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PID2020-118797RB-I00

En los últimos años se han acentuado los fenómenos meteorológicos extremos, y se han revelado tendencias regionales y locales de calentamiento y cambios en los patrones de lluvia en la cuenca mediterránea de la Península Ibérica (IMB, del inglés). Este proyecto multidisciplinar e interdisciplinar tiene como objetivos: la evaluación de las tendencias asociadas al cambio climático, para toda la IMB, principalmente en términos de dos Variables Climáticas Esenciales (definidas por el Sistema Mundial de Observación del Clima), temperatura y precipitación; el monitoreo de estas variables mediante datos observados a nivel superficial y satelitales, y su pronóstico a corto y medio plazo; y el estudio de fenómenos extremos asociados y del impacto de las tendencias observadas. Para ello se utilizarán técnicas avanzadas de: reconstrucción-homogenización de datos observados, teledetección, modelización y predicción. Con estos propósitos, plenamente enmarcados dentro del Reto 5 de "Cambio climático y utilización de recursos y materias primas", las principales aportaciones y novedades del proyecto serán: (1) el estudio de tendencias locales en toda la IMB, con amplia variabilidad de condiciones y patrones de cambio, y sus impactos; (2) el desarrollo de nuevas técnicas avanzadas, tanto de teledetección para un amplio conjunto de misiones (incluyendo las más recientes) como de reconstrucción de series observadas y reducción de escala; (3) un amplio conjunto de productos satelitales de variables climáticas y asociadas (precipitaciones, temperaturas de la superficie terrestre y oceánica, temperatura del aire, índices de vegetación, humedad del suelo y contenido de agua en la vegetación); (4) la monitorización de variables climáticas mediante datos observados y productos de teledetección para periodos extensos; (5) el pronóstico de temperaturas diarias y precipitaciones a alta resolución espacial a corto y medio plazo; (6) el estudio y pronóstico de fenómenos extremos, con comparaciones cruzadas entre modelos estadísticos y mesoescalares, y datos observados y de satélite; (7) el análisis de series temporales de temperaturas marinas dado su impacto en la precipitación; y (8) el estudio de tendencias en la frecuencia de noches tropicales y los efectos de isla de calor en zonas urbanas. Este proyecto proporcionará, además de nuevos avances científicos-técnicos, herramientas (cartografías de cambio, índices de impacto y pronósticos) para mejorar la gestión de los efectos del cambio climático en la IMB y de los sistemas de alerta de eventos extremos, para la activación de protocolos de intervención social y ambiental. Para ello, el proyecto cuenta tanto con la colaboración de las administraciones públicas como de diferentes entidades nacionales e internacionales de relevancia en los campos de estudio del cambio climático y de los satélites de observación de la Tierra.

teledetección, cambio climático, tendencias climáticas

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
Departamento de Física de la Tierra y Termodinámica
Facultad de Física. Campus de Burjassot. Bloque C.
C/. Doctor Moliner, 50.
46100 Burjassot - Valencia (Spain)

E-mail: Raquel.Niclos@uv.es

Secretaría del Departamento de Física de la Tierra y Termodinámica
Teléfono: (+34) 96 354 43 50
Fax: (+34) 96 354 33 85

• Ministerio de Ciencia e Innovación 

• Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
• Centro de Estudios Ambientales del Mediterráneo (CEAM)
• University of Gothenburg, Suecia
• Instituto de Hidrología de Llanuras, Comisión de Investigaciones Científicas, Argentina
• Agencia Estatal de Meteorología
• Universidad de Alicante
• VAERSA

ADQUISICIÓN DE DATOS DE REFERENCIA Y CALIBRACIÓN/VALIDACIÓN DE SENSORES SATELITALES Y DE PRODUCTOS DE TEMPERATURA SUPERFICIAL TERRESTRE OBTENIDOS DESDE SATÉLITE

A lo largo del presente proyecto, el equipo ha realizado medidas radiométricas con radiómetros térmicos en zonas experimentales (como los arrozales de Valencia o una zona de matorral frondoso en Cortés de Pallás). Usando estos datos se han calibrado sensores térmicos de reciente lanzamiento (como L9 TIRS-2 y Sentinel-3A/B SLSTR) y se han llevado a cabo validaciones de diferentes productos de temperatura superficial terrestre (LST) obtenidos desde satélite. 

Las actividades de validación son necesarias para establecer la precisión y exactitud real de las estimaciones de LST desde satélite. La figura siguiente muestra las zonas de validación de productos LST utilizadas en la Península Ibérica. En cada zona, la emisividad de la superficie se modela según la naturaleza de la misma y la evolución estacional de la vegetación. Con ello, se puede aplicar el método R-based de validación de productos LST proporcionados por distintos satélites (EOS-MODIS, Sentinel-3 SLSTR, MetOp AVHRR/3, etc.) en una variedad de zonas a lo largo del tiempo.

Zonas de validación de productos satelitales de temperatura de la superficie terrestre (LST) en la Península Ibérica.

Así, por ejemplo, se han validado los productos LST del satélite MODIS (Terra y Aqua) M*D11 y M*D21. Los resultados globales indicaron una desviación sistemática dentro de ±0,5 K y un error estándar alrededor de 1,0 K para ambos productos, lo que confirma la buena calidad de los productos LST de MODIS (Coll et al. 2024; https://doi.org/10.1109/TGRS.2024.3454377).

En la figura siguiente se muestran los resultados de la validación de diferentes algoritmos para obtener la LST a partir de los datos proporcionados por el sensor satelital Landsat 9-TIRS2, tanto los datos originalmente proporcionados por la NASA, como los posteriormente proporcionados después del reprocesado generado en 2023 (Niclòs et al., 2023, https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103576).

Resultados de la validación de diferentes algoritmos para obtener la LST a partir de los datos proporcionados por el sensor satelital Landsat 9-TIRS2, tanto los datos originalmente proporcionados por la NASA, como los posteriormente proporcionados después del reprocesado generado en 2023 (Niclòs et al., 2023, https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103576).

También se ha validado un nuevo algoritmo SW dependiente de la emisividad para los sensores SLSTR a bordo de los satélites Sentinel-3A y 3B en la zona de arrozales de la Albufera de Valencia, y se ha comparado con el producto LST proporcionado por Copernicus. Para ello se han usado datos in situ adquiridos desde una estación permanente con un radiómetro infrarrojo térmico (TIR) de banda ancha. La figura siguiente muestra los resultados más relevantes de la validación.

Resultados de la validación de un nuevo algoritmo SW desarrollado para el sensor SLSTR a bordo de las plataformas Sentinel-3A y 3B, y comparación con los resultados del producto operativo proporcionados por el sistema Copernicus.

Los resultados de validación para el algoritmo alternativo mostraron una incertidumbre sistemática (mediana) de 0.11 y 0.25 K y una precisión (desviación estándar robusta, RSD) de 0.88 y 0.79 K para Sentinel-3A y -3B, respectivamente. Para el producto operacional LST SLSTR, se obtuvo una incertidumbre sistemática de 1.56 y 2.0 K y una precisión de 0.92 y 0.82 K para Sentinel-3A y -3B, respectivamente. No se observaron diferencias significativas entre los datos de cada plataforma. Ambas plataformas (Sentinel-3A y -3B) cumplen el umbral del GCOS (<1K) en el caso de la RSD pero no en el caso de la mediana, ya que superan el umbral establecido.

También se han validado datos de la iniciativa CCI de la Agencia Espacial Europea, como se muestra en la figura siguiente. Actualmente estamos implicados en el Climate Research Group (CRG) del proyecto CCI LST.

Evaluación de LSTs obtenidas a partir de datos MODIS en EOS-Aqua (izquierda) y EOS-Terra (derecha) utilizando productos operativos (MYD/MOD21, con algoritmo de tipo TES, y MYD/MOD11_L2, con algoritmo de tipo split-window) y productos de la iniciativa ESA CCI LST (versiones 1 a 3) frente a datos verdad-terreno adquiridos con radiómetros a lo largo de transectos en la zona experimental de los arrozales cercanos a la ciudad de Valencia (Niclòs et al., 2022; Good et al., 2022).

VALIDACIÓN DE PRODUCTOS DE ESTIMACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN DESDE SATÉLITES

Se ha analizado la exactitud y precisión de diversos productos de medida de la precipitación sobre la parte oriental de la Península Ibérica, fundamentalmente los productos CMORPH, IMERG y MSWEP, mediante su comparación con medidas de precipitación en superficie correspondientes a la red de pluviómetros de AEMET. El análisis de estos productos se realizó tras una revisión de las características de los diversos modelos y productos disponibles en la bibliografía. El resultado del análisis sugiere que el método más adecuado, en relación a la zona de estudio, es el método MSWEP, cuyo resultado se muestra en la figura siguiente en términos de RMSE frente a datos AEMET.

Distribución del error RMSE de MSWEP respecto a los datos de AEMET de estación (promediados por píxel) a nivel diario para el periodo 1979-2020 (García-Ten et al, 2023).

VALIDACIÓN DE PRODUCTOS DE ESTIMACIÓN DE LA HUMEDAD DEL SUELO DESDE SATÉLITES

La humedad del suelo o SM (Soil Moisture) es una variable hidrológica clave que refleja el contenido de agua de una capa específica del suelo. Su estudio es esencial para numerosas aplicaciones meteorológicas, climatológicas e hidrológicas, así como para la predicción de eventos climáticos extremos. Una de las consecuencias de la variabilidad en la precipitación es el cambio en la humedad de los suelos que incide directamente en su calidad, en la viabilidad de los cultivos y en las necesidades de irrigación. Por ello, el monitoreo global de la SM mediante satélites es fundamental, alcanzando una resolución espacial y temporal adecuada.

Se ha validado y comparado también un conjunto de productos de teledetección cuya finalidad es medir desde satélite la humedad de los suelos, en concreto, los datos de SM superficial de diversos sensores espaciales (ASCAT, SMAP, SMOS y CCI) mediante observaciones de campo en el noreste de la península Ibérica y el sur de Francia durante un período de 7 años (2015-2022). Los resultados muestran que SMAP es la misión más consistente y precisa, seguida del CCI, mientras que ASCAT y SMOS presentan las mayores incertidumbres y menores correlaciones, respectivamente, como se puede ver en la siguiente figura.

Diagramas de dispersión y ajustes lineales resultantes de la validación entre las mediciones de SM in situ y los productos satelitales.

OBTENCIÓN DE LA TEMPERATURA DEL AIRE A PARTIR DE DATOS LST DE SATÉLITE

La temperatura del aire a nivel de superficie es catalogada como una variable climática esencial por el Sistema Mundial de Observación del Clima (GCOS), lo que resalta la importancia de su monitoreo en el contexto actual de cambio climático. Actualmente, las mediciones de esta temperatura se obtienen principalmente en estaciones meteorológicas, es decir, datos espacialmente discretos.

Para estudiar esta variable de forma continua, en este trabajo se obtuvo la temperatura del aire a partir de datos de satélite, datos de reanálisis y datos geográficos y topográficos. Se implementaron tres tipos de métodos diferentes: ecuaciones previamente publicadas, métodos lineales y métodos no lineales, con el objetivo de compararlos y determinar cuál es el más preciso.

En la figura adjunta podemos observar las incertidumbres (RRMSE, error cuadrático medio robusto) de los modelos más precisos para cada uno de los métodos. Para las ecuaciones previamente publicadas, se trata de las expresiones D.6 y N.1 publicadas en Niclòs et al. (2014). Para los métodos lineales, el OLS (mínimos cuadrados ordinarios). Finalmente, para los métodos no lineales, el método XGB (refuerzo de gradientes extremo).

Errores cuadráticos medios robustos de los diferentes modelos analizados para obtener la SAT de día y de noche (Vedrí et al., 2025; doi.org/10.1016/j.jag.2025.104380)

Tanto para las temperaturas diurnas (a) como nocturnas (b), se observa que el método no lineal XGB es el más preciso para la obtención de la temperatura del aire a nivel de superficie.

ANÁLISIS DE TENDENCIAS EN TEMPERATURAS SUPERFICIALES TERRESTRES

Durante este proyecto hemos analizado tendencias en las temperaturas superficiales terrestres basándonos en el producto ESA Climate Change Initiative LST (LST_CCI) derivado de los datos de EOS-Aqua MODIS. Estas tendencias se muestran en las figuras siguientes. Se observan tendencias de aumento de la temperatura en el período 2002-2018. Estas tendencias son significativas a nivel anual en más de una quinta parte de la Península durante el día, con una media de 0,10⁰C/año, y en más de una tercera parte durante la noche, con una media de 0,07⁰C/año. En la figura siguiente se muestra, a modo de ejemplo, las tendencias observadas para los meses de invierno, donde se ha observado incrementos significativos de la temperatura.

Figura A

Figura B

Tendencias de LST diurna (a) y nocturna (b) en la Península Ibérica para el invierno obtenidas a partir de la serie de datos del período 2002-2018 del producto de LST de CCI derivado de los datos de EOS-Aqua MODIS (resolución espacial 1 km).

ANÁLISIS DE TENDENCIAS EN NOCHES TROPICALES

Asimismo, hemos estudiado tendencias en noches tropicales. Las noches tropicales se definen como aquellas en las que la temperatura mínima no baja de los 20°C. En la Península Ibérica, al analizar los datos de temperatura del aire de los últimos 70 años, hemos observado un aumento de las mismas, como se aprecia en la siguiente figura. Las tendencias aparecen principalmente en la vertiente mediterránea y en los valles del Guadalquivir y del Ebro, donde pueden alcanzar valores superiores a 5 días por década, es decir, un aumento de más de un mes de noches tropicales desde el inicio del período de estudio.

Tendencia de aumento de noches tropicales por década durante el verano en la Península Ibérica. Estudio realizado con la serie de datos de los últimos 70 años del producto ERA5-Land (resolución espacial 5 km).

ANÁLISIS DE TENDENCIAS Y EXTREMOS EN LA PRECIPITACIÓN

Se ha analizado de modo espacializado los extremos en la precipitación en el área Peninsular, en particular las tendencias en sequías y en precipitaciones torrenciales. La siguiente figura muestra los cambios en la intensidad de la precipitación. 

Cambio relativo (tendencia multiplicada por el número de años y dividida por el valor medio) en el índice Simple Day Intensity Index (precipitación anual dividida por el número de días húmedos) utilizando datos de MSWEP para el período 2001-2020.

Podemos apreciar que la torrencialidad ha aumentado en buena parte del litoral norte, en el interior de la cuenca del Ebro, en toda la Comunidad Valenciana y en Almería, mientras que se ha reducido en Cádiz, en la Meseta Central y en partes de la frontera con Portugal. Los cambios más pronunciados se han dado en la vertiente mediterránea, con incrementos de hasta un 60%, lo que incita a aumentar la precaución ante eventos extremos.

TENDENCIAS EN PRECIPITACIÓN EN DATOS OBSERVADOS: SEQUÍAS EN LA CABECERA DE NUESTROS RÍOS

Las cabeceras de nuestros ríos se están secando. A través de un estudio que utiliza datos de un periodo de 70 años, hemos detectado una pérdida de precipitaciones considerable en dos zonas clave para la Comunidad Valenciana: el área del Sistema Ibérico que alberga el nacimiento de los ríos Júcar y Turia, y el área del Sistema Bético donde nace el río Segura. Además, estas zonas también albergan el nacimiento de ríos como el Tajo y el Guadalquivir, cuyas aguas vierten al océano Atlántico y son de vital importancia para las regiones por las que trascurren.

Tendencias significativas (periodo 1952-2021), pendientes de cambio en los volúmenes de las precipitaciones anuales (en mm/año y relativas) para el Sistema Ibérico (Miró et al., 2023;  https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.106695).

Serie temporal de los valores medios diarios del SPEI en la escala temporal de 36 meses para el periodo 1952-2021 y todas las estaciones meteorológicas la Confederación Hidrográfica del Tajo (Miró et al., 2023;  https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2023.106695)

¿CÓMO CAMBIARÁN LAS TEMPERATURAS EN ESPAÑA EN EL FUTURO?

El cambio climático está transformando nuestro planeta, y España no es una excepción. Según las proyecciones obtenidas a partir de 16 modelos climáticos en el marco de la iniciativa Euro-CORDEX, las temperaturas seguirán aumentando en las próximas décadas. Estas previsiones, que alcanzan una resolución espacial de 10 km, nos permiten conocer con mayor detalle los cambios esperados a nivel regional.

Según los datos, el interior de la Península sufrirá el mayor ascenso en las temperaturas máximas, afectando especialmente a regiones como Madrid, Castilla y León, Castilla-La Mancha y Extremadura. En estas zonas, el calentamiento será más pronunciado en las primeras décadas del siglo, alcanzando su punto máximo a mediados de siglo y luego estabilizándose.

Por el contrario, las regiones del norte de España (Galicia, Asturias, Cantabria y el País Vasco), junto con las Islas Baleares, verán un calentamiento más moderado, aunque este será sostenido hasta finales de siglo.

Si analizamos cada estación por separado, las proyecciones indican que el verano y el otoño experimentarán los aumentos de temperatura más significativos. En el futuro cercano, el mayor incremento se espera en otoño, mientras que en el futuro medio y lejano, el verano será la estación con mayores aumentos.

En promedio, el otoño podría registrar un ascenso de 3,4 ºC, y la Comunidad de Madrid sería la más afectada, con una subida de hasta 3,8 ºC en las máximas.

Cambio medio de la temperatura máxima (ºC) media anual, de verano (JJA) y de otoño (SON) para los periodos 2011-2040 (izquierda), 2041-2070 (centro) y 2071-2100 (derecha) respecto al periodo de referencia (1971-2000) en el escenario RCP4.5. Datos provenientes de regionalizaciones dinámicas generadas por la iniciativa Euro-CORDEX (https://cordex.org/) con modelos regionales del clima, que proporcionan datos en rejilla ajustados, con una resolución aproximada de 10 km (datos obtenidos de AdapteCCa).

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