Tool4Extreme

PID2020-118797RB-I00

En els últims anys s'han accentuat els fenòmens meteorològics extrems, i s'han revelat tendències regionals i locals de calfament i canvis en els patrons de pluja en la conca mediterrània de la Península Ibèrica (IMB, de l'anglés). Aquest projecte multidisciplinari i interdisciplinari té com a objectius: l'avaluació de les tendències associades al canvi climàtic, per a tota la IMB, principalment en termes de dues Variables Climàtiques Essencials (definides pel Sistema Mundial d'Observació del Clima), temperatura i precipitació; el monitoratge d'aquestes variables mitjançant dades observades a nivell superficial i satel·litaris, i el seu pronòstic a curt i mitjà termini; i l'estudi de fenòmens extrems associats i de l'impacte de les tendències observades. Per a això s'utilitzaran tècniques avançades de: reconstrucció-homogeneïtzació de dades observades, teledetecció, modelització i predicció. Amb aquests propòsits, plenament emmarcats dins del Repte 5 de "Canvi climàtic i utilització de recursos i matèries primeres", les principals aportacions i novetats del projecte seran: (1) l'estudi de tendències locals en tota la IMB, amb àmplia variabilitat de condicions i patrons de canvi, i els seus impactes; (2) el desenvolupament de noves tècniques avançades, tant de teledetecció per a un ampli conjunt de missions (incloent les més recents) com de reconstrucció de sèries observades i reducció d'escala; (3) un ampli conjunt de productes satel·litaris de variables climàtiques i associades (precipitacions, temperatures de la superfície terrestre i oceànica, temperatura de l'aire, índexs de vegetació, humitat del sòl i contingut d'aigua en la vegetació); (4) el monitoratge de variables climàtiques mitjançant dades observades i productes de teledetecció per a períodes extensos; (5) el pronòstic de temperatures diàries i precipitacions a alta resolució espacial a curt i mitjà termini; (6) l'estudi i pronòstic de fenòmens extrems, amb comparacions creuades entre models estadístics i mesoescalars, i dades observades i de satèl·lit; (7) l'anàlisi de sèries temporals de temperatures marines donat el seu impacte en la precipitació; i (8) l'estudi de tendències en la freqüència de nits tropicals i els efectes d'illa de calor en zones urbanes. Aquest projecte proporcionarà, a més de nous avanços científics-tècnics, eines (cartografies de canvi, índexs d'impacte i pronòstics) per a millorar la gestió dels efectes del canvi climàtic en la IMB i dels sistemes d'alerta d'esdeveniments extrems, per a l'activació de protocols d'intervenció social i ambiental. Per a això, el projecte compta tant amb la col·laboració de les administracions públiques com de diferents entitats nacionals i internacionals de rellevància en els camps d'estudi del canvi climàtic i dels satèl·lits d'observació de la Terra.

teledetecció, canvi climàtic, tendències climàtiques

Lluís Pérez Planells (Karlsruhe Institue of Technology, Alemania)

Igor Gómez Doménech (Universidad de Alicante)

María Yolanda Luna Rico (Agencia Estatal de Meteorología)

Fernando Belda Esplugues (Agencia Estatal de Meteorología)

Deliang Chen (University of Gothenburg, Suecia)

Frank Michael Göttsche (Karlsruhe Institue of Technology, Alemania)

Raúl Eduardo Rivas (Instituto de Hidrología de Llanuras, Comisión de Investigaciones Científicas, Argentina)

María Jesús Barberà Bisbal (VAERSA)

Raquel Niclòs
Departament de Física de la Terra y Termodinàmica
Facultat de Física. Campus de Burjassot. Bloc C.
C/. Doctor Moliner, 50.
46100 Burjassot - Valencia (Spain)

E-mail: Raquel.Niclos@uv.es

Secretaria del Departament de Física de la Terra y Termodinàmica
Telèfon: (+34) 96 354 43 50
Fax: (+34) 96 354 33 85

• Ministeri de Ciència e Innovació

• Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
• Centre d’Estudis Ambientals del Mediterrani (CEAM)
• University of Gothenburg, Suecia
• Instituto de Hidrología de Llanuras, Comisión de Investigaciones Científicas, Argentina
• Agència Estatal de Meteorologia (AEMET)
• Universitat d'Alacant
• VAERSA

ADQUISICIÓ DE DADES DE REFERÈNCIA I CALIBRACIÓ/VALIDACIÓ DE SENSORS SATEL·LITALS I DE PRODUCTES DE TEMPERATURA SUPERFICIAL TERRESTRE OBTINGUTS DES DE SATÈL·LIT

Al llarg del present projecte, l'equip ha realitzat mesures radiomètriques amb radiòmetres tèrmics en zones experimentals (com els arrossars de València o una zona de matoll frondós a Cortes de Pallars). Amb aquestes dades s'han calibrat sensors tèrmics de recent llançament (com L9 TIRS-2 i Sentinel-3A/B SLSTR) i s'han dut a terme validacions de diferents productes de temperatura superficial terrestre (LST) obtinguts des de satèl·lit.

Les activitats de validació són necessàries per establir la precisió i exactitud real de les estimacions de LST des de satèl·lit. La figura següent mostra les zones de validació de productes LST utilitzades en la Península Ibèrica. En cada zona, l’emissivitat de la superfície es modela segons la naturalesa d'aquesta i l'evolució estacional de la vegetació. Així, es pot aplicar el mètode R-based per validar productes LST proporcionats per diversos satèl·lits (EOS-MODIS, Sentinel-3 SLSTR, MetOp AVHRR/3, etc.) en una varietat de zones al llarg del temps.

Zones de validació de productes satel·litals de temperatura de la superfície terrestre (LST) a la Península Ibèrica.

Així, per exemple, s'han validat els productes LST del satèl·lit MODIS (Terra i Aqua) MD11 i MD21. Els resultats globals indicaren una desviació sistemàtica dins de ±0,5 K i un error estàndard al voltant d'1,0 K per a ambdós productes, la qual cosa confirma la bona qualitat dels productes LST de MODIS (Coll et al. 2024; https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3454377).

En la figura següent es mostren els resultats de la validació de diferents algoritmes per obtindre la LST a partir de les dades proporcionades pel sensor satel·lital Landsat 9-TIRS2, tant les dades originalment proporcionades per la NASA com les proporcionades posteriorment després del reprocessament generat en 2023 (Niclòs et al., 2023, https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103576).

Resultats de la validació de diferents algoritmes per obtindre la LST a partir de les dades proporcionades pel sensor satel·lital Landsat 9-TIRS2, tant les dades originalment proporcionades per la NASA com les posteriorment proporcionades després del reprocessament generat en 2023 (Niclòs et al., 2023, https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103576).

També s'ha validat un nou algoritme SW dependent de l'emissivitat per als sensors SLSTR a bord dels satèl·lits Sentinel-3A i 3B a la zona dels arrossars de l'Albufera de València, i s'ha comparat amb el producte LST proporcionat per Copernicus. Per a això s'han utilitzat dades in situ adquirides des d'una estació permanent amb un radiòmetre infraroig tèrmic (TIR) de banda ampla. La figura següent mostra els resultats més rellevants de la validació.

Resultats de la validació d'un nou algoritme SW desenvolupat per al sensor SLSTR a bord de les plataformes Sentinel-3A i 3B, i comparació amb els resultats del producte operatiu proporcionats pel sistema Copernicus.

Els resultats de validació per a l'algoritme alternatiu mostraren una incertesa sistemàtica (mediana) de 0,11 i 0,25 K i una precisió (desviació estàndard robusta, RSD) de 0,88 i 0,79 K per a Sentinel-3A i -3B, respectivament. Per al producte operacional LST SLSTR, es va obtindre una incertesa sistemàtica d'1,56 i 2,0 K i una precisió de 0,92 i 0,82 K per a Sentinel-3A i -3B, respectivament. No es van observar diferències significatives entre les dades de cada plataforma. Ambdues plataformes (Sentinel-3A i -3B) compleixen el llindar del GCOS (<1K) en el cas de la RSD, però no en el cas de la mediana, ja que superen el llindar establit.

També s'han validat dades de la iniciativa CCI de l'Agència Espacial Europea, com es mostra en la figura següent. Actualment estem implicats en el Climate Research Group (CRG) del projecte CCI LST.

Avaluació de LSTs obtingudes a partir de dades MODIS en EOS-Aqua (esquerra) i EOS-Terra (dreta) utilitzant productes operatius (MYD/MOD21, amb algoritme de tipus TES, i MYD/MOD11_L2, amb algoritme de tipus split-window) i productes de la iniciativa ESA CCI LST (versions 1 a 3) enfront de dades veritat-terreny adquirides amb radiòmetres al llarg de transsectes en la zona experimental dels arrossars pròxims a la ciutat de València (Niclòs et al., 2022; Good et al., 2022).

VALIDACIÓ DE PRODUCTES D'ESTIMACIÓ DE LA PRECIPITACIÓ DES DE SATÈL·LITS

S'ha analitzat l'exactitud i precisió de diversos productes de mesura de la precipitació sobre la part oriental de la Península Ibèrica, fonamentalment els productes CMORPH, IMERG i MSWEP, mitjançant la seua comparació amb mesures de precipitació en superfície corresponents a la xarxa de pluviòmetres d'AEMET. L'anàlisi d'aquests productes s'ha realitzat després d'una revisió de les característiques dels diversos models i productes disponibles en la bibliografia. El resultat de l'anàlisi suggereix que el mètode més adequat, en relació a la zona d'estudi, és el mètode MSWEP, el resultat del qual es mostra en la figura següent en termes de RMSE respecte a les dades d'AEMET.

Distribució de l'error RMSE de MSWEP respecte a les dades d'estació d'AEMET (promitjades per píxel) a nivell diari per al període 1979-2020 (García-Ten et al., 2023).

VALIDACIÓ DE PRODUCTES D'ESTIMACIÓ DE LA HUMITAT DEL SÒL DES DE SATÈL·LITS

La humitat del sòl o SM (Soil Moisture) és una variable hidrològica clau que reflecteix el contingut d'aigua d'una capa específica del sòl. El seu estudi és essencial per a nombroses aplicacions meteorològiques, climatològiques i hidrològiques, així com per a la predicció d'esdeveniments climàtics extrems. Una de les conseqüències de la variabilitat en la precipitació és el canvi en la humitat dels sòls que incideix directament en la seua qualitat, en la viabilitat dels cultius i en les necessitats d'irrigació. Per això, el monitoratge global de l'SM mitjançant satèl·lits és fonamental, assolint una resolució espacial i temporal adequada.

També s'ha validat i comparat un conjunt de productes de teledetecció destinats a mesurar des de satèl·lit la humitat dels sòls, en concret, les dades d’SM superficial de diversos sensors espacials (ASCAT, SMAP, SMOS i CCI) mitjançant observacions de camp al nord-est de la península Ibèrica i al sud de França durant un període de 7 anys (2015-2022). Els resultats mostren que SMAP és la missió més consistent i precisa, seguida del CCI, mentre que ASCAT i SMOS presenten les majors incerteses i menors correlacions, respectivament, com es pot observar en la figura següent.

Diagrames de dispersió i ajustos lineals resultants de la validació entre les mesures d'SM in situ i els productes satel·litals.

OBTENCIÓ DE LA TEMPERATURA DE L'AIRE A PARTIR DE DADES LST DE SATÈL·LIT

La temperatura de l'aire a nivell superficial és catalogada com una variable climàtica essencial pel Sistema Mundial d'Observació del Clima (GCOS), fet que ressalta la importància del seu monitoratge en el context actual de canvi climàtic. Actualment, les mesures d'aquesta temperatura s'obtenen principalment en estacions meteorològiques, és a dir, dades espacialment discretes.

Per tal d’estudiar aquesta variable de forma contínua, en aquest treball s'ha obtingut la temperatura de l'aire a partir de dades de satèl·lit, dades de reanàlisi i dades geogràfiques i topogràfiques. S'han implementat tres tipus de mètodes diferents: equacions prèviament publicades, mètodes lineals i mètodes no lineals, amb l'objectiu de comparar-los i determinar quin és el més precís.

En la figura adjunta podem observar les incerteses (RRMSE, error quadràtic mitjà robust) dels models més precisos per a cada un dels mètodes. Per a les equacions prèviament publicades, es tracta de les expressions D.6 i N.1 publicades en Niclòs et al. (2014). Per als mètodes lineals, l’OLS (mínims quadrats ordinaris). Finalment, per als mètodes no lineals, el mètode XGB (reforç de gradients extrem).

Errors quadràtics mitjans robustos dels diferents models analitzats per obtindre la SAT de dia i de nit (Vedrí et al., 2025; doi.org/10.1016/j.jag.2025.104380)

Tant per a les temperatures diürnes (a) com nocturnes (b), s'observa que el mètode no lineal XGB és el més precís per a l'obtenció de la temperatura de l'aire a nivell superficial.

ANÀLISI DE TENDÈNCIES EN TEMPERATURES SUPERFICIALS TERRESTRES

Durant aquest projecte hem analitzat tendències en les temperatures superficials terrestres basant-nos en el producte ESA Climate Change Initiative LST (LST_CCI) derivat de les dades d'EOS-Aqua MODIS. Aquestes tendències es mostren en les figures següents. S'observen tendències d'augment de la temperatura durant el període 2002-2018. Aquestes tendències són significatives a nivell anual en més d'una cinquena part de la Península durant el dia, amb una mitjana de 0,10⁰C/any, i en més d'una tercera part durant la nit, amb una mitjana de 0,07⁰C/any. En la figura següent es mostra, com a exemple, les tendències observades per als mesos d'hivern, on s'han observat increments significatius de la temperatura.

Figura A

Figura B

Tendències de LST diürna (a) i nocturna (b) a la Península Ibèrica per a l'hivern obtingudes a partir de la sèrie de dades del període 2002-2018 del producte de LST de CCI derivat de les dades d'EOS-Aqua MODIS (resolució espacial 1 km).

ANÀLISI DE TENDÈNCIES EN NITS TROPICALS

Així mateix, hem estudiat tendències en les nits tropicals. Les nits tropicals es defineixen com aquelles en les quals la temperatura mínima no baixa dels 20 °C. A la Península Ibèrica, en analitzar les dades de temperatura de l'aire dels últims 70 anys, hem observat un augment d’aquestes, com s'aprecia en la figura següent. Les tendències apareixen principalment en el vessant mediterrani i a les valls del Guadalquivir i de l'Ebre, on poden assolir valors superiors a 5 dies per dècada, és a dir, un increment de més d'un mes de nits tropicals des de l'inici del període d'estudi.

Tendència d'augment de nits tropicals per dècada durant l'estiu a la Península Ibèrica. Estudi realitzat amb la sèrie de dades dels últims 70 anys del producte ERA5-Land (resolució espacial 5 km).

ANÀLISI DE TENDÈNCIES I EXTREMS EN LA PRECIPITACIÓ

S'han analitzat de manera espacialitzada els extrems en la precipitació en l'àrea Peninsular, especialment les tendències en sequeres i en precipitacions torrencials. La figura següent mostra els canvis en la intensitat de la precipitació.

Canvi relatiu (tendència multiplicada pel nombre d'anys i dividida pel valor mitjà) en l'índex Simple Day Intensity Index (precipitació anual dividida pel nombre de dies humits) utilitzant dades de MSWEP per al període 2001-2020.

Podem apreciar que la torrencialitat ha augmentat en bona part del litoral nord, a l'interior de la conca de l'Ebre, a tota la Comunitat Valenciana i a Almeria, mentre que s'ha reduït a Cadis, a la Meseta Central i en parts de la frontera amb Portugal. Els canvis més pronunciats s'han donat al vessant mediterrani, amb increments de fins al 60%, fet que incita a augmentar la precaució davant d’esdeveniments extrems.

TENDÈNCIES EN PRECIPITACIÓ EN DADES OBSERVADES: SEQUERES EN LA CAPÇALERA DELS NOSTRES RIUS

Les capçaleres dels nostres rius s'estan assecant. Mitjançant un estudi que utilitza dades d'un període de 70 anys, hem detectat una pèrdua de precipitacions considerable en dues zones clau per a la Comunitat Valenciana: l'àrea del Sistema Ibèric, on naixen els rius Xúquer i Túria, i l'àrea del Sistema Bètic, on naix el riu Segura. A més, aquestes zones també alberguen el naixement de rius com el Tajo i el Guadalquivir, les aigües dels quals aboquen a l'oceà Atlàntic i són de vital importància per a les regions per on transcorren.

Tendències significatives (període 1952-2021), pendents de canvi en els volums de les precipitacions anuals (en mm/any i relatives) per al Sistema Ibèric (Miró et al., 2023; https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.106695).

Sèrie temporal dels valors mitjans diaris de l'SPEI en l'escala temporal de 36 mesos per al període 1952-2021 i totes les estacions meteorològiques de la Confederació Hidrogràfica del Tajo (Miró et al., 2023; https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.106695)

COM CANVIARAN LES TEMPERATURES A ESPANYA EN EL FUTUR?

El canvi climàtic està transformant el nostre planeta, i Espanya no és una excepció. Segons les projeccions obtingudes a partir de 16 models climàtics dins del marc de la iniciativa Euro-CORDEX, les temperatures continuaran augmentant en les pròximes dècades. Aquestes previsions, que arriben a una resolució espacial de 10 km, ens permeten conéixer amb més detall els canvis esperats a escala regional.

Segons les dades, l'interior de la Península patirà el major increment en les temperatures màximes, afectant especialment regions com Madrid, Castella i Lleó, Castella-La Manxa i Extremadura. En aquestes zones, l'escalfament serà més pronunciat en les primeres dècades del segle, assolint el punt màxim a mitjans del segle per a estabilitzar-se posteriorment.

Per contra, les regions del nord d'Espanya (Galícia, Astúries, Cantàbria i el País Basc), junt amb les Illes Balears, experimentaran un escalfament més moderat, encara que serà sostingut fins a finals de segle.

Si analitzem cada estació per separat, les projeccions indiquen que l’estiu i la tardor experimentaran els increments de temperatura més significatius. En el futur pròxim, l’increment més gran s’espera en la tardor, mentre que en el futur mitjà i llunyà, l’estiu serà l’estació amb majors increments.

De mitjana, la tardor podria registrar un augment de 3,4 ºC, i la Comunitat de Madrid seria la més afectada, amb un increment de fins a 3,8 ºC en les temperatures màximes.

Canvi mitjà de la temperatura màxima (ºC) mitjana anual, d’estiu (JJA) i de tardor (SON) per als períodes 2011-2040 (esquerra), 2041-2070 (centre) i 2071-2100 (dreta) respecte al període de referència (1971-2000) en l'escenari RCP4.5. Dades provinents de regionalitzacions dinàmiques generades per la iniciativa Euro-CORDEX (https://cordex.org/) amb models regionals del clima, que proporcionen dades en malla ajustades, amb una resolució aproximada de 10 km (dades obtingudes d’AdapteCCa).

• MCiencia - Innovació