Evaluación de la ocurrencia de sequía en localidades de Venezuela

Drought occurrence evaluation in localities of Venezuela

N. Mendoza y M. Puche

Instituto de Ingenieria Agricola. Universidad Central de Venezuela. Av. El Limón Maracay-Aragua

Autor de correspondencia e-mail: mendozan@agr.ucv.ve

Resumen

La sequía puede definirse como un desequilibrio entre la oferta y la demanda de agua. Cuando el déficit de agua es producto de una disminución en las lluvias comparada con el registro histórico se denomina sequía meteorológica. La sequía meteorológica puede ser caracterizada a través de su intensidad, magnitud y duración. Para establecer esa caracterización es necesario definir sequía a través de índices. En este trabajo se utilizaron el índice Deciles y el Índice de Precipitación Estandarizada (SPI) con datos de precipitación de Venezuela agrupados en tres períodos (mensual, trimestral y anual), en 64 estaciones al norte del Orinoco con un período común de registro de 49 años (1950-1998) y en 18 estaciones al sur con período de registro de 30 años (1969-1998). Para cada índice y período de agrupación se determinó el porcentaje de estaciones con sequía (PE) y para los años de gran PE, se realizaron mapas para detectar el patrón espacial de las áreas afectadas por sequía. El PE varía según el índice y el período de agrupación. El índice Deciles arroja mayor cantidad de casos y por ello mayor PE que el SPI. El año 1973 fue el único que presentó gran PE para todos los períodos de agrupación en ambos índices. No se detectó un patrón en el PE a lo largo de ese año.

Palabras clave: sequía, Índice Deciles, SPI

Abstract

Drought can be defined as an imbalance between water supply and demand. Meteorological drought comes about when water deficit is due to below average rainfalls compared with the historical records. Meteorological drought can be characterized through its intensity, duration and spatial coverage. First of all a drought index should be chosen. The Standardized Precipitation Index (SPI) and Deciles were estimated in order to define meteorological drought in Venezuela. From a total of 85 places, 67 located to the north of the Orinoco River had 49 years of monthly rainfall records (1950-1998) whereas only 30 years (1969-1998) were available for the 18 locations to the South. For each station, year and month; monthly, three month and twelve month rainfall totals were obtained and both drought indices were estimated for these series. Once the indices were calculated, the percentage of stations with drought was determined for each time scale. Years with high percentage of stations were mappings to know which zones of the country are the affected ones. The percentage of stations with drought varies with the index and the chosen time scale. Deciles show more drought cases than SPI. Year 1973 was the only one showing a high percentage of stations with drought for both indexes and all time scales. A pattern on SP was not detected along this year.

Key words: drought, spatial coverage of drought, SPI, Deciles

Recibido el 4-10-2006 Aceptado el 12-6-2007

Introducción

El término sequía admite diversas acepciones en función del espacio geográfico o de la actividad económica afectada. Se habla por ejemplo de sequía meteorológica, agrícola, hidrológica o socioeconómica (algunas veces reportada como sequía social o urbana), en relación con las dificultades suscitadas en cada uno de estos sectores por una menor disponibilidad de agua (4, 9). establecen además, que cada disciplina incorpora diferentes factores físicos, biológicos y socioeconómicos en su concepción de la sequía. Debido a ello, existe una considerable confusión acerca de lo que exactamente constituye o define a una sequía. Una definición conceptual es la propuesta por Pereira et al .(6), la cual establece que la sequía es un desequilibrio natural pero temporal de la disponibilidad del agua, que consiste en una disminución persistente de la precipitación por debajo de la media, de frecuencia, duración y severidad inciertas, de ocurrencia imprevisible o difícil de predecir, dando como resultado una disminución en la disponibilidad de los recursos de agua. Wilhite y Glantz (9) analizaron más de 150 definiciones en su estudio de clasificación de sequía. En la literatura se pueden encontrar resúmenes que agrupan definiciones desarrolladas en todo el mundo e índices utilizados para monitorear y evaluar la sequía (1, 4, 7, 8, 10). Analizando los diferentes índices que se han utilizado para establecer definiciones de sequía dentro de programas de monitoreo y alerta temprana o simplemente en estudios del comportamiento histórico de la sequía se observa coincidencia en que la sequía es una condición de humedad insuficiente causada originalmente por un déficit de precipitación durante un período de tiempo. Dracup et al. (1) establece que, aunque dependiendo de la perspectiva disciplinaria el concepto de sequía cambia, por ejemplo al hidrólogo le interesa el período en el cual los caudales de los ríos están por debajo de los normal afectando los niveles de embalses y reservorios de agua, al agricultor le interesa el concepto de sequía en el contexto del período durante el cual la humedad en el suelo es insuficiente para los cultivos y a los economistas les interesa el período durante el cual el suministro de agua es insuficiente para el desarrollo de las diferentes actividades económicas, todos esos conceptos, diferentes en muchos aspectos, ameritan considerar en su análisis un conjunto de aspectos comunes, con la finalidad de definir apropiadamente el tipo de sequía que se estudia. Este autor afirma que este conjunto de aspectos se engloban en tres preguntas que se deben responder antes de realizar cualquier estudio de sequía: ¿Cuál es la naturaleza del déficit de agua? Sí la naturaleza del déficit que se desea estudiar es de tipo meteorológico puede considerarse un índice que relacione variables climáticas. Los datos de precipitación son ampliamente usados para calcular índices de sequía meteorológica ya que son, por lo general, los registros más largos que están disponibles. Los estudios basados en índices que sólo utilizan precipitación no reflejan el espectro de condiciones relacionadas con la sequía, pero sin embargo sirven como una solución pragmática cuando se trata de estudiar la sequía en regiones con poca disponibilidad de datos de otras variables climáticas como es el caso de Venezuela, en la que la mayoría de las estaciones meteorológicas se componen sólo de pluviógrafos. La siguiente pregunta importante para abordar estudios de sequía es ¿Cuál es el período de agrupación temporal más conveniente para el análisis del tipo de sequía que se quiere estudiar? En el caso de la sequía los períodos más comúnmente utilizados son el mes, los montos estacionales y los anuales. Dracup et al. (1) establecen que un aspecto que se ve afectado por el período de agrupación de los datos es el grado de correlación entre eventos sucesivos de sequía. Según este autor, en general períodos cortos de agrupación tienden a presentar una correlación mayor entre eventos sucesivos que períodos más largos. Edwards y Mckee (2) afirman que distintas escalas de tiempo permiten evaluar diferentes tipos de sequía.

El tercer aspecto a considerar debe ser ¿Cómo van a ser distinguidos analíticamente los eventos de sequía dentro de la serie de tiempo? La mayoría de los índices consideran sequía cuando ocurre una deficiencia en un tiempo determinado, pero no sólo es importante una deficiencia en determinado tiempo, sino también la ocurrencia consecutiva de esa deficiencia, por lo tanto es muy importante determinar cuándo comienza el déficit, cuánto dura y con qué frecuencia se ha presentado. Se establece que es muy importante especificar el método a través del cual los eventos de sequía van a ser acotados dentro de la serie de tiempo (1). El presente trabajo tiene como objetivo analizar la ocurrencia de sequía en 85 localidades de Venezuela, a través de dos índices, el índice Deciles y el índice de precipitación estandarizada (SPI).

Materiales y métodos

Los registros mensuales de precipitación de 85 localidades de Venezuela, se obtuvieron del Banco Nacional de Datos de la Dirección de Hidrología y Meteorología del Ministerio del Ambiente y los Recursos Naturales (MARN). En las 67 localidades ubicadas al norte del Orinoco el registro comprende el período 1950 - 1998; en las 18 del sur del Orinoco se cuenta con registros para el período 1960 - 1998. La calidad y homogeneidad de estas series fue verificada en un trabajo previo. El análisis de sequía se realizó utilizando los índices Deciles y SPI calculados para tres períodos de agrupación: mensual, trimestral y anual.

Índice Deciles: Desarrollado por Gibbs y Maher (3), se basa en las medidas estadísticas denominadas cuantiles. En general el valor de una serie climatológica que es menor que un porcentaje f de los valores de la serie y mayor que un porcentaje (100 f) de dichos valores constituye el cuantil f de la serie. Por ejemplo, el primer decil es la lámina de precipitación por debajo de la cual se encuentran el 10% de los casos, el segundo decil es el valor de precipitación por debajo del cual se encuentra el 20% y así sucesivamente hasta el décimo decil, por debajo del cual se encuentra el 100% de los datos. Los Deciles de precipitación se agrupan en cinco clases y ello permite determinar períodos secos y húmedos (cuadro 1).

Cuadro 1. Clasificación de los períodos según Deciles.

Fuente: (3)

Índice de Precipitación Estandarizada SPI: El índice de Precipitación Estandarizada (SPI por sus siglas en inglés) mide cuánto se desvía la precipitación actual con respecto al promedio de largo registro, para la escala de tiempo decidida. Para ello, los registros son ajustados a una distribución de probabilidad gamma (figura 1a) y luego se obtiene el valor que tendría la misma probabilidad en una distribución normal de media cero y varianza uno (figura 1b), estos valores corresponden al SPI (5).

Figura 1. Ejemplo de transformación de una distribución gamma ajustada a una distribución normal estandarizada. (Traducido de (1)).

La distribución gamma es definida por su función de densidad de probabilidad:

para una lámina x > 0, donde: b es el parámetro de escala; a es e,l parámetro de forma; G(a) es la función gamma de a y x > 0 es el valor de precipitación (5).

Los parámetros alfa y beta de la función de densidad de probabilidad son calculados en cada estación para las series de precipitación de cada mes del año con cada escala de interés (anual, semestral, trimestral, mensual. quincenal, etc.). Las soluciones de máxima verosimilitud pueden ser usadas para estimar los parámetros a y b. Los parámetros resultantes son usados luego para calcular la probabilidad acumulada a lámina de precipitación (c) observada para un mes dado a la escala de tiempo que se esté trabajando para la estación en cuestión. La probabilidad acumulada está dada por:

Dado que la función gamma no está definida para x = 0, como es frecuente en los datos de precipitación, la probabilidad acumulada viene dada por:

H(X) = q + (1-q)G(X)

donde: H(x) es la probabilidad de tener una lámina de precipitación menor o igual a un valor de x, q es la probabilidad de no tener precipitación y G(x) es la función Gamma Incompleta. Dracup et al. (1) afirman que, usar el SPI con varios períodos de agrupación de la precipitación, permite una mejor comprensión de la evolución de la sequía.

Cada uno de los valores del SPI es asignado a una de las siete categorías definidas en el cuadro 2.

Cuadro 2. Clasificación de las intensidades de sequía y períodos húmedos de acuerdo al valor del SPI.

Fuente: (1)

Obtención de valores trimestrales y anuales de precipitación: Los registros mensuales de precipitación de cada año fueron introducidos en Microsoft^® Office Excel 2003, a partir de ellos se calcularon para cada mes de cada año los valores trimestrales móviles de precipitación; por ejemplo, la suma de las precipitaciones de noviembre y diciembre de 1979 y enero del año 1980 fue asignada como el valor trimestral de enero 1980, la de los meses de diciembre de 1979, enero y febrero de 1980 fue asignada a febrero de 1980 y así sucesivamente. Al final de este procedimiento se obtuvieron para cada año, 12 valores trimestrales.

Los valores anuales móviles de precipitación se calcularon de la misma manera que los trimestrales. El valor anual para un mes y año particular, corresponde a la precipitación mensual acumulada de los once meses previos y el mes en cuestión. Al final de este procedimiento se obtuvieron para cada año, 12 valores anuales en cada estación.

Cálculo de Deciles y SPI: En el caso del índice Deciles, para cada período de agrupación y cada mes, se determinaron los umbrales de precipitación correspondientes a cada decil. Posteriormente, cada registro de precipitación se comparó con los umbrales de precipitación y se le asignó el decil que le correspondía. Este procedimiento proporcionó los valores del índice Deciles de las 85 estaciones bajo estudio para cada mes de cada año con cada período de agrupación.

Para cada período de agrupación y cada año, el SPI se calculó, siguiendo el procedimiento desarrollado por Hayes (5). Para cada mes se estimaron los valores de los parámetros de forma y escala de la distribución gamma (a y b) y utilizando la función gamma de Excel se determinaron las probabilidades correspondientes a cada lámina. A estas probabilidades se les aplicó una función normal inversa estandarizada para obtener el SPI asociado a cada registro de precipitación. Este procedimiento proporcionó los valores mensuales del SPI para cada una de las 85 estaciones bajo estudio para cada mes de cada año con cada período de agrupación.

Evaluación de la ocurrencia de sequía en las localidades: Para efecto de este trabajo se considera mes seco según Deciles aquel cuya precipitación es menor al umbral del segundo decil correspondiente a ese mes. Según SPI es aquel mes cuyo valor es menor que -1.

Para cada período de agrupación (k), cada mes (i) de cada año (j), se propone calcular el porcentaje de localidades con sequía (PE_ijk) de la siguiente manera:

Para un período de agrupación k, N_ijk es el número estaciones que presentan sequía en el mes i de un año j y NT el número total de estaciones.

El número máximo de casos posibles para cada mes es igual al número total de estaciones, es decir, el caso más crítico para un mes de un año particular sería aquel en el cual todas las estaciones hayan presentado montos de precipitación por debajo de los umbrales que muestran la ocurrencia de sequía.

Con los datos de PE se realizaron gráficos de superficie en Microsoft^® Office EXCEL 2003ª para identificar los años con mayores valores. Para dichos años, se generaron los mapas de cada índice utilizando Surfer (Win32) de Golden Software Inc. para detectar las áreas afectadas y su evolución a través de los meses.

Resultados y discusión

El PE varía según el período de agrupación y el índice. En la figura 2 se muestra la PE para los índices Deciles y SPI en el período de agrupación mensual. Cabe destacar que una continuidad de color en el gráfico sólo indica que el PE es el mismo pero no hace referencia a si la zona es la misma, por lo que no permite evaluar la severidad de la sequía ni el patrón espacial del PE. En la figura 2a se observa que, según el índice Deciles, se ha presentado sequía en Venezuela en todos los años de registro con PE desde un 25% hasta un 50% de las estaciones. Se han presentado pocas sequías con PE mayor a 75% y ellas han sido de corta duración (cuadro 3). En la figura 2b puede observarse que según el índice SPI lo más común es encontrar PE entre 0 y 25%., no se alcanzan valores de PE mayores a 75%. Las situaciones más críticas registradas durante el período de estudio corresponden a valores de PE entre 50 y 75%. (cuadro 3).

Figura 2. Cobertura Espacial de la sequía período de agrupación mensual: (2a) Deciles (2b) SPI.

Cuadro 3. Años con extensa cobertura espacial de la sequía (mayor a 75% para Deciles y entre 50 y 75% para SPI. Período 1950-1998. Venezuela.

El PE, para el período de agrupación trimestral con ambos índices, disminuye para algunos años con respecto a la de la agrupación mensual pero aumenta para otros (figura 3). Como ejemplo para Deciles (figura 3a), en octubre de 1958 el PE fue de 50-75% con el período de agrupación mensual mientras que para el trimestral el PE bajó hasta el intervalo del 25-50%. En contraste, en febrero de 1959 el PE para el período de agrupación mensual estaba en el intervalo 50-75% y aumentó al intervalo 75-100% para el período trimestral.

Figura 3. Cobertura Espacial de la Sequía período de agrupación trimestral: (3a) Índice Deciles. (3b)SPI.

Cuando el PE disminuye al aumentar el período de agrupación, quiere decir que hay meses en los que el índice está por debajo de lo normal pero que cuando se utiliza el período de agrupación trimestral este valor puede ser compensado con la precipitación de los otros dos meses. En contraste, cuando aumenta la PE con el período de agrupación lo que ocurre es que la suma de los tres meses da un valor del índice por debajo de lo normal aunque cada uno por separado refleje un valor cercano a lo normal. Los años de mayor PE según ambos índices se resumen en el cuadro 3.

La diferencia fundamental entre el período de agrupación trimestral y el mensual, radica en que en el primero se mantiene el valor de PE por más tiempo dentro del año. Esta tendencia se mantiene con el período de agrupación anual (figura 4), donde se observa que es más frecuente encontrar años completos con la misma PE sobre todo para los casos de PE bajas. Ello indica que cuando el total anual se clasifica en una situación particular ya sea de sequía o no, es difícil que la PE cambie en el corto plazo haciendo que se mantenga por más de un año. Se observa en la figura 4a que, Con el período de agrupación anual, según Deciles, el año 1959 tiene el mismo PE en todos los meses. Los años 1973, 1974 y 1975 tienen PE mayor al 50%, no obstante, sólo en los meses de mayo, junio y julio de 1973 el PE es mayor a 75%. Según SPI (figura 4b) se puede observar que los períodos con mayor PE corresponden a agosto de 1959 y de mayo a agosto de 1973.

Figura 4. Cobertura Espacial de la sequía período de agrupación anual: (4a) Índice Deciles. (4b) SPI.

Como puede observarse en el cuadro 3 para un período de agrupación particular, los años de PE extensa coinciden en ambos índices, aunque no se presenten exactamente los mismos valores. No obstante, el año 1973 es el único común a los tres períodos de agrupación.  

Puede observarse que, aunque en el año 1973 con un período de agrupación mensual se presentó sequía en casi todas las localidades del país (figuras 5 y 6), el PE no muestra un patrón uniforme a través de los meses (las localidades afectadas cambian de un mes a otro). Los meses con mayores localidades bajo condición de sequía fueron mayo, junio y julio. Según Deciles (figura 5), en mayo de 1973, el cual registró el mayor PE, se presentó sequía en casi todas las localidades a excepción de las ubicadas en el extremo sur. Sin embargo puede observarse que dicha zona presentó sequía en otros meses de ese año, como por ejemplo en marzo. Según este índice todas las localidades presentaron condición de sequía en algún momento de este año.

Figura 5. Índice Deciles en Venezuela a lo largo del año 1973. Período de agrupación mensual.

Figura 6. Índice SPI para el año 1973. Período de agrupación mensual.

Los mapas del SPI (figura 6) indican que para el año 1973 el SPI muestra un menor número de localidades con la condición de sequía. Por ejemplo, en el mes de abril gran parte del estado Bolívar y el Delta no presentan sequía según SPI mientras que Deciles muestra a esta zona en condiciones de sequía.

A diferencia del índice Deciles, el SPI muestra localidades, aunque pocas, en las que en ningún mes del año se presentan condiciones de sequía, tales como Quebrada Arriba y Prieto Los López en el estado Lara, Tinaquillo en el estado Cojedes, Santa Rosalía en el estado Bolívar y San Carlos de Río Negro en el estado Amazonas.

Conclusiones

El PE varia dependiendo del período de agrupación y el índice utilizado para la determinación de los períodos de sequía. En general, para un mes en particular, el índice Deciles arroja mayor cantidad de localidades con condiciones de sequía que el SPI.

El PE en Venezuela ha sido variable durante el período de estudio, siendo el año 1973 el único que presentó, para ambos índices en los tres períodos de agrupación, valores entre 75 y 100% según Deciles y 50 a 75% según SPI.

Al aumentar el período de agrupación temporal, los valores de PE se mantienen por mayor tiempo, esta particularidad podría aprovecharse en futuros estudios para la identificación de patrones y sugiere la conveniencia de utilizar períodos de agrupación mayores a un mes.

El índice Deciles muestra una mayor permanencia en el tiempo del valor de PE, lo que no necesariamente indica que sean las mismas localidades las que presenten condiciones de sequía de un mes a otro.

Luego de esta etapa de caracterización, uno de los problemas a abordar, para recomendar la utilización de uno u otro índice en Venezuela, es la evaluación de los impactos asociados a los eventos de sequía detectados por cada índice y encontrar relaciones entre éstos.

Literatura citada

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3. Gibbs, W.J. y J.V. Maher. 1967. Rainfall Deciles as drought indicators. Bureau of Meteorology Bulletin, No. 48, Commonwealth of Australia, Melbourne.         [ Links ]

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