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 /

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

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

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

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

Variabilidad interanual del manto de nieve en el Pirineo: tendencias observadas y su relación con índices de teleconexión durante el periodo 1985-2011

Ponencia presentada en: VIII Congreso de la Asociación Española de Climatología celebrado en Salamanca entre el 25 y el 28 de septiembre de 2012.[ES]Desde diciembre de 1985 el Programa ERHIN realiza tres mediciones anuales (enero, marzo y finales de abril) del espesor de nieve en 114 balizas localizadas en el Pirineo central español. En este trabajo se han utilizado dichas series, junto a información de densidad de la nieve en alguna de las balizas para estudiar la evolución interanual del manto de nieve en el Pirineo, conocer su tendencia en las últimas décadas y relacionar dicha evolución temporal con la influencia de distintos índices de teleconexión atmosférica. Se ha aplicado un análisis de componentes principales que ha permitido distinguir cuatro patrones de evolución interanual del manto de nieve en la zona de estudio. Todos ellos indican una elevada variabilidad interanual en el manto de nieve. El principal patrón de la zona de estudio se encuentra negativamente correlacionado con la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y ha experimentado un ligero aumento de los espesores de nieve durante el periodo analizado. Las balizas más próximas a la divisoria de aguas principal no están afectadas por la NAO, mientras que muestran una correlación negativa con la oscilación del Mediterráneo Oriental (EM). Dos grupos definen a las balizas situadas en el sector más oriental de la zona de estudio. En esta zona se produce un descenso en la acumulación de nieve durante el periodo 1985-2011, pero la tendencia es significativa en pocas balizas, y los índices de teleconexión considerados no afectan a la variabilidad interanual del espesor de nieve.[EN]Since December 1985, the ERHIN program performs three measurements during the year (January, March and late April) the snow depth in 114 points located in the central Spanish Pyrenees. In this paper we have used these series, with snow density information of some snow poles to study the interannual evolution of the snowpack in the Pyrenees, to know the trend in recent decades and to relate this temporal evolution with the influence of different teleconnection patterns. A principal component analysis (PCA) identified four patterns of inter-annual evolution of snow cover in the study area. They indicate a high interannual variability in the snowpack. The main pattern of the study area is negatively correlated with the North Atlantic Oscillation (NAO) and has experienced a slight increase in snow depths during the study period. The closest snow poles to the main divide of the Pyrenees are not affected by the NAO, while showing a negative correlation with the oscillation of the Eastern Mediterranean (EM). Two groups define the snow poles located in the eastern part of the study area. In this area there is a decrease in the accumulation of snow during the period 1985-2011, but the trend is significant only in a few points, and teleconnection indices considered do not affect the interannual variability of snow depth.Este trabajo ha sido financiado por los proyectos de investigación, CGL2011-27574-CO2-02 y CGL2011- 27536 financiados por la Comisión Española de Ciencia y Tecnología y FEDER, ACQWA (FP7-ENV-2007-1-212250) financiado por el VII Programa Marco de la Comisión Europea, “Efecto de los Escenarios de Cambio Climático Sobre La Hidrología superficial y la Gestión de Embalses del Pirineo Aragonés”, financiado por “la Obra Social La Caixa” y el Gobierno de Aragón y la Influencia del Cambio Climático en el turismo de nieve, CTTP01/10, financiado por la Comisión de trabajo de los Pirineos

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

Spatio-temporal variability of droughts in Bolivia: 1955-2012

In this study, the spatio-temporal variability and trends of droughts across Bolivia between 1955 and 2012 were investigated using two climate drought indices: the Standardized Precipitation Index (SPI), which is based on precipitation data, and the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI), which is based on the difference between the precipitation and the reference evapotranspiration (ETo). We found that the average drought conditions across the country showed a temporal behaviour mainly characterized by decadal variations. The spatial pattern of drought evolution showed marked differences between the Amazonian region and the Bolivian Altiplano. Both regions showed different drought periods, a lower frequency of drought variability in the Amazon region and trends towards drier conditions in the Altiplano, mainly due to a higher atmospheric water demand as a consequence of increased ETo. We also showed that inclusion of ETo, obtained from maximum and minimum temperature records, increased the spatial heterogeneity of the drought evolution in relation to the evolution observed when only precipitation droughts were considered. The SPEI, the calculation of which includes precipitation and ETo, indicated intensification in drought severity in the last years analysed relative to the pattern found when precipitation droughts alone were considered, and also indicated an increase in the magnitude and duration of drought events. The potential for increasing drought conditions under various climate change scenarios is discussed. © 2015 Royal Meteorological Society.This work has been supported by research projects I-COOP H2O 2013CD0006: ‘Test multisectorial y actividades demostrativa sobre el potencial desarrollo de sistemas de monitorización de sequías en tiempo real en la región del oeste de Sudamérica’ financed by the Spanish National Research Council (CSIC), CGL2011-27574-CO2-02 financed by the Spanish Commission of Science and Technology and FEDER, ‘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, C.A.-M. received a postdoctoral fellowship # JCI-2011-10263. A.S.-L. is supported by the ‘Secretaria per a Universitats i Recerca del Departament d'Economia i Coneixement, de la Generalitat de Catalunya i del programa Cofund de les Accions Marie Curie del 7è Programa marc d'R + D de la Unió Europea’ (2011 BP-B 00078) and the postdoctoral fellowship # JCI-2012-12508.Peer Reviewe

Changes in the frequency of global high mountain rain-on-snow events due to climate warming

Canada First Research Excellence Fund’s Global Water Futures program, Canada Research Chairs program, HIDROIBERNIEVE-CGL2017-82216-K by the Spanish Ministry of Science and InnovationPeer ReviewedRain-on-snow (ROS) events can trigger severe floods in mountain regions. There is high uncertainty about how the frequency of ROS events (ROS) and associated floods will change as climate warms. Previous research has found considerable spatial variability in ROS responses to climate change. Detailed global assessments have not been conducted. Here, atmospheric reanalysis data was used to drive a physically based snow hydrology model to simulate the snowpack and the streamflow response to climate warming of a 5.25 km2 virtual basin (VB) applied to different high mountain climates around the world. Results confirm that the sensitivity of ROS to climate warming is highly variable among sites, and also with different elevations, aspects and slopes in each basin. The hydrological model predicts a decrease in the frequency of ROS with warming in 30 out 40 of the VBs analyzed; the rest have increasing ROS. The dominant phase of precipitation, duration of snow cover and average temperature of each basin are the main factors that explain this variation in the sensitivity of ROS to climate warming. Within each basin, the largest decreases in ROS were predicted to be at lower elevations and on slopes with sunward aspects. Although the overall frequency of ROS drops, the hydrological importance of ROS is not expected to decline. Peak streamflows due to ROS are predicted to increase due to more rapid melting from enhanced energy inputs, and warmer snowpacks during future ROS