Modelacin del Impacto de cambios climticos y ambientales

Modelación del Impacto de cambios climáticos y ambientales en recursos hídricos y servicios ecosistémicos de Puerto Rico Lago de Loíza, Puerto Rico 1994 Lago de Loíza, Puerto Rico 1996 Webinar: Comunidad para la Información Espacial e Hidrográfica en Latinoamérica y el Caribe Keren J. Cepero Pérez 15 de abril 2015

Contenido I. Introducción • Objetivos • Area de interes • Investigaciones previas II. Metodología • Modelo de cuenca hidrológica • Data • Simulaciones III. Resultados, Discusión y Conclusión • Históricos • Proyecciones climática IV. Demostración de modelo en internet • Estados Unidos • México • Rwanda

Caribe

¿Por que el Caribe? ●Modelos Climaticos sugieren ● Aumento de temperatura ● Aumento en la duración de la temporada seca ● Eventos de lluvia cortos e intensos ● Susceptibilidad del Caribe al Cambios Climáticos ● Pequeñas masas de tierra aisladas con capacidad de almacenamiento de agua limitada ● Aumento en demanda de agua en zonas urbanas ● Base económica limitada ●Turismo

Objectivos ● Utilizar herramientas geoespaciales para evaluar posibles impactos a largo plazo ● Cambios climáticos ● Uso y manejo de terrenos ● Suministro y demanda de agua ● Proveer metodología y herramientas para asistir manejo de recursos hídricos ● Acceso a Servicio Simulaciones SIG en Internet Wa. SSI

Preguntas de interés ● ¿Cuales cuencas hídricas son más vulnerables a cambios climáticos y/u otros parámetros? ● ¿Con cuánta eficiencia podemos evaluar condiciones presentes e históricas? ● Cuantificar incertidumbre incorporada por cada parámetros ● ¿Como las proyecciones climáticas podrían afectar el suministro de agua en cuencas de mayor relevancia? ● Altas en Biodiversidad ●El Bosque Nacional Lluvioso, El Yunque ● Mayor demanda de agua ●Zonas urbanas

Área de interés ● Clima Tropical Marítimo Temperaturas 19. 4 - 29. 7°C ● Vientos Alisios (NE) (66. 9 - 85. 5°F) ● Zonas secas y semiáridas; Rios Intermitentes Precipitación anual promedio ● Zonas Humedas; 1686. 6 mm (66. 4 in) ●Rios Perennes ● Frente Fríos y Depresiones Tropicales Carso Cordillera Central Bosque Seco Precipitación 1000 mm Sombra de lluvia Fuente de mapas http: //caribbeanlcc. org/interactive-map/ Bosque Lluvioso Precipitación 4000 mm

Área de interés ●Economía Industrial y Servicios ●Expansión urbana alrededor de zonas metropolitanas ● 40% isla está experimentando desparrame urbano Fuente de Mapas http: //caribbeanlcc. org/interactive-map/

Hipótesis ● Análisis y herramientas geoespaciales pueden ser utilizadas para evaluar como recursos hídricos responden a cambios climáticos y ambientales. ● A pesar de la limitacion en calidad y cantidad de data ● Cuencas en el suroeste y cuencas que proveen agua a áreas densamente pobladas tendrán un nivel de estrés mayor. ● Parámetros climáticos son la fuente mayor de incertidumbre. ● Temperatura ● Precipitación

Estrategia de Investigación Índice de Estrés del Suministro de Agua y Servicios Ecosistémicos (Water Supply Stress Index , Wa. SSI). Este es un modelo integrado que puede ser utilizado para proyectar efectos regionales de cambios en: ● cubierta forestal de terreno ● cambio climático ● extracción de agua en las corrientes, ● estrés de suministro de agua ● productividad del ecosistema

Componentes de Wa. SSI ● Módulo de Balance Hídrico ● Módulo de Productividad de Ecosistemas ● Módulo Suministro y Demanda de Aguas

Módulo de Balance Hídrico Calcula el balance hídrico independientemente para cada clase de cubierta de terreno presente en la cuenca hidrográfica o celda cuadriculada. ●Evapotranspiración: Basada en relaciones empíricas derivadas de medidas de covarianza turbulenta de múltiples sitios. ●Precipitación ●Leaf area index (LAI)= Caracterizar follaje ●Evapotranspiración Potencial; Método de Hamon (PEThamon), ●Requiere poca data y es efectivo para estimados mensuales y anuales

Módulo de Balance Hídrico ● Infiltración, humedad de suelos, escorrentía y flujo base son calculados con los Algoritmos del Sacramento Soil Moisture Accounting Model (SAC-SMA). ● SAC-SMA es un modelo de precipitación y escorrentía desarrollado por Servicio Nacional De Meteorología de los Estados Unidos.

Módulo de Balance Hídrico Sacramento Soil and Moisture Accounting Model SAM-SMA Information Fuente de Imagen

Módulo de Productividad de Ecosistemas Calcula dinámicas de carbono entre ecosistemas terrestres y la atmósfera. NEE=GEP−Re Donde: ● NEE es el intercambio neto del ecosistema ● GEP es la productividad bruta del ecosistema o asimilación fotosintética del carbono por follaje ● Re es la respiración del ecosistema

Módulo de Suministro y Demanda de Agua Dirige y acumula la producción de agua a través de la red fluvial. Resta el consumo de agua humano de los caudales fluviales. Compara el suministro y demanda de agua. Wa. SSI = Demanda / Suministro

Esfuerzos previos ● Wa. SSI ha sido aplicado exitosamente en los Estados Unidos, Ruanda y México. ● Proyecciones de Suministro de agua ●Cambios población ● Cambios de cobertura y uso de terrenos ● Cambios en permeabilidad de terrenos ● Proyecciones Ecosistemas y Biodiversidad ● Riqueza de peces

Data Requerida Cuencas y Red Fluvial Suelos Cobertura de Terreno Indice de Area Foliar (Leaf Area Index) Data Climática Histórica y Proyectada Impermeabilidad de Terreno

Resumen de Data

Data Wa. SSI ejecuta sus cálculos a nivel de cuenca. Todos los inputs son evaluados con la técnica area-weighted averaging en SIG. Este Proceso añade uniformidad a la data. Raw Data Wa. SSI Input Data Processing

Experimentos ● Escenarios Históricos ● Impacto en cambio en cobertura de terreno ● Impacto en resolución espacial de datos de suelos ●Escenarios Proyectados Proyecciones Climáticas

Simulaciones Escenarios Históricos Marco Temporal 1 Histórica 2 Historica 3 Historica 4 Historica Cobertura de Terreno 1977 2001 Datos de Suelos Data Climática SSURGO STATSGO PRISM (1964 -1995) Escenarios Proyectados Plazo temporal Cobertura de Terreno 3 Baseline 2001 5 Proyecciones 2035 2001 6 Proyecciones 2065 2001 7 Proyecciones 2100 2001 Datos de Suelos Data Climática SSURGO PRISM (1964 -1995) CMIP 5 RCP 4. 5 2035 CMIP 5 RCP 4. 5 2065 CMIP 5 RCP 4. 5 2099

Resultados: Escenarios Históricos ● Impacto del cambio de cobertura de terrenos ● Cuando los bosques aumentan ● La evapotranspiración aumenta ● La escorrentía y caudal de río disminuye ● 1970’s a los 2000’s la cobertura de bosque aumentó al menos un 13% ● Bosque secundario reemplazo terrenos agrícolas abandonados.

Resultados: Escenarios Históricos http: //waterwatch. usgs. gov/index. php? r=21&id=statesum

Resultados: Escenarios Históricos ● Parámetros basados en SSURGO (alta resolución) ● Aumento en escorrentía y caudal ● Disminución en Evapotranspiración ● Parámetros basados en STATSGO (baja resolución) ● Parcialidad negativa y menor precisión en la escorrentía ● Subestima el impacto potencial en cambios de cobertura de terreno (Mednick, 2010)

Resultados: Escenarios Proyectados ● Impacto de Proyecciones Climáticas en: ● Escorrentía Promedio Anual ● Evapotranspiración Promedio Anual ● Caudal o flujo Promedio Anual

Resultados: Escenarios Proyectados Escorrentías

Resultados: Escenarios Proyectados Flujo

Resultados: Escenarios Proyectados Evapotranspiración

Conclución ● Wa. SSI capturó la variabilidad espacial de escorrentía, flujo y evapotranspiración alrededor de la isla. ● Simulaciones reflejaron impacto del cambio de terreno y resolución espacial de la data de suelos al balance hídrico. ● Cuencas en el sur y suroeste de la isla mostraron el mayor impacto en respuesta al cambio climático. ● Calibración y validación con observaciones es necesaria para cuantificar la efectividad del modelo. ● Otras proyecciones climáticas son necesarias para tener un mejor entendimiento de los futuros retos que Puerto Rico el Caribe podrían enfrentar.

Retos y Limitaciones ●Data Climática ●Proyecciones de suministro y demanda de agua ● Falta de proyecciones poblacionales ●Suministro entre cuencas y represas ● Puerto Rico cuenta con acueducto que infraestructura que transporta agua (42 millones de gal/dia) desde la zona norte hasta la zona metropolitana de San Juan.

¿Que queda por hacer? ● Módulo de Productividad Ecosistémica ● Módulo de Suministro y Demanda de Agua ● Parameterización Dinámica ● ● Cobertura y uso de terrenos Leaf Area Index Impermeabilidad de terrenos Data Climática

Cuencas de Mayor Relevancia

Cuencas de Mayor Relevancia Cuencas del Bosque Lluvioso El Yunque; Zona de alta biodiversidad

Cuencas de Mayor Relevancia Cuencas del Lago Loíza; Provee agua la zona de metropolitana de San Juan.

Agradecimientos NC State University Dra. Helena Mitasova Dr. Stacy Nelson Dr. Ryan Emanuel Dr. Fredrick Semazzi US Forest Service : Eastern Forest Threats Erika Cohen Peter Caldwell

Como acceder Wa. SSI ● Wa. SSIweb ● Guía de Usuario: Wa. SSI – Un Modelo de los Servicios Ecosistémicos.

Referencias Sun, G. , et al. 2008. Impacts of Multiple Stresses on Water Demand Supply across the Southeastern United States. Journal of American Water Resources Association 44(6): 1441 -1457 Sun, G. , et al. 2011, Upscaling key ecosystem functions across the conterminous United States by a water-centric ecosystem model, Journal of Geophysical Research, 116, G 00 J 05 Caldwell, P. V. , et al. 2011. Modeling Impacts of Environmental Change on Ecosystem Services across the Conterminous United States, in Medley, C. N. , Patterson, Glenn, and Parker, M. J. (eds) Observing, studying, and managing for change. Proceedings of the Fourth Interagency Conference on Research in the Watersheds: U. S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2011 -5169, 202 p. Lockaby, G. , Nagy, C. , Vose, J. M. , Ford, C. R. , Sun, G. , Mc. Nulty, S. , Caldwell, P. , Cohen, E. , and Moore Myers, J. A. : Water and Forests, in Wear D. N. and Greis J. G. (eds. ) The Southern Forest Futures Project: Technical Report, USDA Forest Service, Southern Research Station, Asheville, NC. , General Technical Report, 2011.

Referencias Averyt, K. , Fisher, J. , Huber-Lee, A. , Lewis, A. , Macknick, J. , Madden, N. , Rogers, J. , and Tellinghuisen, S. : Freshwater use by U. S. power plants: Electricity's thirst for a precious resource, A report of the Energy and Water in a Warming World initiative, Cambridge, MA, Union of Concerned Scientists, 2011. Caldwell, P. V. , Sun, G. , Mc. Nulty, S. G. , Cohen, E. C. , and Moore Myers, J. A. : Impacts of impervious cover, water withdrawals, and climate change on river flows in the conterminous US, Hydrol. Earth Syst. Sci. , 16, 2839 -2857, 2012. Tavernia, B. G. , M. D. Nelson, P. Caldwell, and G. Sun, 2013. Water Stress Projections for the Northeastern and Midwestern United States in 2060: Anthropogenic and Ecological Consequences. Journal of the American Water Resources Association (JAWRA) 49(4): 938 -952. DOI: 10. 1111/jawr. 12075.