Caudales mínimos en Colombia : relaciones macroclimáticas, escalamiento y balances hidrológicos

Se presenta una síntesis de estimación de caudales mínimos en Colombia, involucrando sus causas físicas: fenómenos macroclimáticos y persistencia hidrológica, y un enfoque para su estimación con diferentes períodos de retorno, el cual combina el balance hídrico de largo plazo con ideas de escalamiento de procesos estocásticos. El fenómeno El Niño esta asociado con la ocurrencia de sequías y anomalías negativas de precipitación y, por tanto, con la ocurrencia de los caudales mínimos. Los efectos hidrológicos del fenómeno El Niño/Oscilación de Sur, ponen de presente el carácter no estacionario de la variabilidad hidrológica

Retroalimentación dinámica entre el fenómeno el niño-oscilación del sur y la hidrología de Colombia.

El clima y la hidrología del trópico Americano y de Colombia son resultado de la interacción dinámica de fenómenos físicos que ocurren sobre los océanos Pacífico y Atlántico, así como también sobre la atmósfera y la superficie terrestres, en diversas escalas espacio-temporales. A la escala de tiempo interanual el más importante de tales fenómenos de gran escala es El Niño-Oscilación del Sur (ENSO, por sus iniciales en inglés), cuyas fases extremas son El Niño (fase cálida) y La Niña (fase fría). Ambas fases están asociadas con las anomalías hidrológicas, actuando en escalas de tiempo que van desde la mensual hasta la interanual. Con ciertas diferencias regionales en el tiempo y la amplitud, Sur América tropical tiene anomalías negativas de precipitación, humedad de suelo, evapotranspiración y caudales de ríos durante la fase baja/cálida de la Oscilación del Sur (el Niño), y anomalías positivas durante la fase alta/fría. El capítulo 1 presenta el problema con una justificación sobre los impactos sociales, económicos y ambientales derivados de los cambios climáticos asociados al ENSO en Colombia. El capítulo 2 presenta un estudio de diagnóstico de los mecanismos físicos involucrados en la dinámica de ENSO sobre el trópico de Sur América, con énfasis en la situación hidro-climática de Colombia. En esta disertación se rompe con el viejo paradigma que ha sostenido que todo el clima de Colombia proviene del este, como resultado de la penetración de humedad y la circulación producida por los vientos alisios provenientes del Océano Atlántico, el mar Caribe y la cuenca del Amazonas. En este trabajo se demuestra la importancia del Océano Pacífico para el clima de Colombia en diversas escalas de tiempo. De particular importancia, el ciclo anual de las lluvias y los mecanismos de circulación que explican las anomalías climáticas durante las dos fases del ENSO tienen principal origen sobre el Océano Pacífico tropical, en las regiones conocidas como Niño-4, Niño-3 y Niño1+2. Adicionalmente, hemos usado los datos del Proyecto de Reanálisis Climático del National Center for Environmetal Prediction/National Center for Atmospheric Research de Estados Unidos (NCEP/NCAR), para descubrir la existencia de una corriente de chorro de bajo nivel proveniente del Océano Pacífico que penetra al interior de Colombia, introduciendo grandes cantidades de humedad. Esta corriente de chorro constituye un mecanismo fundamental para entender la hidro-climatología de Colombia y las anomalías observadas durante ambas fases del fenómeno ENSO. Tal corriente de chorro del oeste, que hemos denominado como “chorro del CHOCÓ”, exhibe un marcado ciclo anual en la intensidad de sus vientos, aunque su núcleo está localizado en 5oN durante todo el año. Este chorro contribuye a la advección de humedad por parte de vientos relativamente fríos que interactúan con los vientos más cálidos, los predominantes alisios del este, causando alta inestabilidad atmosférica, grandes cantidades de convección y precipitación, que son normales en la costa Pacífica Colombiana. La corriente de chorro del CHOCÓ está también asociada a la formación de complejos convectivos de meso-escala que penetran desde el Océano Pacífico hacia el interior de Colombia, y que muchas veces traspasan la cordillera oriental, causando alta precipitación en el país. La existencia del chorro del CHOCÓ se explica en términos de (1) la recurvatura de los vientos alisios tanto del sureste sobre el Océano Pacífico oriental y los vientos alisios de noreste, asociada con la existencia de un centro cuasi-permanente de bajas presiones sobre el Pacífico Colombiano; (2) por el gradiente de temperaturas existente entre las regiones de Niño1+2 y la costa Pacífica de Colombia; (3) ascenso orográfico debido a la presencia de la cordillera occidental de los Andes Colombianos; y (4) por la interacción con otras dos corrientes de chorro provenientes del este, sobre la geografía Colombiana. En efecto, en esta disertación se ha descubierto la existencia de otra corriente de chorro sobre la geografía Colombiana, localizada en el ecuador a la altura de los 700-600 hPa, que también exhibe un marcado ciclo anual y que interactúa con la corriente del CHOCÓ. Además, se ha descubierto que la conocida corriente de chorro superficial de los alisios del mar Caribe hacia 12o-14oN, que hemos denominado “chorro de San Andrés”, después de cruzar el istmo centroamericano, se recurva y, retornando hacia el sureste, contribuye a conformar la corriente de chorro del oeste del CHOCÓ sobre el Pacífico Colombiano. Esta última observación también constituye otro descubrimiento de este trabajo. Los análisis de las diferencias relativas de la intensidad de los vientos del chorro del CHOCÓ, durante las fases extremas del ENSO, indican su debilitamiento durante los eventos El Niño y su intensificación durante La Niña. Similarmente ocurre con el debilitamiento del chorro ecuatorial del este de la media tropósfera, de los 700-600 hPa durante El Niño, particularmente durante el trimestre diciembre-enero-febrero. La más fuerte variación relativa del chorro del CHOCÓ ocurre durante el trimestre junio-julio-agosto, cuando el debilitamiento de los vientos es del orden de 2-3 m/s, durante El Niño en comparación con La Niña. Asociado con el debilitamiento del chorro del CHOCÓ durante los eventos de El Niño, se presenta una disminución en la advección de humedad desde el Océano Pacífico hacia Colombia, contribuyendo de esta forma a explicar el signo de las anomalías hidrológicas durante El Niño. En el capítulo 2 se presentan, además, las evidencias previas a este trabajo acerca de la influencia del ENSO sobre la hidro-climatología de Colombia y el norte de América del Sur. Y se discuten otros fenómenos oceánicos y atmosféricos de gran escala que tienen influencia sobre Colombia y el Norte de Sur América, y de cómo estos se conjugan con el ENSO para producir las anomalías hidrológicas en esta parte del mundo. Allí se incluyen fenómenos y mecanismos físicos tales como la oscilación del Atlántico Norte (NAO), los complejos convectivos de meso-escala, las ondas del este, la oscilación cuasi-bienal (QBO), la Alta Boliviana, las ondas de Madden-Julian y la oscilación semi-anual. Como los más importantes se mencionan la NAO, la QBO, las ondas del este, la oscilación de Madden-Julian (a nivel intra-anual), el gradiente de presiones existente entre la alta subtropical del Atlántico norte y las bajas presiones del trópico suramericano, la disminución de las ondas tropicales del este y del número de huracanes durante El Niño, que también contribuye a la disminución de la advección de humedad y en general de la actividad de tiempo atmosférico de la región.Doctorad

Variabilidad de las anomalías de caudales medios mensuales con el área de la cuenca.

Se estudia la variabilidad de las anomalías estandarizadas de los caudales medios mensuales con respecto al área de drenaje de la cuenca, usando registros históricos de caudales medios mensuales sobre estaciones localizadas a lo largo del cauce principal de las cuencas de los ríos Magdalena-Cauca en Colombia y Tocantins-Purus en Brasil. Las anomalías estandarizadas se definen como las desviaciones de los caudales con respecto a la media del mes, escalados por la desviación típica mensual

La escala de fluctuación de caudales medios mensuales en función del área de la cuenca (río Tocantis-Brasil)

Se estudió la variabilidad de la escala de fluctuación de caudales medios mensuales con el área de la cuenca de drenaje. El caso de estudio se aplicó a series de caudales medios mensuales en estaciones de medición localizadas a lo largo de la cuenca del río Tocantins en Brasil. La estimación de la escala de fluctuación se realizó usando: (i) el autocorrelograma, (ii) la función de varianza, y (iii) la función de densidad espectral de área unitaria, evaluada en la frecuencia cero

Predicción de caudales medios mensuales en ríos de Antioquia.

Se implementan tres metodologías para el pronóstico de caudales medios mensuales en cuatro ríos de Antioquia (Nare, Guatapé, Guadalupe y Río Grande II): (i) el método no paramétrico MARS ("Multivariate Adaptative Regresion Splines"), (ii) un método ARIMA generalizado no paramétrico, y (iii) el método paramétrico de "Holt-Winters" durante el período 1990-2004. El método MARS permite incorporar la persistencia hidrológica y la influencia de fenómenos macroclimáticos como el ENSO. Se evalúan los métodos de predicción usando intervalos de pronóstico de 1 mes, para horizontes de pronóstico de 12 meses

Colas pesadas en el análisis probabilístico de la lluvia y exponente Hurst durante la fase del ENSO.

Se investiga el efecto de las dos fases del fenómeno El Niño/Oscilación del Sur (ENSO) sobre el ajuste de funciones de distribución de probabilidad potenciales y sobre la estimación del exponente de Hurst en registros de intensidad de lluvia de 6 pluviógrafos sobre los Andes Colombianos, con resolución temporal de 15 minutos. Los resultados permiten concluir que se ajustan leyes potenciales del tipo (YaXb), lo que significa invarianza de escala y existencia de colas pesadas en la magnitud y duración de las tormentas y en la duración de periodos secos

Aplicación de la transformada de hilbert-huang en la detección de modos de variabilidad hidroclimática en colombia.

Se estudia la aplicación de la transformada de Hilbert-Huang en series de precipitación, caudal y temperatura de diferentes resoluciones temporales, para detectar los principales modos de variabilidad hidroclimática en Colombia. Se comparan los resultados con las metodologías tradicionales de análisis espectral: Transformada de Fourier y Transformada en Onditas. En las variables con resolución mensual (precipitación, caudal y temperatura) se detectan modos se oscilación asociados con períodos de 3, 6 y 12 meses, 2-3 años y 3.5-6 años. En los registros diarios, además de los períodos ya mencionados se encuentran frecuencias asociadas a períodos de 3.5-5 días y 69-78 días. En las series horarias se identifican frecuencias asociadas a períodos de 12 y 24 horas, seguidas de una frecuencia de 0.017 h-1 equivalente a 59 horas (2.5 días). Se evidencia la potencia y superioridad de la transformada de Hilbert-Huang, especialmente para señales con ciclos marcados y series con datos atípicos

Estimación del flujo base y de sus propiedades de escalamiento temporal en cuencas colombianas

Se usa un filtro matemático de base física para la separación del flujo base a escala diaria, en 5 cuencas de Colombia: Carare, La Vieja, Nechí,Patía y Rancheria. El método esta basado en un balance de masa en la ladera, que es extrapolado a la escala de la cuenca y requiere la estimación de 4 parámetros, 3 se evalúan a partir de información diaria de precipitación y caudal sobre la cuenca. Los resultados de la aplicación del filtro establecen que la informacion de la distribucion espacial de la precipitación sobre la cuenca es de la mayor relevancia para garantizar un mejor desempeno del filtro que estima el flujo base

Diagnóstico y predictibilidad de la lluvia en Colombia a escala intraestacional.

En este trabajo se estudia la variabilidad intraestacional de la lluvia sobre Colombia por medio de datos pentadiarios (agregados a cinco días) de precipitación del producto 3B42 del TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) y Anomalías de Potencial de Velocidad a los 200 hPa (PV200). Se efectúa un análisis de Componentes Principales donde se obtiene que es necesario considerar las 15 primeras Funciones Ortogonales Empíricas para explicar el 50.13% de la varianza total, con patrones significativos sobre el Pacifico y occidente de Colombia. Las principales frecuencias encontradas para todas las componentes están asociadas a la Oscilación de Madden-Julian, siendo la principal un modo sub-mensual de 20 días, encontrado por el espectro de Hilbert-Huang. Se obtuvieron mapas de probabilidad de lluvia bajo diferentes umbrales, dado un PV200 negativo, que exhiben la importancia del Pacifico colombiano y la Amazonia sobre la dinámica convectiva de la región

Identificación de modos principales de variabilidad hidroclimática en Colombia mediante la transformada de Hilbert-Huang

Se estudian los principales modos de variabilidad hidro-climática en series de precipitación, caudales y temperatura de variada resolución temporal en Colombia mediante tres metodologías: la transformada de Hilbert-Huang, la transformada de Fourier y la transformada en Onditas. Los resultados obtenidos indican que los principales modos de oscilación hidro-climática en las variables con resolución mensual (precipitación, caudal y temperatura) están asociadas con períodos de 3, 6 y 12 meses, 2-3 años y 3, 5-6 años