorov - Smirnov.

Se observa que las menores distancias se obtienen para la GEV en las estaciones de Azul (Segundo período), Benito Juárez, Bolívar y Tandil (Primer período). En cambio, la Gamma presenta menores distancias en Azul (Primer período), Benito Juárez y Bolívar (Segundo período).

Los resultados más útiles para el diseño hidrológico son aquellos que muestran la variación de la precipitación máxima diaria para los dos períodos de tiempo. Se han comparado las precipitaciones máximas asociadas a distintos períodos de retorno obtenidas a partir de las funciones de distribución de las precipitaciones máximas anuales analizadas en cada de las estaciones meteorológicas (Tabla 16).

Tabla 16: Precipitaciones máximas anuales.
Table 16: Annual maximum precipitations.

En la tabla 16 se muestra un incremento de la precipitación asociada para cada período de retorno del orden de 2% al 21% aproximadamente, en el segundo período de tiempo 1971-1999 respecto al 1951-1970, en las estaciones de Azul y Benito Juárez. El mismo porcentaje se observa en Bolívar para los períodos de retorno de 2 y 5 años; y en Tandil de 1.6% para un período de retorno de 2 años.

CONCLUSIONES

La primera parte de los resultados muestra la presencia de tendencias positivas en los distintos índices analizados. El conocimiento de este resultado es importante para las cuencas hidrológicas de la región que presentan la característica de tener muy escasa pendiente y donde los cursos de agua pueden presentar crecidas asociadas con la ocurrencia de varios días consecutivos de precipitación o precipitaciones más severas. Se observa para una escala de tiempo anual, que el índice fracción de la precipitación total que excede el percentil del 95% (PTE95PT) se incrementó en promedio en un 21% en el período 1971 a 1999 respecto al período 1951 a 1970 en las estaciones de Azul, Benito Juárez y Bolívar.

En una escala de tiempo estacional el mismo índice resulta superior en el segundo período (1971-1999) en aproximadamente un 35% a 40% en verano en las estaciones de Azul, Benito Juárez y Tandil; y presenta tendencia significativa también en verano en la estación de Tandil.

En el segundo período de tiempo (1971-1999) se ha observado un mayor número de años con secuencia de días húmedos (NDH) y mayor número de eventos con precipitación acumulada en cinco días consecutivos (Rx5días).

Los valores de los índices estimados indican que en la mayoría de las estaciones meteorológicas analizadas, el segundo período de tiempo es más húmedo que el primero.

La segunda parte del trabajo muestra que para las precipitaciones máximas diarias la relación periodo de retorno-precipitación máxima se modifica, observando un incremento de la precipitación asociada a cada período de retorno en la segunda parte con respecto a la primera parte de la serie.

Este resultado que fue verificado con dos funciones de densidad de probabilidades muestra la importancia de estudiar la vulnerabilidad de las obras hidráulicas construidas con datos del primer periodo ante la ocurrencia de precipitaciones más severas que sucedieron en el segundo período.

El incremento de las precipitaciones y su impacto sobre la sociedad tiene un antecedente en las inundaciones ocurridas en las ciudades de Azul y Olavarría en la década del 80. Estos eventos orientaron la ejecución de medidas estructurales tales como ampliación de las secciones transversales y disminución del coeficiente de rugosidad y no estructurales como la instalación de una red telemétrica que funciona como un sistema de alerta de la ciudad de Azul.

Agradecimientos: Los autores desean expresar su reconocimiento al Servicio Meteorológico Nacional por los datos proporcionados para el desarrollo del presente trabajo.

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Recibido: 05-03-2013 Aceptado: 08-08-2013