El manto de nieve en la península ibéricaclimatología y sensibilidad a la variabilidad climática

  1. Esteban Alonso González
Supervised by:
  1. Antonio Ceballos Barbancho Director
  2. Juan Ignacio López Moreno Director

Defence university: Universidad de Valladolid

Fecha de defensa: 30 October 2020

Committee:
  1. James McPhee Torres Chair
  2. Javier Herrero Lantarón Secretary
  3. Enrique Morán Tejeda Committee member

Type: Thesis

Abstract

En la presente tesis doctoral se estudian las características del manto de nieve a escala regional en las principales cadenas montañosas de la península ibérica. A pesar del importante papel que juega el manto de nieve en la península ibérica, no existen hasta hoy trabajos que aborden su estudio desde una perspectiva climatológica para el conjunto de su territorio. La principal razón de esta ausencia ha sido la falta de datos meteorológicos y del manto de nieve suficientes para obtener una visión global y relativa a todas las bandas altitudinales, problema que afecta a la gran mayoría de las cadenas montañosas del mundo. El presente trabajo aborda la problemática de la falta de datos de campo mediante el uso de modelos de base física y de la teledetección por satélite. Se han utilizado las salidas del modelo numérico mesoatmosférico Weather Research and Forecast (WRF), como forzamiento meteorológico del modelo de balance de masa y energía del manto de nieve Flexible Snow Model (FSM). La simulación atmosférica cubre el periodo 1979-2014 con una resolución espacial de 0.088º (~10 km). Previamente al acoplamiento de WRF con FSM, se han proyectado las variables de superficie de WRF a diferentes bandas altitudinales mediante el uso de gradientes de temperatura y un conjunto de fórmulas radiativas y psicrométricas. De esta manera se ha construido una base de datos semidistribuida de espesor (SD) y equivalente en agua de nieve (SWE) a resolución diaria de toda la península ibérica que cubre el rango altitudinal de 500 a 2900 m s.n.m a intervalos de 100 m. Para la validación se han utilizado imágenes de covertura de nieve procedentes del sensor MODIS y las series de observaciones existentes sobre la península ibérica procedentes de telenivometros. Los resultados obtenidos en la comparación con MODIS indican un error de 6,07% y un R2 =0,76 en los valores de probabilidad de nieve y unos valores de índice kappa generalmente por encima de 0,6 en comparación con las observaciones para la mayoría de los percentiles de acumulación comparados. Estos resultados prueban la consistencia temporal y espacial de la base de datos en comparación con las observaciones. De esta manera, la base de datos generada es capaz de reproducir la variabilidad interanual e intranual del manto de nieve, siendo potencialmente útil para una gran cantidad de estudios hidroclimatológicos, gestión del territorio, turismo de invierno, ecología o riesgos asociados a la nieve entre otros. Gracias a la nueva base de datos generada, ha sido posible estudiar los diferentes comportamientos que presenta el manto de nieve sobre las cinco principales cordilleras de la península ibérica (Cordillera Cantábrica, Sistema Central, Sistema Ibérico, Pirineos y Sierra Nevada.). De esta manera se ha realizado la primera climatología del manto de nieve de la península ibérica. Primero, se calculó el máximo de acumulación medio, la duración media de cada temporada y el coeficiente de variación interanual de los máximos de acumulación para cada celda y cada elevación de toda la base de datos. Posteriormente se utilizó la técnica de agrupamiento k-means para encontrar zonas En cada cordillera con un comportamiento climático similar. También se estudió como varían los valores de probabilidad de nieve y coeficiente de variación en función de la altura para cada cordillera, así como la variabilidad existente dentro de cada zona de montaña. Los resultados mostraron cómo los diferentes comportamientos del manto de nieve encontrados se distribuyen de manera desigual a lo largo del rango altitudinal de cada cordillera. Los valores de nieve encontrados por encima de 1000 m s.n.m. comienzan mostrando un carácter efímero o prácticamente inexistente, incrementándose progresivamente en altitud hasta encontrar en las cotas más elevadas mantos de nieve de gran duración y espesor (alcanzándose los 200 días de presencia de nieve y más de 3 metros de espesor). Los índices de nieve calculados sugieren que, en términos de bandas altitudinales, la Cordillera Cantábrica y los Pirineos presentan los mantos de nieve de mayor magnitud y duración, seguidos del Sistema Central e Ibérico. Sierra Nevada mostró las temporadas más cortas y mantos de nieve menos profundos a iguales altitudes que las anteriores cordilleras, y una mayor variabilidad interanual. La precipitación y temperatura de invierno de la península ibérica se ven altamente afectadas por los patrones sinópticos asociados a la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y por lo tanto han de tener necesariamente influencia en la variabilidad interanual del manto de nieve. Hemos estudiado la influencia que tiene la NAO en la duración y la magnitud del manto de nieve en la península ibérica así como los patrones espaciales de esta relación. Para ello se calcularon, a partir de la base de datos anteriormente descrita las series de máxima acumulación y duración anual, correlacionando estas con el valor medio de la NAO de los meses de Diciembre, Enero, Febrero y Marzo (DJFM-NAO). Los resultados muestran valores muy altos de correlación negativa en todas las principales cordilleras de la península ibérica. Esto es particularmente evidente en las vertientes sur de las cordilleras que están más expuestas a las advecciones de componente suroeste y oeste, que son frecuentes durante las fases negativas del índice DJFM-NAO. Dicha diferencia entre vertientes quedó corroborada al aplicar un test estadístico no paramétrico (test Wilcoxon-Mann-Whitney) entre los valores de correlación de los índices del manto de nieve y la DJFM-NAO de ambas vertientes. Únicamente en Sierra Nevada no se encontraron diferencias entre distintas vertientes. Además se han detectado distintos niveles de correlación según longitud geográfica y la elevación, siendo en general las correlaciones más elevadas en cotas altas y en las zonas occidentales de las cordilleras. Estos resultados abren la puerta a una potencial predicción a medio plazo de la magnitud y duración del manto de nieve a alta resolución espacial, a la vez que demuestran la importancia de la existencia de series largas a la hora de detectar tendencias temporales y espaciales de la duración y magnitud del manto de nieve. Para finalizar, se ha estudiado la respuesta del manto de nieve a la variabilidad climática en diferentes bandas altitudinales. Se realizaron simulaciones del manto de nieve mediante FSM con perturbaciones progresivas en el forzamiento meteorológico simulado mediante WRF. Las perturbaciones fueron de 0-4 ºC de temperatura en incrementos de 0.5 ºC, 0-40 Wm-2 de radiación de onda corta con incrementos de 5 Wm-2 y ± 20% con incrementos de 5%, realizando simulaciones dentro de esos rangos de perturbación en todas las posibles combinaciones. De las nuevas series de SWE generadas se calcularon las series de máximo anual de SWE, duración de la temporada de nieve y tasa de fusión media anual, para calcular y promediar los cambios porcentuales de los índices. Los resultados han mostrado diferentes sensibilidades a la variabilidad climática, pero siempre con importantes pérdidas de magnitud y duración del manto de nieve asociadas a un calentamiento térmico e incremento de la radiación solar, a todas las alturas y zonas de estudio, e incluso en las situaciones de mayor incremento de precipitación. Los valores de sensibilidad de las tasas de fusión fueron mayoritariamente negativos, sugiriendo periodos de fusión más largos y menos intensos, con obvias repercusiones en la hidrología de las zonas influenciadas por la fusión de nieve.