Modelación de los Impactos del Cambio

Climático Sobre los Sistemas de Recursos

Hidráulicos

Eusebio Ingol Blanco, Ph.D., A.M.ASCE Profesor y Coordinador Académico del Programa de Ingeniería Civil,

Universidad San Ignacio de Loyola

Profesor Visitante, Universidad Nacional Agraria La Molina

ingol1@utexas.edu, eingol@usil.edu.pe

www.eusebioingolb.weebly.com

Outline

• Una introducción a los modelos de clima

• Modelación a escala local

• Técnica de downscaling

• Modelación hidrológica y de recursos

hídricos

Entender las Causas y Efectos del Clima

no es Fácil

Como influyen las causas naturales y antropogénicas ?

Que modelos predicen esto?

Modelos de Circulación General (GCMs)

En cada celda Grid los GCMs calculan:

Temperatura (T)

Presión (P), Viento (U, V), Humedad (Q)

Que Recursos se Necesitan?

Texas Advanced Computing Center

World’s Fastest Supercomputer

Perform 579.4 trillion operations per second

30,000 faster than today’s desktop computers

Offers nearly 200 millions computing hours per year to researchers

Porque Debemos Creer en los GCMs?

• Modelos determinísticos.

• Usan ecuaciones: Continuidad, Momento, Energía,

Ecuaciones de Estado.

• Reproducen las condiciones de clima histórico

representan interacciones entre el Océano, Tierra, y

Atmosfera.

Pero hay que tener mucho cuidado • Importante Incertidumbre: Estructura del

modelo, representación de procesos físicos,

resolución espacial y temporal, formulación de

escenarios climáticos.

Cuáles son las Interrogantes a Nivel de

Cuenca?

• ¿Cuál sería la respuesta hidrológica de la cuenca?

• ¿Qué pasará con la disponibilidad de agua en la

cuenca durante las próximas décadas ?

• ¿Cómo la infraestructura hidráulica, como presas

y canales de los distritos de riego, puede ser

operada para una adaptación confiable al cambio

climático?

Cuáles son las Interrogantes a Nivel de

Cuenca?

• ¿Qué medidas o estrategias, para reducir la

vulnerabilidad e incrementar la resiliencia, serían

las más adecuadas para adaptar los sistemas de

recursos hídricos al cambio climático?

Series Clima

Pr, T, RH, Wv

Uso de la

Tierra y Cov.

Modelación del Manejo

de agua

Evaluación de Impactos

Estrategias de

Adaptación

Predicción del Abastecimiento

Agua

Reducción Escala

Estadística

Dinámica

Caudales: Naturales

Históricos

Modelación Hidrológica e

Hidráulica

Inf.

Hidráulica

Mejora

Política Fin

No

Si

Escenarios de

Cambio

Climático

Modelos de

Circulación

General

Análisis de

Incertidumbre

Modelación a Escala Local

Selección de GCMs

Que criterio?

• Resolución espacial

• Modelos acoplados atmósfera-océanos

• Desempeño en la región

• Realizaciones

Que escenario de emisión?

• A1B: Media emisión, el cambio tecnológico en el

sistema energético es equilibrado en todas las fuentes de

energía fósiles y no fósiles

• A2: Alta emisión, alto crecimiento poblacional, cambio

tecnológico y crecimiento económico mas fragmentado

Downscaling GCMs Downscaling: Permite incrementar la resolución espacial de GCMs para

obtener datos de clima a escala local.

Estadística

Basado sobre relaciones estadísticas

entre datos de clima a escala global

(GCMs) y local

Dinámica

Desarrollo de Modelos de Clima Regional

(RCMs), usando como condiciones de

frontera datos de GCMs

220 km ( 2.0 x 2.0o)

104°30'0"W

104°30'0"W

105°0'0"W

105°0'0"W

105°30'0"W

105°30'0"W

106°0'0"W

106°0'0"W

106°30'0"W

106°30'0"W

107°0'0"W

107°0'0"W

29°30'0"N 29°30'0"N

29°0'0"N 29°0'0"N

28°30'0"N 28°30'0"N

28°0'0"N 28°0'0"N

27°30'0"N 27°30'0"N

27°0'0"N 27°0'0"N

26°30'0"N 26°30'0"N

104°30'0"W

104°30'0"W

104°45'0"W

104°45'0"W

105°0'0"W

105°0'0"W

105°15'0"W

105°15'0"W

105°30'0"W

105°30'0"W

105°45'0"W

105°45'0"W

106°0'0"W

106°0'0"W

106°15'0"W

106°15'0"W

106°30'0"W

106°30'0"W

106°45'0"W

106°45'0"W

107°0'0"W

107°0'0"W

107°15'0"W

107°15'0"W

29°45'0"N 29°45'0"N

29°30'0"N 29°30'0"N

29°15'0"N 29°15'0"N

29°0'0"N 29°0'0"N

28°45'0"N 28°45'0"N

28°30'0"N 28°30'0"N

28°15'0"N 28°15'0"N

28°0'0"N 28°0'0"N

27°45'0"N 27°45'0"N

27°30'0"N 27°30'0"N

27°15'0"N 27°15'0"N

27°0'0"N 27°0'0"N

26°45'0"N 26°45'0"N

26°30'0"N 26°30'0"N

26°15'0"N 26°15'0"N

104°24'0"W

104°24'0"W

107°12'0"W

107°12'0"W

30°24'0"N 30°24'0"N

27°36'0"N 27°36'0"N

103°42'0"W

103°42'0"W

104°3'0"W

104°3'0"W

104°24'0"W

104°24'0"W

104°45'0"W

104°45'0"W

105°6'0"W

105°6'0"W

105°27'0"W

105°27'0"W

105°48'0"W

105°48'0"W

106°9'0"W

106°9'0"W

106°30'0"W

106°30'0"W

106°51'0"W

106°51'0"W

107°12'0"W

107°12'0"W

107°33'0"W

107°33'0"W

107°54'0"W

107°54'0"W

30°59'0"N 30°59'0"N

30°52'0"N 30°52'0"N

30°45'0"N 30°45'0"N

30°38'0"N 30°38'0"N

30°31'0"N 30°31'0"N

30°24'0"N 30°24'0"N

30°17'0"N 30°17'0"N

30°10'0"N 30°10'0"N

30°3'0"N 30°3'0"N

29°56'0"N 29°56'0"N

29°49'0"N 29°49'0"N

29°42'0"N 29°42'0"N

29°35'0"N 29°35'0"N

29°28'0"N 29°28'0"N

29°21'0"N 29°21'0"N

29°14'0"N 29°14'0"N

29°7'0"N 29°7'0"N

29°0'0"N 29°0'0"N

28°53'0"N 28°53'0"N

28°46'0"N 28°46'0"N

28°39'0"N 28°39'0"N

28°32'0"N 28°32'0"N

28°25'0"N 28°25'0"N

28°18'0"N 28°18'0"N

28°11'0"N 28°11'0"N

28°4'0"N 28°4'0"N

27°57'0"N 27°57'0"N

27°50'0"N 27°50'0"N

27°43'0"N 27°43'0"N

27°36'0"N 27°36'0"N

27°29'0"N 27°29'0"N

27°22'0"N 27°22'0"N

27°15'0"N 27°15'0"N

27°8'0"N 27°8'0"N

27°1'0"N 27°1'0"N

26°54'0"N 26°54'0"N

26°47'0"N 26°47'0"N

26°40'0"N 26°40'0"N

26°33'0"N 26°33'0"N

26°26'0"N 26°26'0"N

26°19'0"N 26°19'0"N

26°12'0"N 26°12'0"N

26°5'0"N 26°5'0"N

25°58'0"N 25°58'0"N

25°51'0"N 25°51'0"N

25°44'0"N 25°44'0"N

25°37'0"N 25°37'0"N

25°30'0"N 25°30'0"N

25°23'0"N 25°23'0"N

25°16'0"N 25°16'0"N

25°9'0"N 25°9'0"N

25°2'0"N 25°2'0"N

GCM Data

55 km ( 0.5o x 0.5o)

30 km ( 0.27o x 0.27o)

12 km ( 0.11o x 0.11o)

Downscaling GCMs

104°24'0"W

104°24'0"W

107°12'0"W

107°12'0"W

30°24'0"N 30°24'0"N

27°36'0"N 27°36'0"N

103°42'0"W

103°42'0"W

104°3'0"W

104°3'0"W

104°24'0"W

104°24'0"W

104°45'0"W

104°45'0"W

105°6'0"W

105°6'0"W

105°27'0"W

105°27'0"W

105°48'0"W

105°48'0"W

106°9'0"W

106°9'0"W

106°30'0"W

106°30'0"W

106°51'0"W

106°51'0"W

107°12'0"W

107°12'0"W

107°33'0"W

107°33'0"W

107°54'0"W

107°54'0"W

30°59'0"N 30°59'0"N

30°52'0"N 30°52'0"N

30°45'0"N 30°45'0"N

30°38'0"N 30°38'0"N

30°31'0"N 30°31'0"N

30°24'0"N 30°24'0"N

30°17'0"N 30°17'0"N

30°10'0"N 30°10'0"N

30°3'0"N 30°3'0"N

29°56'0"N 29°56'0"N

29°49'0"N 29°49'0"N

29°42'0"N 29°42'0"N

29°35'0"N 29°35'0"N

29°28'0"N 29°28'0"N

29°21'0"N 29°21'0"N

29°14'0"N 29°14'0"N

29°7'0"N 29°7'0"N

29°0'0"N 29°0'0"N

28°53'0"N 28°53'0"N

28°46'0"N 28°46'0"N

28°39'0"N 28°39'0"N

28°32'0"N 28°32'0"N

28°25'0"N 28°25'0"N

28°18'0"N 28°18'0"N

28°11'0"N 28°11'0"N

28°4'0"N 28°4'0"N

27°57'0"N 27°57'0"N

27°50'0"N 27°50'0"N

27°43'0"N 27°43'0"N

27°36'0"N 27°36'0"N

27°29'0"N 27°29'0"N

27°22'0"N 27°22'0"N

27°15'0"N 27°15'0"N

27°8'0"N 27°8'0"N

27°1'0"N 27°1'0"N

26°54'0"N 26°54'0"N

26°47'0"N 26°47'0"N

26°40'0"N 26°40'0"N

26°33'0"N 26°33'0"N

26°26'0"N 26°26'0"N

26°19'0"N 26°19'0"N

26°12'0"N 26°12'0"N

26°5'0"N 26°5'0"N

25°58'0"N 25°58'0"N

25°51'0"N 25°51'0"N

25°44'0"N 25°44'0"N

25°37'0"N 25°37'0"N

25°30'0"N 25°30'0"N

25°23'0"N 25°23'0"N

25°16'0"N 25°16'0"N

25°9'0"N 25°9'0"N

25°2'0"N 25°2'0"N

220 km ( 2.0 x 2.0o)

12 km ( 0.11o x 0.11o)

¿Cuál es el Procedimiento? Corrección por BIAS.

• Este paso identifica cómo un determinado GCM

tiende a ser demasiado húmedo / seco / frío /

cuando se simulan las condiciones climáticas del

pasado en relación con las observaciones.

• El propósito es eliminar estas tendencias a partir de

los datos de proyección utilizando una técnica de

mapeo cuantil.

(Wood et al. 2002, Wood et al.

2004, and Maurer 2007)

¿Cuál es el Procedimiento? Espacial-Downscaling.

• Este paso traduce espacialmente las proyecciones

ajustadas de los GCMs (1950-2099) a partir de la

resolución espacial del modelo de clima (2°, 2.8° grid) a una resolución más relevante para el

análisis a escala de cuenca (12km x 12km).

(Wood et al. 2002, Wood et al.

2004, and Maurer 2007)

Proyección de la Temperatura y Precipitación

Multi-Model Ensemble

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

2040 2050 2060 2070 2080 2090

Tem

per

atu

re A

no

mal

y (o

C)

A2 A1B

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

2040

-59_

A1B

2060

-79_

A1B

2080

-99_

A1B

2040

-59_

A2

2060

-79_

A2

2080

-99_

A2

Tem

per

atu

re A

no

mal

y(oC

)

-150

-100

-50

0

50

100

150

2040 2050 2060 2070 2080 2090

Pre

cip

itat

ion

An

om

aly

(mm

)

Year

A2 A1B

-150

-100

-50

0

50

100

150

-150

-100

-50

0

50

100

150

2040

-59_

A1B

2060

-79_

A1B

2080

-99_

A1B

2040

-59_

A2

2060

-79_

A2

2080

-99_

A2

Pre

cip

itat

ion

An

om

aly

(mm

)

Modelación Hidrológica

Initial and

boundary

conditions

Outputs Inputs Hydrologic

processes

Equations for

water balance

Climate data ( T, P, RH, WV)

Land use, soil

Climate

change data

Z1

Z2 Base flow

Sub- surface runoff

Surface runoff

k1

k2

Percolation

Smax

P

ET

Water

resources

model

Rango de Variabilidad en la Predicción de

Caudales Anuales

Box plot showing the variation range (Max, P75, Median, Min, and P25) for each GCM for

the A2 scenario at Ojinaga. Dashed sky-blue line corresponds to the natural flow for the

period 1940-1999.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

CCSM3 CGCM31 ECHAM5 Hadley MIROC32

Stre

a m

flo

w (

Mill

ion

M3

)

Cambio Relativo

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Cu

mu

lati

ve P

rob

abili

ty

Relative Change (%)

A1B_data A1B_GEV A2_data A2_GEV

Caudales Máximos Anuales bajo CC

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 100 200 300 400 500 600 700

Exce

ed

ance

Pro

bab

ility

Annual Max streamflow(m3/s)

2040-2059 2060-2079 2080-2099 1980-1999

Scenario Pr/TR 1980-99 2040-59 2060-79 2080-99

A2

P(Q ≥300) 0.30 0.22 0.10 0.06

T = 1/p 3.33 4.5 10.0 16.7

P(Q ≥100) 0.80 0.94 0.98 0.96

T= 1/p 1.25 1.06 1.02 1.04

A1B

P(Q ≥300) 0.30 0.10 0.12 0.20

T= 1/p 3.33 10.00 8.33 5.00

P(Q ≥100) 0.80 0.96 0.98 1.00

T= 1/p 1.25 1.04 1.02 1.00

Modelación Integrada de los Recursos

Hídricos Link el Modelo Hidrológico con el Modelo de Planificación de Recursos Hídricos

Z1

Z2

Base flow

Sub- surface runoff

Surface runoff

k1

k2

Percolation

P ET

River Irrigation

Aquifer storage

Storage capacity

Initial storage

Maximum withdrawal

Recharge InterflowBaseflowETRunoffecipiation

dt

ds Pr

Priorities

1: Municipal,

2: Irrigation Districts

3: Small Irrigations.

4: water treaty

Efectos del Cambio Climático en el Sistema

de Recursos Hídricos

-30

-20

-10

0

10

20

30

Irrigation (GW) Irrigation (SW) Municipal Water Treaty

Ch

ange

(%

)

2099 A2

Period 2040-2099

Estrategias de Adaptación del Sistema

2099

-30

-20

-10

0

10

20

30

SI SII SIII SIV SI SII SIII SIV SI SII SIII SIV SI SII SIII SIV

Irrigation (GW) Irrigation (SW) Municipal Water Treaty

Ch

ange

(%

)

System performance as % change from A2 scenario. 2040-2099

Impacto en Reservorios

2099

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Oct

-20

39

Oct

-20

42

Oct

-20

45

Oct

-20

48

Oct

-20

51

Oct

-20

54

Oct

-20

57

Oct

-20

60

Oct

-20

63

Oct

-20

66

Oct

-20

69

Oct

-20

72

Oct

-20

75

Oct

-20

78

Oct

-20

81

Oct

-20

84

Oct

-20

87

Oct

-20

90

Oct

-20

93

Oct

-20

96

Alm

ace

nam

ien

to M

ensu

al (

MM

3)

A2

A1B

Baseline

Reservorio La Boquilla

Que ocurre en el Perú?

2099 Loreto

Ucayali

Puno

Cusco

Junín

Lima

Arequipa

Ica

Piura

Madre de Dios

Ancash

San Martín

Ayacucho

Huánuco

Pasco

Amazonas

Cajamarca

Tacna

La Libertad

Apurímac

Moquegua

Huancavelica

Lambayeque

Callao

Tumbes

Callao

Loreto

Ucayali

Puno

Cusco

Junín

Lima

Arequipa

Ica

Piura

Madre de Dios

Ancash

San Martín

Ayacucho

Huánuco

Pasco

Amazonas

Cajamarca

Tacna

La Libertad

Apurímac

Moquegua

Huancavelica

Lambayeque

Callao

Tumbes

Callao

Legend

PER_adm1

Kriging_SERE1

Value

High : 232.43

Low : -90.32

Pr (mm) - 2080-99

SRES

A2

Que ocurre en el Perú?

• No hay datos escalados disponibles para aplicaciones

en recursos hídricos.

• A escala de cuenca, el análisis de los impactos del

cambio climático son muy generales.

• Se propone un Proyecto Nacional que incluya el

análisis y downscaling de GCMs outputs. Con ello, la

evaluación de impactos a nivel de sistemas hídricos,

estrategias de adaptación, incertidumbre GCMs.

Resumen

2099

• La evaluación de impactos del cambio climático sobre

los sistemas de recursos hidráulicos es un proceso

complejo.

• A escala de cuenca, la incertidumbre se propaga a

través de una modelación en cadena, desde que este

proceso requiere el desarrollo y aplicación de modelos

de clima, modelación hidrológica y recursos hídricos.

• Medidas para reducir la vulnerabilidad e incrementar la

resiliencia de los sistemas son necesarias en un marco

de gestión integrada de los recursos hídricos.