Monitoreo y Predicción de Sequías en México: Aplicaciones del Sistema de Predicción Hidrológica

Estacional West-wide de la Universidad de Washington

Francisco Muñoz Arriola, Shraddhanand Shukla, Ted Bohn, Chunmei Zhu

Dennis P. Lettenmaier

Departamento de Ingeniaría Civil y Ambiental

Universidad de Washington

Ana Wagner Gomes y René Lobato Sánchez

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua

Para la presentación en elReunión Anual de la Unión Geofísica Mexicana

30 de Octubre 2008Puerto Vallarta, México

Estructura

• Motivación• Sistema de Predicción Hidrológica West-wide de

la UW– Modelo Hidrológico Superficial de Capacidades de

Infiltración Variable– Condiciones cuasi actuales– Ensamblajes– Índices de Sequía (SMI, SRI, y percentiles)

• Evaluación de la predicción de la Sequía en el 2007

• Trabajo Futuro

Motivación• 85% de las superficies cultivadas dependen directamente de

la lluvia• Presencia de al menos tres patrones de sequía

– Centro sur (Gran Sequía Invernal y Sequía interestival) – Pacifico (Gran Sequía Invernal)– Baja California (Sequía de Verano)

• Influencia la operación de Presas• Integrar un sistema de monitoreo y predicción de sequías

para Mexico and the U.S. basado en modelaje hidrológico para complementar los ya existentes (NADM, P.U. D, NOAA D M)

Monitoreo de Sequía

Humedad de Suelo PrecedenteCondición Hidrológica

Estatus Socio-Economico

Intensidad Duracion

Severidad

Falta de Precipitación

PrecipitaciónTemperaturaDisponibilidad de Capacidad

retencion hidricaModelos de balance de agua simplistas

PrecipitaciónPrecipitaciónPrecipitaciónPromediado sobre diff periodos

PrecipitaciónTemperaturaNieve acumuladaAvenida de riosAlmacenamiento de AguaFalta de ObservacionesEsquema de weighting

PrecipitaciónTemperatursProcesos de estacionales friosEsquema complejo de balance de Energia y aguaNo infor. De las condiciones

socioeconomicas

Indice Palmer de Sequía (PDI)

Indice Estandarizado de Precipitación (SPI)

Indice de Abastecimiento de Agua Superficial (SWSI)

Indices basados en Modelaje Hidrológico

Objetivos

• Ilustrar el uso del Sistema de Predicción Hidrológica West-wide para la predicción de sequía en Mexico

• Evaluar la efectividad de las predicciones de sequia en Mexico durante el verano del 2007

• Investigar la aplicación de diferentes indices de monitoreo de sequía

Obs. del SMNNDASEDASNARR

Escala Local (1/8 de grado) entradas meteorológicas

Humedad de Suelo

Inicialización del modelo VIC

correntia, humedad de suelo, evaporación, escurrimiento

Dia 25th, Mes 01-2 años atras

Meteo. p/a cubrir

huecos en la inic.

Est. Índice

Simulaciones de Predicción Hidrológica

ESTADOINICIAL

Asimilación de Obs.

SWE

Predicción por Ensamblajes trazas del ESP ensamblajes NCEP CFS

Estado Inicial de la Presa

correntía, almacenamientos de Agua, Liberación de

Agua

Operación&

Restricciones

Predicción de Presas

SIMOP

Mes 12

Sistema de Predicción Hidrológica Extendido de la UW

Ensamblado de Predicción de Avenidas “Ensemble Streamflow Prediction” (ESP)

CIsArranque Predicción

observaciones

Datos Meteo recientPara generar

la CIs“perfectas”

Ensamblaje Meteo historicoPara generar pronosticos

ensemblados

Estadohidrológico

Applicaciones: prediccion climatica

Modelo Superficial Terrestre de Capacidades de Infiltración Variable(VIC)

Flujos de Energía y Humedad por celda

Capa 1

Capa 2

Capa 3

Superficie Arborea

Covertura Vegetal por celda

Curva de Infiltración Variable

Curva de Flujo base

Humedad de Suelo en la Capa 2 (W2)

Flu

jo B

ase

(B)

Cap

acid

ad d

eIn

filt

raci

ón P

untu

al(i

)

Fracción del Área

•Modelo Hidrológico Semi-distribuido de macroescala

•Resolución de 1/8 de grado

http://www.hydro.washington.edu/forecast/westwide/spatial/ncast/index.shtml

Calculo de Indices basados en Modelaje Hidrológico

•Indice de Humedad de Suelo, Escurrimiento, y Precipitacion

•Condiciones Iniciales

•1-, 2-, 3-, y 4-meses de predicción

•Observaciones

•Percentil 20 para avenida de rios

Condiciones Iniciales

Predicciones

Observaciones

1-mes-delante Junio

2- mes-delante

3- mes-delante

4- mes-delante

Julio

Agosto

Septiembre

Mayo

•Apartir del tercer mes se tiende a perder la habilidad de la predicción y a emular la climatología

•Final de la Gran sequía Invernal proporciona habilidad al sistema para la predicción de corto periodo

1-mes-delante

Agosto

Julio

Condiciones Iniciales

Predicción

Observación•Areas del Centro Noreste arriba de lo normal están mal representadas

•Sequias en Chihuahua, Sonora, Michoacan, Oaxaca, Tabasco y Campeche son detectadas

•Sequía de Baja California sobre-estimada

Componentes del Balance de AguaNorte de México Sur de México

PronósticoClimatología

Indices de Sequía en Agosto del 2007

SMI

SRI

SMI-Obs

SMI-Predicción

NADM

Avenidas de Rios• Más de 200

estations en EUA• Actualmente 23

puntos en México– 13 puntos en la

region NAM (9 en la cuancas del Rio Yaqui).

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

May

-05

Jun-

05

Jul-0

5

Aug-0

5

Sep-0

5

Oct-0

5

Nov-0

5

Dec-0

5

Jan-

06

Feb-0

6

Mar

-06

Apr-0

6

May

-06

Jun-

06

months

Pro

bab

ilit

y o

f D

rou

gh

t O

ccu

ren

ce

PSNCO_05

PSNCO_07

ANGST_05

ANGST_07

BOQUI_05

BOQUI_07

PERLA_05

PERLA_07

Paso Nacoric

Las Perlas

BoquiachiAngostura

•Probabolidad de Ocurrencia de Sequía basado en los miembros del ensamblaje•Habilidad en la predicción anual de avenidas de rios es mayor durante los meses de verano

Conclusiones• El sistema de Predicción Hidrológica Estacional West-

wide muestra diferencias por debajo del 10% (en los percentiles) para regiones en Baja California

• Habilidades bajas en regiones del Centro y noroeste con inicializaciones en Mayo y Julio

• Estados costeros del Pácifico se reproducen algunos de las principales señales de sequia para 1-,2-meses de predicción

• Las predicciones hechas por el sistema west-wide coinciden con las observaciones del NADM

• La hailidad en la predicción de sequia para un año es baja en estaciones con avenidas esporadicas y se incrementa hacia los trópicos

Trabajo en Progreso y a Desarrollar

Integrar México a un sistema Integral de monitoreo y prediccion sequía compuesto de:

Monitoreo y prediccion hidrológicas de multi-modelo a 0.5 grados de resolución (modelos hidrológicos NOAH, SAC, CLM, VIC)

Monitoreo y prediccion de Sequía sencillo y multi-modelo

Prediccion hidrologica a 0.125 grados de resolución basado en el uso de tecnicas de ensamblaje como CFS (Systema de Predicción Climática)

University of Washington/Princeton UniversityNorth American Hydrological Systems

(NAHS)

Low resolution NAHS (1/2 degree)

High resolution NAHS (1/8 degree)

NAHS Monitoring

Forecast

US MEX done In progress(12/2008 to 01/2009)In progress

(11/2008)

done

http://www.hydro.washington.edu/forecast/monitor/

http://www.hydro.washington.edu/forecast/monitor/

LNAHS-MM (SWM Multi-model) LNAHS-DF (SWM-Drought Forecast)

LNAHS-DF (SWM-Drought Forecast Indices)VIC SAC

NOAH CLM

Multi-model Ensemble

oMexico will be added by the end of this month to both systems

oEarly 2009 the multi-model drought monitor will be added

LNAHS (SWM)

http://www.hydro.washington.edu/forecast/monitor/

UW/PU-HNAHS(West-wide Hydrological Seasonal Forecast

System)HNAHS-NM (NCAST) HNAHS-EF and HNAHS-CF (WHSFS)

ESP CPC

oESP and CPC will be implemented for the eastern US by the end of November

oCFS will be implemented for the US and Mexico by the end of the year

http://www.hydro.washington.edu/forecast/westwide/spatial/ncast/index.shtmlhttp://www.hydro.washington.edu/forecast/westwide/sflow/

Hydrologic Model-Based Indices

• Percentiles de Humedad de Suelo y Escurrimiento(Scheffield 2004, 2007; Andreadis 2005, 2006)• Distribución Beta• Distribución Empirica (Weibull Plotting Position)

–(50 años de datos)

• Indice Estandarizado de Escurrimiento (SRI)(Wood and Shukla, 2007)• Ajuste de Distribución (ln2,3; gama)• Transformación de Probabilidad Acumulada a

Desviacion Estandar Normal

Junio-Augosto

Qué se hizo

Predicciones de SMI (en percentiles)

Selección de areas bajo

sequía f(SRI,SPI)

Comparación de predicciones y observaciones de SMI (en percentiles)