improving on the use of large‐scale climate information for statistically‐based local climate...
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Improving on the use of large‐scale climate information for statistically‐based local climate projections
José M Molina; Ben ZaitchikDepartment of Earth and Planetary Sciences
Johns Hopkins Water Institute
Disclaimer: The findings, interpretations, and conclusions expressed in this presentation are entirely my own and should not be attributed in any way to the organizations or the countries they represent.
Tópicos en Proyección Hidrológica y Agroclimática y Adaptación al Cambio ClimáticoCentro Internacional de Agricultura Tropical CIAT - Palmira, Julio 21, 2014
2
Desescalamiento basado en relaciones funcionales y campos de clima
Neblina y Enfoques de Adaptación al Cambio Climático
Conceptualización y experiencias de colección
ENSO e impactos de precipitación en Colombia
Investigación y transferencia de tecnología
Consideraciones Finales
TEMAS DE LA CHARLA
Desescalamiento Prcp & Temp en NAPA (California)
Micheli et al, 2012
Micheli et al, 2012
Métodos y Datos• BCM se calibra con:
‐ Temperatura and Prcp
‐ Suelos
‐ Geología
‐ Topografía
‐ Flujos de energía solar
Datos de clima futuro: 4 escenarios of Prcp and T2 GCMs:
Modelo de Clima Paralelo (PCM) por NCAR Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL) por NOAA
• Generación de Prcp y Temp locales mediante Desescalamiento• Resolución del Desescalamiento: 270km ‐‐> 270m
Hydrologic Projections
1617
1819
2021
22
Jul
1617
1819
2021
22
Aug
1618
2022
0 20 40 60 80 100
Sep
time
1012
1416
18
Oct
810
1214
Nov
46
810
12
0 20 40 60 80 100
Dec
time
temp Celsius at Napa - California , 1876 - 2006 Annual temp , Napa - California
time
Std
Anom
alie
s
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
-2-1
01
2
moving average
Evidence of Climate Change at the watershed scale ?
flow , NapaNew
time
Std
Anom
alie
s
1960 1970 1980 1990 2000
-10
12
3
moving average
Annual Streamflow Anomalies
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-160 -140 -120 -100 -80
-20
0
20
40
60
Jan: 1877 - 2006Longitude
Latit
ude
-0.3
-0.25
-0.2
-0.2
-0.2
-0.2
0.2
0.2 0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
5
JHU / 23 Mar 2014 / EPS
Corr: sst & prcp @ NapaHospital - US ; JanColored areas are statistically significant at the 0.05 confidence level
-160 -140 -120 -100 -80
-20
0
20
40
60
Jan: 1948 - 2006Longitude
Latit
ude
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.3
-0.3
-0.3
0.3
Corr: slp & prcp @ NapaHospital - US ; JanColored areas are statistically significant at the 0.05 confidence level
SST from NOAA Ext. Rec V.3b SLP from NCEP/NCAR Reanalysis
Cross‐covariance at NAPA (California)
5 10 15 20
020
4060
80
The fraction of variance accounted by the EOFs
sst ( Jan )EOF order
Var
ianc
e (%
)-1e-04
-5e-05
0e+00
5e-05
1e-04
-160 -150 -140 -130 -120
30
40
50
60
1st EOF for sst
( Jan )Longitude
Latit
ude
-1e-04
-5e-05
0 5e-05
5e-05
1e-04
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
= PDO
The PDO refers to a warming or cooling of the surface waters, north of 20° N
Di Lorenzo et al., 2008 – Geo. Res. Let 35
5 10 15 20
020
4060
8010
012
0
The fraction of variance accounted by the EOFs
slp ( Jan )EOF order
Var
ianc
e (%
)
trans
pose
d
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234
3638
4042
4446
New Plotting Region for performing ESD
Smoothed spectrum for PDO, NPGO, and SOI signals
1950 1960 1970 1980 1990 2000
050
100
150
200
250
300
350
ESD ( c1 [ 170W110W-20N65N ] -> prcp anomaly )
Calibration: Jan prcp anomaly at NapaHospital , US using c1: R2=31%, p-value=1%.Time
Prc
p (m
m/m
onth
)
ObservedFittedESD from NNRPTrends
Jan: Trend fit: P-value=3%; Projected trend= -51.06+-21.76 mm/month/decade
Tran
sfor
med
spa
ce =
1995 2000 2005
050
100
150
200
250
300
350
NapaHospital , US prcp
Jan - 11 m a.sl. -122.27 degE 38.29 degNTime
mm
/mon
th
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
OR
IGIN
AL
Spa
ce ->
Bac
k-Tr
ansf
orm
ed fr
om
ESD Mean
Observed
Corr = 0.32
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
Prcp projection @ Napa based on statistical downscaling using PDO
-170 -160 -150 -140 -130 -120 -110
2030
4050
60
New Plotting Region for performing ESD
1950 1960 1970 1980 1990 2000
010
020
030
0
ESD ( c1 [ 130W115W-32N47N ] -> prcp anomaly )
Calibration: Jan prcp anomaly at NapaHospital , US using c1: R2=66%, p-value=0%.Time
Prc
p (m
m/m
onth
)
ObservedFittedESD from NNRPTrends
Jan: Trend fit: P-value=40%; Projected trend= -39.46+-45.52 mm/month/decade
trans
pose
dTr
ansf
orm
ed s
pace
=
1995 2000 2005
010
020
030
0
NapaHospital , US prcp
Jan - 11 m a.sl. -122.27 degE 38.29 degNTime
mm
/mon
th
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
OR
IGIN
AL
Spa
ce ->
Bac
k-Tr
ansf
orm
ed fr
om
ESD Mean
Observed
Corr = 0.8
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
Prcp projection @ Napa based on SD using SLP‐derived predictors
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234
3638
4042
4446
New Plotting Region for performing ESD
SD (Jan) @ NAPA using SLP fromGFDL‐A2, 21st century
1960 1980 2000 2020 2040 2060
050
100
150
200
250
300
350
Calibration: Jan prcp anomaly at NapaHospital , US using c1: R2=62%, p-value=0%.Time
Prc
p (m
m/m
onth
)
Obs.FitGCMTrends
Jan: Trend fit: P-value=54%; Projected trend= 4.89+-7.93 mm/month/decade
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234
3638
4042
4446
New Plotting Region for performing ESD
Prcp prediction based on SD using SLP‐derived predictors
1950 1960 1970 1980 1990 2000
5010
015
020
025
030
035
0
ESD ( c1 [ 170W110W-20N65N ] -> prcp anomaly )
Calibration: Jan prcp anomaly at NapaHospital , US using c1: R2=53%, p-value=0%.Time
Prc
p (m
m/m
onth
)
ObservedFittedESD from NNRPTrends
Jan: Trend fit: P-value=29%; Projected trend= 15.27+-14.27 mm/month/decade
Tran
sfor
med
spa
ce =
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
050
100
150
200
250
300
350
NapaHospital , US prcp
Jan - 11 m a.sl. -122.27 degE 38.29 degNTime
mm
/mon
th
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
OR
IGIN
AL
Spa
ce ->
Bac
k-Tr
ansf
orm
ed fr
om
ESD Mean
Observed
Corr = 0.63
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
-170 -160 -150 -140 -130 -120 -110
2030
4050
60
New Plotting Region for performing ESD
‐ PDO region&
‐ != calibration Per.
Prcp prediction based on SD using SLP‐derived predictors
‐ Best Corr. Region &
‐ != calibration Per.
1950 1960 1970 1980 1990 2000
010
020
030
040
0
ESD ( c1 [ 130W115W-32N47N ] -> prcp anomaly )
Calibration: Jan prcp anomaly at NapaHospital , US using c1: R2=72%, p-value=0%.Time
Prc
p (m
m/m
onth
)
ObservedFittedESD from NNRPTrends
Jan: Trend fit: P-value=94%; Projected trend= -1.51+-19.1 mm/month/decade
trans
pose
dTr
ansf
orm
ed s
pace
=
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
010
020
030
040
0
NapaHospital , US prcp
Jan - 11 m a.sl. -122.27 degE 38.29 degNTime
mm
/mon
th
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
OR
IGIN
AL
Spa
ce ->
Bac
k-Tr
ansf
orm
ed fr
om
ESD Mean
Observed
Corr = 0.73
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234
3638
4042
4446
New Plotting Region for performing ESD
20 40 60 80 100
ETHIOPIA, Blue Nile
Blue Nile Region: (8.25, 12.75)N (34.25, 39.75)E
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-150 -100 -50 0 50
-20
0
20
40
Sep: 1948 - 2009Longitude
Latit
ude
-0.6
-0.6 -0.5
-0.5
-0.5
-0.5
-0.5 -0.4
-0.4
- 0.4
-0.4
-0.4 -0.4
-0.3 -0.3
-0.3
-0.3
-0.3 -0.3
0.4
Corr: sst & Prcp @ Blue_Nile_Avg - Ethiopia ; SepColored areas are statistically significant at the 0.05 confidence level
Jan Mar May Jul Sep Nov
010
020
030
040
0
Prc
p (m
m/m
onth
)Gondar_NMA , 1953 - 2010
Jan Mar May Jul Sep Nov
010
020
030
040
0
Prc
p (m
m/m
onth
)
Bedele_NMA , 1967 - 2009
Jan Mar May Jul Sep Nov
010
020
030
040
0
Prc
p (m
m/m
onth
)
Haik_NMA , 1980 - 2006
Jan Mar May Jul Sep Nov
010
020
030
040
0
Prc
p (m
m/m
onth
)
Guder_NMA , 1964 - 2010
Annual Prcp , Gondar_NMAS
td A
nom
alie
s
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-10
12
Mean = 1136.1Annual Prcp , Bedele_NMA
Std
Ano
mal
ies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-10
12 Mean = 1857.5
Annual Prcp , Haik_NMA
Std
Ano
mal
ies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-3-2
-10
1
Mean = 1192.9Annual Prcp , Guder_NMA
Std
Ano
mal
ies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-10
12
3 Mean = 1422.4
Final Remarks and Future work
• Provide estimation and assessment of multisite downscaled precipitation and temperatures
• Adapt novel transformations of local variables for improvement of climate projections
• Use of specific derived‐GCM information to develop predictors under climate change scenarios (including bias‐correction)
Uso de Neblina en Adaptación Bottom-Up
Jose Manuel MolinaDepartment of Earth and Planetary Sciences
Tópicos en Proyección Hidrológica y Agroclimática y Adaptación al Cambio Climático Centro Internacional de Agricultura Tropical CIAT - Palmira, Julio 21, 2014
2
Desescalamiento basado en relaciones funcionales y campos de clima
Neblina y Enfoques de Adaptación al Cambio Climático
Conceptualización y experiencias de colección
ENSO e impactos de precipitación en Colombia
Investigación y transferencia de tecnología
Consideraciones Finales
TEMAS DE LA CHARLA
3
“La tecnología de colección de neblina (Fog collection) se presenta como un sistema de cosecha de agua con gran potencial y de muy bajo costo para suministro de agua potable, riego de cultivos, abrevadero de ganado y recuperación de bosques en regiones montañosas secas.”
“El sistema es fácil de construir, reduce la carga de transporte de agua desde largas distancias y genera ahorros de tiempo que la comunidad puede invertir en otras actividades que generen ingresos y mejoren la educación infantil.”
Food and Agricultural Organization, FAOUnited Nations Convention to Combat Desertification, UNCCDMountain Partnership SecretariatSwiss Agency for Development and Cooperation, SDCCentre for Development and Environment, CDEHighlands and Drylands − Mountains, a Source of Resilience in Arid Regions, 2011, Rome.
Colección de Neblina: Una opción prometedora de ADAPTACION para reducir la vulnerabilidad hídrica
4
GCMs han sido fundamentales para justificar la necesidad de acción frente al cambio climático global
Sin embargo presentan limitantes para planear la adaptación a escalas locales
Fuente: National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA
5
Adaptación: Enfoque “top-down”
Enfoque Top-down Desescalamiento de GCMs Uso de clima desescalado de alta
resolución en modelos de impacto (e.g., modelos hidrológicos, de cultivo, etc)
La mayoría de la investigación se detiene en la etapa de evaluación de “impactos locales”
Porque? …debido a que hay un efecto Cascada en la incertidumbre. Esta se propaga al amplio abanico resultante de “impactos locales” y “respuestas de adaptación”, lo cual dificulta una selección del escenario de adaptación mas apropiado.Wilby, R.L. and S. Dessai (2010)," Robust Adaptation to Climate Change," Weather , 65(7): 180‐185
6
Adaptación: Enfoque “Bottom-Up”
La estrategia “bottom-up” se enfoca en reducir la vulnerabilidad frente al cambio y variabilidad climática (especialmente ante eventos extremos como ENSO, donde se generan los mayores impactos en periodos cortos de tiempo)… La reflexión es: “El agua se necesita aquí y ahora”
Es una estrategia de adaptación a nivel de individuos, en la que los usuarios del agua y productores agrícolas deben desempeñar un rol fundamental en la definición de sus soluciones locales (abastecimiento y distribución hídrica en esquemas descentralizados)
La implementación de bottom-up debe priorizar los ecosistemas menos resilientes (e.g., los productores más necesitados, con menos acceso a fuentes hídricas tradicionales, etc.).
Algunas miradas claves en adaptación & planeación hídrica
7
La naturaleza nos ofrece ejemplos sencillos de adaptación a las necesidades hídricas
Planeación hídrica en un clima cambiante: Tecnologías apropiadas como la colección de neblina
Colección de neblina requiere descentralización donde las comunidades locales operen y administren el sistema de colección de neblina (captación, almacenamiento, distribución)
Suministro de agua a partir de la neblina
o Recurso hidrológico (% ?)
o Tecnología:Aproximación ambiental
o Alternativa de solución a la escasezde agua (regiones áridas, semiáridas o cuencas hidrográficas afectadas por sequias estacionales.)
o Fuente de agua mejorada (WorldHealth Organization)Jose M Molina
Neblina: Una fuente de agua limpia (aunque puede requerir tratamiento básico dependiendo de la ubicación geográfica)
Suministro de agua bajo escenarios de variabilidad y CC (bottom up strategy for adaptation)
Molina and Escobar
La Neblina
ProcesoDiámetro promedio
de gotas (mm)Velocidad de caída
(m/s)
Lluvia 0.5 - 5 2 - 9
Llovizna 0.04 - 0.5 0.05 - 2
Neblina 0.001 - 0.04 0.01 – 0.05
Se produce por la condensación de vapor de agua en la troposfera baja. La neblina es una nube generada sobre la superficie terrestre y cuyas gotas de agua tienen velocidad de caída de 1 a 5 cm/s (lluvia horizontal).
En meteorología, la neblina se define como pequeñas gotas de agua en suspensión sobre la superficie terrestre que impiden la visibilidad a distancias mayores a un kilometro . El contenido de agua liquida en la neblina varia frecuentemente entre 0.05 a 0.5 g/m3.
Un concepto clave en la formación de neblina: La condensacion del agua atmosférica, o paso del estado de vapor a liquido
Clausius–Clapeyron relation
Eugster (2008), Fog research, Die Erde, 139, 1–10
Red line (liquid water) represents less than 0.5 g/m3
Type of fog with with potential for collection
Advection Fog
Orographic Fog
Standard Fog Collector (SFC). Proposed by Shemenauer and Cereceda (1994)
FOG MEASUREMENT
http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/
OPERATIONAL PROJECTS
Projects at Tofo-Chungungo (Chile):Water supply for a fishermen village.
Yield: 3.0 l/m2/day
Operational collectors in Perú :
o Water supply for a school(1200m2)o Reforestation (500m2)o Development of agriculturalprograms
Yield: 9.0 l/m2/day
Schemenauer and Cereceda, 1992
FogQuest
Projects in OmanYield: 30 l/m2/day !
Projects in Yemen4.5 l/m2/day
Schemenauer and Cereceda, 1994
CHILE: Greenhouses in the desert at Falda Verde. It receives water from 6 fog collectors on the cliff along the coast, to grow tomatoes and other vegetables for 56 families
PERU: 450,000-liter Reservoir. It is used for desert rehabilitation and land-cover management in semi-arid hills (collectors in the ridge)
Courtesy of Melissa Rosato (FogQuest)
GUATEMALA: Actualmente es el proyecto operativo de colección de neblina mas grande en el mundo (30 LFCs; producción ~ 6000 l/dia)http://www.fogquest.org/wp-content/uploads/2010/07/Rosato-Rojas-Schemenauer-2010-Final-Draft.pdf
Las mujeres juegan un papel clave en la construcción de capacidades y en la sostenibilidad del proyecto
Courtesy of Melissa Rosato (FogQuest)
Distribución global de regiones con potencial de captación de neblina
16
Malene Thyssen, http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Malene
Climatología de los Andes Colombianos e impactos de fenómenos macroclimáticos
17
Annual Prcp (mm)
Generated by RTBMaps with data from WorldClim, May 2014
-1
0
1
2
3
4
5
-160 -140 -120 -100 -80 -60
-20
-10
0
10
20
longitude
latit
ude
-0.5
0
0
0.5
0.5
1
1
1
1.5 2
2.5
3
3.5 4
4.5
5
Monthly Means of Sea Surface Temperature -> degC [ December - 1997 ] anomalies (abs - cli) from sst.mnmean
El Niño 97-98
Weak
Moderate
Strong
anom
.ts
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
-2-1
01
23
Index: running 3‐month mean sst anomalyRegion: LON = [ ‐170 ‐120 ] LAT = [ ‐5 5 ]
Time series from sst.mnmean
Feb 1958
Nov 1972Jan 1983
Dec 1997
Dec 2009
Weak
Moderate
Strong
Cambios mas probables de la precipitación en Colombia en un evento de El Niño
18
Source: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia
Impactos de El Niño &Sistemas de Advertencia Temprana
19
hydrological droughts
agricultural droughts
CASO: Evaluación de colección de neblina en Colombia (Roldanillo)
123456789101112
Altitude (m.a.s.l.) N WLOCATION SITE Collector Mesh
76o 10` 38,1``4o 27` 55,6``
4o 27` 33,2`` 76o 11` 9,9``
4o 27`` 44,3`` 76o 10` 48,3``
4o 27` 16,2`` 76o 11` 42``
4o 27` 16,2`` 76o 11` 44,6``
1715
1838
1817
1784
1794
EL TRILLO VI
35%
50%
35%
35%
EL EUCALIPTO III
LAS TORRESIV
V
LA MONTAÑUELA50%
35%
I
IIInformación geográfica de colectores, distribución y tipo de mallas
http://www.ircwash.org/sites/default/files/Molina-2008-Fog.pdf
Es recomendable construir rosa de vientos para determinar la dirección/emplazamiento de los colectores
Fog collection in Eastern Spain, 2010. With permission from David Corell
Rendimiento de colección en días secos y húmedos SFC 10 - Molina J.M. and Escobar C.M. (2008)
0
1
2
3
4
5
6
Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct
l.m2 .d
ay-1
Fog + pp Fog
0
20
40
60
80
100
Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct
Rai
nfal
l (m
m)
CASO: Evaluación de colección de neblina en Colombia (Roldanillo)
Average for JUNE
Molina J.M. and Escobar C.M. (2008). Fog collection Variability in the Andean Mountain Range of Southern Colombia. ERDE, 139 (1-2): 127-140
CASO: Evaluación de colección de neblina en Colombia (Roldanillo)
COUNTRY AverageCollection (l/m2/d)
Chile 3Yemen 4.5Guatemala 4.9Colombia (Roldanillo) 5.0Perú 9Omán 30
RESUMEN DE RENDIMIENTOS
Para 2,000 m2 de malla con 5.0l/m2/d (40 colectores, c/u con 50 m2)obtenemos aprox. 10,000 l/d.
Con un consumo percapita de 50 l/d(zonas rurales), 200 personas serianservidas.
Análisis de proyecto operacional (Colombia):
Location N W Altitude Period of study Fog + rain collection Fog only collection(m.a.s.l.) (l/m2.d) (l/m2.d)
Roldanillo 4o 27' 76o 27' 1820 Nov/2003 ‐ Feb/2005 5.3 (1) 5.0 (2)
Kilometro 18 3o 31' 76o 37' 2020 Mar/2005 ‐ Oct/2005 6.3(1) N.A.
Buga 4o 03' 76o 07' 2600 May/2008 ‐Feb/2009 1.9(1) 1.0 (2)
Atuncela 3o 44' 76o 41' 1210 Feb/2010 ‐ up to date 1.1(1) N.A.(1) Values correspond to daily average rates of Fog + Rain over the month with the best water yield(2) Values correspond to daily average rates of Fog only over the month with the best water yield
Otros rendimientos de colección (SFCs) en Colombia
Resumiendo en Proyectos de Neblina …
Colección de Neblina: Su rol va mas allá de aportar a la seguridad alimentaria. Estrategia de salud publica y educación ambiental en el sector rural.
Soledad Sofia Arredondo
Se incluye a la comunidad en las etapas tempranas del proyecto
Concepcion Escobar
http://blaustein.eps.jhu.edu/~jmolina/Public/incoming/timeseries/MolinaPosterGermany-2010.pdf
May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb
01
23
45
6
Fog Collection Variability 2008 - 2009
Col
lect
ion
rate
(l.m
-2.d
-1) Monthly average Fog + Rain
May-Feb average Fog + Rain
Project at Tulua, Colombiahttp://adsabs.harvard.edu/abs/2010ffcd.confE..67E
Andres Lopez
Hector Aristizabal - CVC
Se promueven los roles de la comunidad en torno a la operación y administración del proyecto
Concepcion Escobar y Andres Lopez
www.fogquest.org Rol de Organizaciones & ONGs en la transferencia tecnológica
www.cda.uc.cl Rol de Organizaciones & ONGs en la transferencia
Langmuir (ACS) Recientes avances de investigación en nuevos materiales
Park et al., 2013Langmuir, 2013, 29 (43), pp 13269–13277
New malla de acero inoxidable con cobertura de polímeros Puede capturar hasta un 12% del agua atmosférica
a
ASCE
a
Reducir la vulnerabilidad hídrica en el sector rural requiere uso de medidas adaptativas de alto costo/beneficio (información efectiva de predicción clima , incremento de eficiencia de riego, infraestructura para cosecha de neblina/lluvia, ...)
La investigación básica es pilar en dicho propósito, aunque transferirla y ponerla en practica es mucho mejor! … Que tan buena es la sinergia entre el gobierno, la ciencia y los usuarios? Se necesitan planes regionales y nacionales
Consideraciones finales
Department of Earth andPlanetary Sciences
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