Study of the interactions between snowpack and forest cover in the Aragonese Pyrenees and their eco-hydrological implications

En las montañas de latitudes medias los bosques y la nieve constituyen recursos naturales prioritarios, tanto desde el punto de vista medioambiental como del económico. Los Pirineos no son una excepción, dado que en esta cordillera ambos elementos coexisten e interaccionan complejamente en el rango altitudinal comprendido entre los 1600 y los 2300–2500 m s.n.m., ocupado en su mayor parte por el piso bioclimático subalpino. Sin embargo, las interacciones que tienen lugar entre los bosques de montaña y el manto de nieve en esta región no habían sido estudiadas en profundidad hasta el momento. Y menos aún se sabía acerca de la respuesta de las interacciones bosque–nieve al proceso de calentamiento que está aconteciendo en esta cordillera y que seespera se vea acelerado en las próximas décadas. De manera que, el principal objetivo de la presente Tesis Doctoral es avanzar en el conocimiento existente sobre las interacciones que se producen entre los bosques de montaña y el manto de nieve en los Pirineos, desde una perspectiva eco–hidrológica. La misma, se presenta como un compendio de cuatro publicaciones científicas, en las que diferentes objetivos específicos son evaluados.La mayor parte de este estudio interdisciplinar tuvo lugar en un valle de montaña (Baños de Panticosa) localizado en el Pirineo central. El diseño experimental incluyó cuatro bosques de Pinus uncinata de diversas características ambientales, entre las cuales cabe mencionar su diferente elevación (desde 1674 a 2104 m s.n.m.), exposición, estructura forestal y microclimatología debido a la compleja topografía de este enclave montañoso. En estos bosques se monitorizó intensivamente, entre 2015 y 2020, la evolución del manto de nieve, las condiciones climáticas y del suelo, la fenología de los pinos, su xylogénesis, la variación intra–anual del radio de su tronco y la concentración de carbohidratos no estructurales presentes en su albura y acículas jóvenes. En este marco se contextualizó la primera publicación científica que compone esta Tesis, la cual informó con detalle sobre los efectos que la cubierta forestal produce en la dinámica del manto de nieve en esta región, destacando las similitudes y diferencias que existen entre áreas cercanas y entre distintas temporadas de invierno. La segunda publicación científica, identificó por primera vez una señal nival en el crecimiento radial inter–anual de P. uncinata. Esta investigación se contextualizó en un contexto espacio–temporal más amplio, analizando dendrocronológicamente 36 bosques de P. uncinata localizados en las principales cordilleras montañosas del NE Peninsular y las condiciones nivales acontecidas en los mismos en las últimas décadas. La tercera publicación científica, describió cómo la dinámica estacional del manto de nieve es capaz de modificar ciertas condiciones microclimáticas de los bosques estudiados en el valle de Baños de Panticosa, y demostró cómo esta influencia nival determina en buena parte el crecimiento radial intra–anual de P. uncinata. La cuarta publicación científica, exploró cómo los futuros cambios del clima pirenaico podrían afectar a las actuales interacciones bosque–nieve que tienen lugar en el valle de Baños de Panticosa. Para ello, se simularon los cambios que experimenta la dinámica nival en los bosques estudiados bajo varios grados de forzamiento climático.Los resultados obtenidos en esta Tesis demuestran, por tanto, que el manto de nieve y los bosques de P. uncinata interactúan en ambos sentidos en las áreas de montaña analizadas, si bien, tales interacciones están sujetas a importantes fuentes de variabilidad espacial y temporal. Por una parte, la cubierta forestal, principalmente debido a la intercepción que producen las copas de los pinos y a la alteración que produce en el balance de energía, determina la distribución del manto de nieve, su magnitud y su temporalidad. Por otra parte, el manto de nieve, principalmente mediante las modificaciones que produce en el régimen de temperaturas del suelo, influye en el crecimiento radial intra e inter–anual de P. uncinata, independientemente del ampliamente conocido efecto que tiene la temperatura del aire durante la temporada de crecimiento en la formación de sus anillos. Además, esta Tesis sugiere que la cubierta forestal puede tener un importante rol en la sensibilidad del manto de nieve ante los futuros cambios que se esperan en el clima de los Pirineos.Las cuestiones abordadas en esta Tesis, titulada "Estudio de las interacciones entre el manto de nieve y la cubierta forestal en el Pirineo Aragonés y sus implicaciones eco–hidrológicas", son de gran interés científico, pero también proporcionan una valiosa información de gran aplicabilidad en la presente y futura gestión de los recursos hídricos y forestales del Pirineo.<br /

Análisis de la variabilidad espacio-temporal de las precipitaciones en el sector Español de la cuenca del Duero (1961-2005)

En este trabajo se estudia la variabilidad espacio-temporal y la tendencia de las precipitaciones (1961-2005, n=45) en el sector español de la cuenca del Duero mediante el análisis de series homogéneas de datos mensuales y anuales correspondientes a un total de 214 estaciones. Los resultados obtenidos muestran una acusada variabilidad estacional, interanual y espacial de las precipitaciones, lo que impide la observación de tendencias estadísticamente significativas, tanto en las series mensuales como anuales. Sólo en el mes de febrero se detectó una tendencia negativa significativa en gran parte del territorio de la cuenca. Con algunos matices, los resultados del análisis confirman la ausencia de tendencias claras observadas en Europa meridional durante la segunda mitad del siglo XX y primeros años del siglo XXI. This work focuses on the spatial and temporal variability of precipitation in the Spanish sector of the Duero basin, for the period 1961-2005 (n=45), and the analysis of temporal trends. Results highlight a marked variability on the seasonal, inter-annual and spatial basis, which usually mask the existence of trends at the monthly and annual scale. Thus, only February shows a negative and significant trend across most of the territory, while annual precipitation has remained rather stationary at the long-term. These results confirm, with few exceptions, the absence of significant trends of precipitation in Southern Europe during the second half of the 20th century

Evolución de las temperaturas y precipitaciones en las capitales de Castilla y León en el período 1961-2006

El presente trabajo analiza la evolución temporal de las principales variables climáticas (temperaturas y precipitaciones) en las 9 capitales provinciales de Castilla y León durante el período 1961-2006. La distribución regular de los observatorios invita a considerar los resultados obtenidos como indicativos de la tendencia del conjunto del territorio regional. Los resultados muestran que las temperaturas medias anuales han experimentado un aumento significativo, especialmente a partir de 1973, con un incremento promedio de 0,043º C por año, debido sobre todo al comportamiento de las temperaturas medias de las máximas. Los meses de marzo y junio han sido los más sensibles a estos cambios. En el caso de las precipitaciones, la mayoría de las series reflejan una tendencia negativa, aunque éstas no sean estadísticamente significativas. Febrero ha sido el mes en el que el descenso de la lluvia ha sido más claro

The response of Iberian rivers to the North Atlantic Oscillation

In this study we analyzed the influence of the North Atlantic Oscillation (NAO) on the streamflow in 187 sub-basins of the Iberian Peninsula. Monthly and one-month lagged correlations were conducted to assess the spatio-temporal extent of the NAO influence on Iberian river discharges. Analysis of the persistence of the winter NAO throughout the year was also undertaken, together with analysis of streamflow anomalies during positive and negative NAO phases. Moving-window correlation analyses were conducted to assess potential changes in the temporal evolution of the NAO influence on Iberian streamflows. The results show that the NAO has a large impact on surface water resources throughout the Iberian Peninsula during winter, and in the Atlantic watershed during autumn. We showed that water resources management and snowmelt are causing the persistent dependence of streamflows on the previous winter NAO. We found that strongly positive streamflow anomalies occurred during winter, especially in the Atlantic watershed, and provide evidence of non-stationarity and spatial variability in the NAO influence on Iberian water resources

Small scale spatial variability of snow density and depth over complex alpine terrain: Implications for estimating snow water equivalent

This study analyzes spatial variability of snow depth and density from measurements made in February and April of 2010 and 2011 in three 1–2 km2 areas within a valley of the central Spanish Pyrenees. Snow density was correlated with snow depth and different terrain characteristics. Regression models were used to predict the spatial variability of snow density, and to assess how the error in computed densities might influence estimates of snow water equivalent (SWE). The variability in snow depth was much greater than that of snow density. The average snow density was much greater in April than in February. The correlations between snow depth and density were generally statistically significant but typically not very high, and their magnitudes and signs were highly variable among sites and surveys. The correlation with other topographic variables showed the same variability in magnitude and sign, and consequently the resulting regression models were very inconsistent, and in general explained little of the variance. Antecedent climatic and snow conditions prior to each survey help highlight the main causes of the contrasting relation shown between snow depth, density and terrain. As a consequence of the moderate spatial variability of snow density relative to snow depth, the absolute error in the SWE estimated from computed densities using the regression models was generally less than 15%. The error was similar to that obtained by relating snow density measurements directly to adjacent snow depths.This work was supported by research projects CGL2011-27536/HID: “Hidrologia nival en el Pirineo central español: variabilidad espacial, importancia hidrológica y su respuesta a la variabilidad y cambio climático”, financed by the Spanish Commission of Science and Technology, and FEDER; ACQWA (FP7-ENV- 2008-1-212250); the projects “La nieve en el Pirineo aragonés: Distribución especial y su respuesta a las condiciones climáticas” and “Efecto de los escenarios de cambio climático sobre la hidrología superficial y la gestión de embalses del Pirineo Aragonés”, financed by “Obra Social La Caixa”; and “Influencia del cambio climático en el turismo de nieve-CTTP1/10”, financed by the Comunidad de Trabajo de los Pirineos, CTP.Peer Reviewe

Sensitivity of reference evapotranspiration to changes in meteorological parameters in Spain (1961–2011)

This study analyzes changes in monthly reference evapotranspiration (ETo) by use of the Penman-Monteith equation and data from 46 meteorological stations in Spain from 1961 to 2011. Over the 51 year study period, there were trends for increasing average ETo during all months and annually at most of the individual meteorological stations. Sensitivity analysis of ETo to changes in meteorological variables was conducted by increasing and decreasing an individual climate variable holding the other variables constant. Sensitivity analysis indicated that relative humidity, wind speed, and maximum temperature had stronger effects on ETo than sunshine duration and minimum temperature. This suggests that aerodynamic component has more importance than radiative component to determine the atmospheric evaporative demand in Spain. The analysis showed a dominant latitudinal spatial gradient in the ETo relative changes across the 46 meteorological observatories, mainly controlled by the increasing available solar energy southward. In addition, the role of different meteorological variables on ETo is influenced by the average climatology at each observatory. ETo trends are mainly explained by the decrease in relative humidity and the increase in maximum temperature since the 1960s, particularly during the summer months. The physical mechanisms that explain ETo sensitivity to the different physical variables and current ETo trends are discussed in detail.This work has been supported by the research project CGL2011-27574-CO2-02 financed by the Spanish Commission of Science and Technology and FEDER, and ‘‘Demonstration and validation of innovative methodology for regional climate change adaptation in the Mediterranean area (LIFE MEDACC)’’ financed by the LIFE programme of the European Commission

Recent evolution and associated hydrological dynamics of a vanishing tropical Andean glacier: Glaciar de Conejeras, Colombia

Glaciers in the inner tropics are rapidly retreating due to atmospheric warming. In Colombia, this retreat is accelerated by volcanic activity, and most glaciers are in their last stages of existence. There is general concern about the hydrological implications of receding glaciers, as they constitute important freshwater reservoirs and, after an initial increase in melting flows due to glacier retreat, a decrease in water resources is expected in the long term as glaciers become smaller. In this paper, we perform a comprehensive study of the evolution of a small Colombian glacier, Conejeras (Parque Nacional Natural de los Nevados) that has been monitored since 2006, with a special focus on the hydrological response of the glacierized catchment. The glacier shows great sensitivity to changes in temperature and especially to the evolution of the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) phenomenon, with great loss of mass and area during El Niño warm events. Since 2006, it has suffered a 37&thinsp;% reduction, from 22.45&thinsp;ha in 2006 to 12&thinsp;ha in 2017, with an especially abrupt reduction since 2014. During the period of hydrological monitoring (June 2013 to December 2017), streamflow at the outlet of the catchment experienced a noticeable cycle of increasing flows up to mid-2016 and decreasing flows afterwards. The same cycle was observed for other hydrological indicators, including the slope of the rising flow limb and the monthly variability of flows. We observed an evident change in the daily hydrograph, from a predominance of days with a purely melt-driven hydrograph up to mid-2016, to an increase in the frequency of days with flows less influenced by melt after 2016. Such a hydrological cycle is not directly related to fluctuations of temperature or precipitation; therefore, it is reasonable to consider that it is the response of the glacierized catchment to retreat of the glacier. Results confirm the necessity for small-scale studies at a high temporal resolution, in order to understand the hydrological response of glacier-covered catchments to glacier retreat and imminent glacier extinction.</p

Evolución reciente de las condiciones de humedad y temperatura en las montañas españolas y su relación con la cubierta nivosa

RESUMEN: En este trabajo se estudian la evolución y las tendencias que han experimentado, durante las últimas cuatro décadas, las condiciones climáticas en las montañas de la España peninsular. En lugar de estudiar las series climáticas estándar, se han desarrollado unos índices combinados de humedad y temperatura basados en los extremos de las distribuciones de frecuencias de las series diarias de precipitación y temperatura. El objetivo es por lo tanto reproducir la evolución de condiciones específicas diarias que pueden tener relación directa con la acumulación de nieve en las zonas de montaña. Las series diarias de precipitación y temperatura se han obtenido de la malla climática recientemente desarrollada «Spain02», para el periodo 1970-2007. Los índices estudiados son los siguientes: SC (días secos-cálidos), SF (secos-fríos), HC (húmedos-cálidos) y HF (húmedos fríos). Los resultados muestran un incremento considerable del número de días/año con condiciones SC y HC, así como un descenso notable del número de días/año con condiciones SF y HF, lo cual indica una prevalencia de la tendencia creciente experimentada por las temperaturas sobre una evolución más estacionaria de la precipitación. La evolución del manto de nieve en los Pirineos presenta una correlación negativa con la frecuencia de días secos y cálidos en primavera, en algunos casos, y en otros una correlación positiva con la frecuencia de días secos-fríos y húmedos fríos; lo cual indica cierta sensibilidad del mismo a los índices climáticos seleccionados.ABSTRACT: We study the evolution and trends of climatic conditions in the main mountain chains of the conterminous Spain. For this, indices that combine the tails of the frequency distribution of daily precipitation and temperature were calculated. The objective was to reproduce the evolution of the specific daily conditions that can lead to snow accumulation and/or melting in the mountainous areas. The indices, for the period 1970-2007 were: SC (dry-warm days), SF (dry-cold), HC (wet-warm) and HF (wet-cold). Results show a significant increase in the number of days with warm conditions (both SC and HC) with the correspondent decrease in the number of days with cold conditions (SF and HF). The evolution of the snowpack in the Pyrenees showed a negative and significant correlation with the frequency of dry-warm days in spring, and in some cases a positive correlation with the frequency of dry-cold and wet-cold days. This indicates a sensibility of the snowpack the evolution of the selected indices

Evolution and frequency (1970-2007) of combined temperature-precipitation modes in the Spanish mountains and sensitivity of snow cover

Snow cover in Spanish mountains is crucial for ensuring water availability in spring and summer months, for the success of winter tourism or for the maintenance of biodiversity in mountain ecosystems. A changing climate may affect the volume of snow cover even in high mountains, where weather conditions are usually favorable for snow accumulation. In this paper, we aim to investigate the evolution (1970-2007) of combined precipitation-temperature modes in the Spanish mountains, and the sensitivity of the snowpack to their occurrence. The climatic database "Spain02” and snow thickness data for Spanish mountains were used for this purpose. Results showed that the frequency of dry-warm and wet-warm days has increased over time in all mountain ranges, while the frequency of the "cold” modes has decreased. The thickness of the snowpack in the Pyrenees has also decreased and its evolution is negatively correlated with the frequency of dry-warm days, and positively correlated with the frequency of dry-cold and wet-cold days. This work constitutes the first approach that relates the evolution of climatic conditions favorable or unfavorable for snow accumulation and the evolution of the snowpack in Spanish mountain