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Modelación Climática;
Cambio Climático &
Agricultura
Carlos Navarro
J. Ramirez, A. Jarvis, C. Cardozo
Introducción
Breve sobre seguridad alimentaria
Parte I
Datos climáticos históricos,
disponibilidad y dificultades
Parte II
Proyecciones Climáticas Futuras para
Agricultura
Parte III
Cómo cuantificar impactos sobre
agricultura?
Parte IV
Bases de Datos CIAT & OpenData
Sources
Conclusiones & Práctica
Contenido
Garantizar la
Seguridad alimentaria
… con menos agua, tierra y
recursos
¿Qué condiciones tendremos en
30, 50, 100 años?
• ¿Cómo responderán
nuestros sistemas a estas
condiciones?
• ¿Cuándo, dónde, y qué tipo
de cambio se requiere para
adaptar?
• ¿Quién debe planear?
¿Quién debe ejecutar?
– Múltiples variables
– Muy alta resolución
espacial (1 km, 90m??).
– Alta resolución temporal
(i.e. mensual, diaria).
– Alta certidumbre ,
previsiones precisas del
tiempo y las proyecciones
climáticas.
• Tanto para presente como
para futuro.
–T°
• Max,
• Min,
• Media
–Prec
–HR
– Radiacion
– Vientos
– …….
Menosimportantes
Mascertidumbre
Parte I
Datos Climáticos
Históricos
¿De dónde puedo obtener
Información Climática?
Fuentes / Métodos / Problemas
Ramírez-Villegas and Challinor, 2012
Entendiendo el Problema…
(1) No hay ninguna estación
meteorológica
(2) Las estaciones meteorológicas
no están en buen estado
(periodos cortos, gaps).
(3) Los datos no están
correctamente almacenados
(4) Los datos no pasan los controles
de calidad básicos
(5) El acceso a los datos está
restringido.
Figure 1 Frequency of use of the different data sources in
agricultural studies based on a review of 247 recordings
from published studies (taken from a comprehensive data
use survey) (Ramirez-Villegas and Challinor 2012)
Qué opciones tengo?
Problemas de exactitud (es decir, falta
de homogeneidad, discontinuidades)
1. Time-step largo (mensual en el mejor de
los casos)
2. Cobertura temporal se limita a un
promedio de varios años
3. Su resolución espacial es demasiado
gruesa;
4. Su cobertura geográfica no es la
suficiente
5. Sólo ciertas variables (es decir,
temperaturas, precipitaciones).
Necesitamos otras en agrícultura.
GHCN (Global Historical
Climatological Network)
• Very robust weather
station dataset
(NOAA)
• Used for many
studies:
– WorldClim
– CRU datasets
– Hockey-stick warming
trend analysis
GHCN (Global Historical Climatological Network)
http://gis.ncdc.noaa.gov/map/viewer
GSOD (Global Summary of Day)
• Version 8 - Over 9000 Worldwide Stations -
Updated Daily
• Some issues Mean temperature (.1 Fahrenheit)
Mean dew point (.1 Fahrenheit)
Mean sea level pressure (.1 mb)
Mean station pressure (.1 mb)
Mean visibility (.1 miles) Mean
wind speed (.1 knots) Maximum
sustained wind speed (.1 knots)
Maximum wind gust (.1 knots)
Maximum temperature (.1
Fahrenheit) Minimum temperature
(.1 Fahrenheit) Precipitation
amount (.01 inches) Snow depth
(.1 inches)
Weather Stations GHCN* /GSOD in CA
* GHCN not adjusted
Estaciones x
variable:
• 47,554
precipitación
• 24,542
tmean
• 14,835
tmax y tmin
-30.1
30.5
Mean annual
temperature (ºC)
0
12084
Annual
precipitation (mm)
WorldClim
Fuentes:
•GHCN
•FAOCLIM
•WMO
•CIAT
•R-Hydronet
•Redes nacionales
http://www.worldclim.org/
http://srtm.csi.cgiar.org/
http://www.cru.uea.ac.uk/
Stations included in WorldClim in CA
Annual Precipitation Patterns & Stations
(WorldClim CA)
CIAT
GHCN
FAO
WMO
Fonts
CIAT
GHCN
FAO
WMO
Fonts
Annual Mean Temperature Patterns & Stations
(WorldClim CA)
Densidad de Estaciones WCL por País en CA
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
DensityoftheTemperatureStations
Density of the Rainfall Stations
0 0.08
Series3
Series4
Series5
Belice
Costa Rica
El Salvador
Guatemala
Honduras
Nicaragua
Panamá
Linear (0 0.08)
Linear (Series3)
Linear (Series5)
Linear (Series5)
Flattopography(WMO)
Flat topography (WMO)
Suficiente detalle?
WMO Guidelines
Topografía Plana
1 Station by 250 Km2
Topografía Montañosa
1 Station by 25 Km2
Densidad de Estaciones por País en CA
WordlClim + Insituciones Nacionales
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
DensityoftheTemperatureStations
Density of the Rainfall Stations
0 0.08
Series3
Series4
Series5
Belice
Costa Rica
El Salvador
Guatemala
Honduras
Nicaragua
Panamá
Linear (0 0.08)
Linear (Series3)
Linear (Series5)
Linear (Series5)
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
DensityoftheTemperatureStations
Density of the Rainfall Stations
0 0.08
Series3
Series4
Series5
Belice
Costa Rica
El Salvador
Guatemala
Honduras
Nicaragua
Panamá
Linear (0 0.08)
Linear (Series3)
Linear (Series5)
Linear (Series5)
WMO Guidelines
Topografía Plana
1 Station by 250 Km2
Topografía
Montañosa
1 Station by 25 Km2
Podemos mejorar?
Flattopography(WMO)
Flat topography (WMO)
Podemos mejorar?
La calidad de la interpolación es muy baja cuando la
cantidad de estaciones es limitada.
Un caso de estudio…
Análisis multi-escalar de vulnerabilidad al cambio climático de ecosistemas
terrestres prioritarios y estrategias de vida de la población rural en la zona central
de la Sierra Madre Oriental, retroalimentar y desarrollar herramientas para la
toma de decisión sobre diseño e implementación de medidas de adaptación
+ =
CRU-TS
CRU-TS v3.20 Historic Climate Database for GIS
Harris, I., Jones, P.D., Osborn, T.J., and Lister, D.H., 2013
Label Variable
cld cloud cover
dtr diurnal temperature range
frs frost day frequency
pre precipitation
tmp daily mean temperature
tmn monthly average daily minimum temperature
tmx monthly average daily maximum temperature
vap vapour pressure
wet wet day frequency
• High Resolution Grids
• 0.5 degree
• Month-by-month variation in
climate over the last century or so
• Latest generate over 1901-2011
Información Satelital: TRMM
TRMM 3B43 Characteristics
Temporal Coverage Start Date: 1998-01-01; Stop Date: -
Geographic Coverage
Latitude: 50°S - 50°N; Longitude:180°W -
180°E
Temporal Resolution Monthly
Horizontal Resolution 0.25° x 0.25°; nlat = 400, nlon = 1440
Average File Size Compressed: ~4.95 MB; Original: ~4.95 MB
File Type HDF
Resolución espacial (~ 28 km),
TRMM tiende a sobreestimar
precipitación real (aunque la
distribución espacial de la
precipitación es bastante
bueno).
Un caso de estudio…
“En regiones con una alta densidad de estaciones de superficie, no se encontraron mejoras significativas en el producto de combinación
(donde de hecho hay poca contribución de TRMM) en simplemente la interpolación de las observaciones existentes (OBS90). Sin
embargo, los análisis resultantes sobre las regiones de baja densidad de observación (al oeste de 568W) muestran sustancial mejora en
el producto MERGE en comparación con OBS90. MERGE ha demostrado ser una herramienta valiosa en el análisis de una rejilla regular
para su uso en la evaluación de los resultados del modelo”
Combining TRMM and Surface Observations of Precipitation:
Technique and Validation over South America
J. Rozante and D. Moeira, 2010
Y qué acerca del futuro?
Ramírez-Villegas
and Challinor, 2012
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Intermedio
P
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P
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P
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P
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Los Escenarios de Emisión
IPCC, 2007
Variaciones en la temperatura de la superficie de la tierra: de 1000 a 2100
Qué es lo que dicen los modelos??
Cambios antropogénicos llevan a cambios atmosféricos
Concentraciones Atmosféricas
Los GCMs son la
única manera en que
podemos predecir el
clima a futuro
http://www.ipcc-data.org/ddc_climscen.html
http://pcmdi3.llnl.gov
IPCC CMIP5 Transición a nuevos Escenarios…
• Representative Concentration Pathways (RCPs)
• Más y mejores modelos (i.e. mayor resolución).
R. Knutti, J. Sedlácek, 2012
Global temperature change and
uncertainty (mean and one
standard deviation as shading)
relative to 1986–2005
En la agricultura, los
diferentes escenarios
de emisiones no son
importantes… de aqui
a 2030 la diferencia
entre escenarios es
minima
J. Rogelj et al, 2012
 Escala global
Pero..  Escala regional o local
Dificultad 1. Acerca de la resolución
• Resolución horizontal 100 a 300 km
• 18 y 56 niveles verticales.
Mezcla de Resoluciones
Baja Resolución
Model Country Atmosphere Ocean
BCCR-BCM2.0 Norway T63, L31 1.5x0.5, L35
CCCMA-CGCM3.1 (T47) Canada T47 (3.75x3.75), L31 1.85x1.85, L29
CCCMA-CGCM3.1 (T63) Canada T63 (2.8x2.8), L31 1.4x0.94, L29
CNRM-CM3 France T63 (2.8x2.8), L45 1.875x(0.5-2), L31
CSIRO-Mk3.0 Australia T63, L18 1.875x0.84, L31
CSIRO-Mk3.5 Australia T63, L18 1.875x0.84, L31
GFDL-CM2.0 USA 2.5x2.0, L24 1.0x(1/3-1), L50
GFDL-CM2.1 USA 2.5x2.0, L24 1.0x(1/3-1), L50
GISS-AOM USA 4x3, L12 4x3, L16
GISS-MODEL-EH USA 5x4, L20 5x4, L13
GISS-MODEL-ER USA 5x4, L20 5x4, L13
IAP-FGOALS1.0-G China 2.8x2.8, L26 1x1, L16
INGV-ECHAM4 Italy T42, L19 2x(0.5-2), L31
INM-CM3.0 Russia 5x4, L21 2.5x2, L33
….
Dificultad 2. Disponibilidad de datos
WCRP CMIP3 A1B-P A1B-T A1B-Tx A1B-Tn A2-P A2-T A2-Tx A2-Tn B1-P B1-T B1-Tx B1-Tn
BCCR-BCM2.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
CCCMA-CGCM3.1-T63 OK OK NO NO NO NO NO NO OK OK NO NO
CCCMA-CGCM3.1-T47 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
CNRM-CM3 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
CSIRO-MK3.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
CSIRO-MK3.5 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
GFDL-CM2.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
GFDL-CM2.1 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
GISS-AOM OK OK OK OK NO NO NO NO OK OK OK OK
GISS-MODEL-EH OK OK NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO
GISS-MODEL-ER OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
IAP-FGOALS1.0-G OK OK NO NO NO NO NO NO OK OK NO NO
INGV-ECHAM4 OK OK NO NO OK OK NO NO NO NO NO NO
INM-CM3.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
IPSL-CM4 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
MIROC3.2.3-HIRES OK OK OK OK NO NO NO NO OK OK OK OK
MIROC3.2.3-MEDRES OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
MIUB-ECHO-G OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
MPI-ECHAM5 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
MRI-CGCM2.3.2A OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
NCAR-CCSM3.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
NCAR-PCM1 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK
UKMO-HADCM3 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO
UKMO-HADGEM1 OK OK NO NO OK OK NO NO NO NO NO NO
Dificultad 3. Habilidad limitada de representar clima presente.
Depender de un solo GCM no es recommendable!
Cómo utilizar esta información?
Problema
Necesidad
Opciones
Downscaling por
métodos
estadísticos o
dinámicos..
Aumentar resolución,
uniformizar… proveer
datos de alta resolución,
contextualizados
Aún el GCM más
preciso es demasiado
grueso (100km).
Cómo combinar GCM & Observaciones?
Hawkins, 2012
Estaciones x variable:
• 47,554 precipitación
• 24,542 tmean
• 14,835 tmax y
tmin
-30.1
30.5
Mean annual
temperature (ºC)
0
12084
Annual
precipitation (mm)
Fuentes:
•GHCN
•FAOCLIM
•WMO
•CIAT
•R-Hydronet
•Redes nacionalesRamirez-Villegas and Challinor 2012
Definiendo la Línea Base WorldClim
Downscaling: Método Delta
–Base climatológica: WorldClim
–Tomar superficies GCM originales
(series de tiempo)
–Calcular promedios para línea
base y períodos específicos
–Calcular anomalías
–Interpolar anomalías (spline)
–Sumar anomalías a WorldClim
Método Delta
– Usan resultados de GCMs
– Son de área limitada.. Necesitan condiciones de frontera.
– Datos diarios | Resolucion varia entre 25-50km | > 170
variables
PRECIS
Providing REgional
Climates for Impacts
Studies
Coordinated Regional Climate
Downscaling Experiment
(CORDEX) Eta Model
ETA
Método Pros Contras
Delta
*Rápido de implementar
*  resoluciones
*Aplicable a TODOS los GCMs
*Uniformiza líneas base
* Cambios solo varían en gran escala
*  variables
RCMs
* Robusto
*Aplicable a GCMs dependiendo
de disponibilidad de datos
* variables
*Pocas plataformas
*Mucho procesamiento y almacenamiento
*Limitada resolución (25-50km)
*Aun falta mucho desarrollo
*Incertidumbre difíciles de cuantificar
¿Qué metodología empleo?
Métodos Estadísticos vs Dinámicos
Necesidades y recursos..
Tiempos? Resultados rápidos? Capacidad de procesamiento?
Disponibilidad??
La incertidumbre cientifica SI es relevante para
la agricultura: tenemos que tomar decisiones
dentro de un contexto de incertidumbre
Hawkins, 2012
Comparison (R2 based) of interpolated climatology (WorldClim, The University of East Anglia Climatic Research Unit dataset (CRU)), and each of the
GCMs (average 1961-1990 period) for each of the countries in the study area for mean temperature (left) and precipitation (right) for the annual
mean. All R2 values were statistically significant at p < 0.001. (Ramirez and Challinor, 2012)
Cómo cuantificar?
Emisiones Escenarios de población, energía, modelos
económicos
Concentraciones Ciclo del carbono, modelos químicos
Cambio climático Global GCMs
Detalles regionales RCMs,
Downscaling
Impactos Modelos de impacto
GCMs
Effective
adaptation
options
MarkSim
DSSAT
Statistical Downscaling
Dynamical downscaling:
Regional Climate Model
EcoCrop
Statistical
Downscaling
MaxEnt
Necesitamos modelos para cuantificar los impactos y diseñar
opciones de adaptación efectiva
Based on niches
Probability
Environmental gradient
Based on process
Changes in climate affect the adaptability of crops…
Number of crops with more than 5% gain
There will be
winners…
Number of crops with more than 5% loss
…But much
more losers in
developing
countries
Evalúa si hay las condiciones
climáticas adecuadas ,
dentro de un periodo de
crecimiento para T° y Prec….
… y calcula la adaptabiliad
climática de la interacción
resultante entre la prec y la T°
• Un algoritmo sencillo para mirar el nicho de cada especie
basado sólo en los datos del clima
El Modelo EcoCrop
Is cassava the answer to African climate change adaptation?
Jarvis A. et al, 2012
Current Climate Contraint
Cassava suitability change compared with other staples
Cassava consistently outperforms other staples in
terms of changes in suitability
Cassava Impacts by AF REGIONS
EcoCrop
Adaptation entry points in maize-bean systems
DSSAT
• Cambios en días de plantación y sistemas de irrigación
para manejar el stress durante la temporada de
crecimiento.
• Cultivos puedesn requerir migración altitudinal.
• Relocalización de las actividades productivas.
• Establecimiento de subsidios para pequeños agricultores
(reducción de la vulnerabilidad).
• Conservación y mejoramiento de recursos genéticos.
http://ccafs-climate.org
Actualiced Nov 2013
> 150 Publications
• Progressive climate
change over
agriculture (24%),
• Ecology and species
distribution (53%)
• Climate dynamics (3%)
• Hydrological modeling
(4%)
• Non-academic (i.e.
policy making, food
security, and
adaptation planning
(17% )
http://analogues.ciat.cgiar.org/climate/
¿Donde puedo encontrar el
clima futuro de mi sitio hoy?
¿Donde puedo encontrar el
clima presente de mi sitio en
el futuro?
¿Donde encuentro el clima
presente (o futuro) de mi sitio
en el mundo actualmente?
http://ccafs.cgiar.org/
CCAFS Blog
http://dapa.ciat.cgiar.org/
CCAFS Blog
• Downscaling es inevitable.
• Se está haciendo una mejora
continua.
• El foco principal es hacer un
análisis de incertidumbres
• Mejorar los datos de línea base.
• Evaluar y validar incertidumbres.
• Proyecciones climáticas junto con
modelos mecanisticos y
fisiológicos de cultivos nos
ayudarán a entender como
adaptar.
Carlos Navarro-Racines
c.e.navarro@cgiar.org

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Modelación Climática y Agricultura

  • 1. Modelación Climática; Cambio Climático & Agricultura Carlos Navarro J. Ramirez, A. Jarvis, C. Cardozo
  • 2. Introducción Breve sobre seguridad alimentaria Parte I Datos climáticos históricos, disponibilidad y dificultades Parte II Proyecciones Climáticas Futuras para Agricultura Parte III Cómo cuantificar impactos sobre agricultura? Parte IV Bases de Datos CIAT & OpenData Sources Conclusiones & Práctica Contenido
  • 3.
  • 4.
  • 6. … con menos agua, tierra y recursos
  • 7.
  • 8. ¿Qué condiciones tendremos en 30, 50, 100 años? • ¿Cómo responderán nuestros sistemas a estas condiciones? • ¿Cuándo, dónde, y qué tipo de cambio se requiere para adaptar? • ¿Quién debe planear? ¿Quién debe ejecutar?
  • 9. – Múltiples variables – Muy alta resolución espacial (1 km, 90m??). – Alta resolución temporal (i.e. mensual, diaria). – Alta certidumbre , previsiones precisas del tiempo y las proyecciones climáticas. • Tanto para presente como para futuro. –T° • Max, • Min, • Media –Prec –HR – Radiacion – Vientos – ……. Menosimportantes Mascertidumbre
  • 10. Parte I Datos Climáticos Históricos ¿De dónde puedo obtener Información Climática? Fuentes / Métodos / Problemas
  • 11. Ramírez-Villegas and Challinor, 2012 Entendiendo el Problema… (1) No hay ninguna estación meteorológica (2) Las estaciones meteorológicas no están en buen estado (periodos cortos, gaps). (3) Los datos no están correctamente almacenados (4) Los datos no pasan los controles de calidad básicos (5) El acceso a los datos está restringido.
  • 12. Figure 1 Frequency of use of the different data sources in agricultural studies based on a review of 247 recordings from published studies (taken from a comprehensive data use survey) (Ramirez-Villegas and Challinor 2012) Qué opciones tengo? Problemas de exactitud (es decir, falta de homogeneidad, discontinuidades) 1. Time-step largo (mensual en el mejor de los casos) 2. Cobertura temporal se limita a un promedio de varios años 3. Su resolución espacial es demasiado gruesa; 4. Su cobertura geográfica no es la suficiente 5. Sólo ciertas variables (es decir, temperaturas, precipitaciones). Necesitamos otras en agrícultura.
  • 13. GHCN (Global Historical Climatological Network) • Very robust weather station dataset (NOAA) • Used for many studies: – WorldClim – CRU datasets – Hockey-stick warming trend analysis
  • 14. GHCN (Global Historical Climatological Network) http://gis.ncdc.noaa.gov/map/viewer
  • 15. GSOD (Global Summary of Day) • Version 8 - Over 9000 Worldwide Stations - Updated Daily • Some issues Mean temperature (.1 Fahrenheit) Mean dew point (.1 Fahrenheit) Mean sea level pressure (.1 mb) Mean station pressure (.1 mb) Mean visibility (.1 miles) Mean wind speed (.1 knots) Maximum sustained wind speed (.1 knots) Maximum wind gust (.1 knots) Maximum temperature (.1 Fahrenheit) Minimum temperature (.1 Fahrenheit) Precipitation amount (.01 inches) Snow depth (.1 inches)
  • 16. Weather Stations GHCN* /GSOD in CA * GHCN not adjusted
  • 17. Estaciones x variable: • 47,554 precipitación • 24,542 tmean • 14,835 tmax y tmin -30.1 30.5 Mean annual temperature (ºC) 0 12084 Annual precipitation (mm) WorldClim Fuentes: •GHCN •FAOCLIM •WMO •CIAT •R-Hydronet •Redes nacionales
  • 21. Stations included in WorldClim in CA
  • 22. Annual Precipitation Patterns & Stations (WorldClim CA) CIAT GHCN FAO WMO Fonts
  • 23. CIAT GHCN FAO WMO Fonts Annual Mean Temperature Patterns & Stations (WorldClim CA)
  • 24. Densidad de Estaciones WCL por País en CA 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 DensityoftheTemperatureStations Density of the Rainfall Stations 0 0.08 Series3 Series4 Series5 Belice Costa Rica El Salvador Guatemala Honduras Nicaragua Panamá Linear (0 0.08) Linear (Series3) Linear (Series5) Linear (Series5) Flattopography(WMO) Flat topography (WMO) Suficiente detalle? WMO Guidelines Topografía Plana 1 Station by 250 Km2 Topografía Montañosa 1 Station by 25 Km2
  • 25. Densidad de Estaciones por País en CA WordlClim + Insituciones Nacionales 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 DensityoftheTemperatureStations Density of the Rainfall Stations 0 0.08 Series3 Series4 Series5 Belice Costa Rica El Salvador Guatemala Honduras Nicaragua Panamá Linear (0 0.08) Linear (Series3) Linear (Series5) Linear (Series5) 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 DensityoftheTemperatureStations Density of the Rainfall Stations 0 0.08 Series3 Series4 Series5 Belice Costa Rica El Salvador Guatemala Honduras Nicaragua Panamá Linear (0 0.08) Linear (Series3) Linear (Series5) Linear (Series5) WMO Guidelines Topografía Plana 1 Station by 250 Km2 Topografía Montañosa 1 Station by 25 Km2 Podemos mejorar? Flattopography(WMO) Flat topography (WMO)
  • 26. Podemos mejorar? La calidad de la interpolación es muy baja cuando la cantidad de estaciones es limitada.
  • 27. Un caso de estudio… Análisis multi-escalar de vulnerabilidad al cambio climático de ecosistemas terrestres prioritarios y estrategias de vida de la población rural en la zona central de la Sierra Madre Oriental, retroalimentar y desarrollar herramientas para la toma de decisión sobre diseño e implementación de medidas de adaptación + =
  • 28. CRU-TS CRU-TS v3.20 Historic Climate Database for GIS Harris, I., Jones, P.D., Osborn, T.J., and Lister, D.H., 2013 Label Variable cld cloud cover dtr diurnal temperature range frs frost day frequency pre precipitation tmp daily mean temperature tmn monthly average daily minimum temperature tmx monthly average daily maximum temperature vap vapour pressure wet wet day frequency • High Resolution Grids • 0.5 degree • Month-by-month variation in climate over the last century or so • Latest generate over 1901-2011
  • 29. Información Satelital: TRMM TRMM 3B43 Characteristics Temporal Coverage Start Date: 1998-01-01; Stop Date: - Geographic Coverage Latitude: 50°S - 50°N; Longitude:180°W - 180°E Temporal Resolution Monthly Horizontal Resolution 0.25° x 0.25°; nlat = 400, nlon = 1440 Average File Size Compressed: ~4.95 MB; Original: ~4.95 MB File Type HDF Resolución espacial (~ 28 km), TRMM tiende a sobreestimar precipitación real (aunque la distribución espacial de la precipitación es bastante bueno).
  • 30. Un caso de estudio… “En regiones con una alta densidad de estaciones de superficie, no se encontraron mejoras significativas en el producto de combinación (donde de hecho hay poca contribución de TRMM) en simplemente la interpolación de las observaciones existentes (OBS90). Sin embargo, los análisis resultantes sobre las regiones de baja densidad de observación (al oeste de 568W) muestran sustancial mejora en el producto MERGE en comparación con OBS90. MERGE ha demostrado ser una herramienta valiosa en el análisis de una rejilla regular para su uso en la evaluación de los resultados del modelo” Combining TRMM and Surface Observations of Precipitation: Technique and Validation over South America J. Rozante and D. Moeira, 2010
  • 31.
  • 32. Y qué acerca del futuro? Ramírez-Villegas and Challinor, 2012
  • 34. Económico Ambiental Global Regional PESIMISTA “Bussiness as usual” OPTIMISTAMundo perfecto Intermedio P E P E P E P E Los Escenarios de Emisión IPCC, 2007
  • 35. Variaciones en la temperatura de la superficie de la tierra: de 1000 a 2100 Qué es lo que dicen los modelos?? Cambios antropogénicos llevan a cambios atmosféricos Concentraciones Atmosféricas Los GCMs son la única manera en que podemos predecir el clima a futuro
  • 38. IPCC CMIP5 Transición a nuevos Escenarios… • Representative Concentration Pathways (RCPs) • Más y mejores modelos (i.e. mayor resolución). R. Knutti, J. Sedlácek, 2012 Global temperature change and uncertainty (mean and one standard deviation as shading) relative to 1986–2005
  • 39. En la agricultura, los diferentes escenarios de emisiones no son importantes… de aqui a 2030 la diferencia entre escenarios es minima J. Rogelj et al, 2012
  • 40.  Escala global Pero..  Escala regional o local Dificultad 1. Acerca de la resolución • Resolución horizontal 100 a 300 km • 18 y 56 niveles verticales. Mezcla de Resoluciones Baja Resolución Model Country Atmosphere Ocean BCCR-BCM2.0 Norway T63, L31 1.5x0.5, L35 CCCMA-CGCM3.1 (T47) Canada T47 (3.75x3.75), L31 1.85x1.85, L29 CCCMA-CGCM3.1 (T63) Canada T63 (2.8x2.8), L31 1.4x0.94, L29 CNRM-CM3 France T63 (2.8x2.8), L45 1.875x(0.5-2), L31 CSIRO-Mk3.0 Australia T63, L18 1.875x0.84, L31 CSIRO-Mk3.5 Australia T63, L18 1.875x0.84, L31 GFDL-CM2.0 USA 2.5x2.0, L24 1.0x(1/3-1), L50 GFDL-CM2.1 USA 2.5x2.0, L24 1.0x(1/3-1), L50 GISS-AOM USA 4x3, L12 4x3, L16 GISS-MODEL-EH USA 5x4, L20 5x4, L13 GISS-MODEL-ER USA 5x4, L20 5x4, L13 IAP-FGOALS1.0-G China 2.8x2.8, L26 1x1, L16 INGV-ECHAM4 Italy T42, L19 2x(0.5-2), L31 INM-CM3.0 Russia 5x4, L21 2.5x2, L33 ….
  • 41. Dificultad 2. Disponibilidad de datos WCRP CMIP3 A1B-P A1B-T A1B-Tx A1B-Tn A2-P A2-T A2-Tx A2-Tn B1-P B1-T B1-Tx B1-Tn BCCR-BCM2.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK CCCMA-CGCM3.1-T63 OK OK NO NO NO NO NO NO OK OK NO NO CCCMA-CGCM3.1-T47 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO CNRM-CM3 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO CSIRO-MK3.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK CSIRO-MK3.5 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK GFDL-CM2.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK GFDL-CM2.1 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK GISS-AOM OK OK OK OK NO NO NO NO OK OK OK OK GISS-MODEL-EH OK OK NO NO NO NO NO NO NO NO NO NO GISS-MODEL-ER OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO IAP-FGOALS1.0-G OK OK NO NO NO NO NO NO OK OK NO NO INGV-ECHAM4 OK OK NO NO OK OK NO NO NO NO NO NO INM-CM3.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK IPSL-CM4 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO MIROC3.2.3-HIRES OK OK OK OK NO NO NO NO OK OK OK OK MIROC3.2.3-MEDRES OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK MIUB-ECHO-G OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO MPI-ECHAM5 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO MRI-CGCM2.3.2A OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO NCAR-CCSM3.0 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK NCAR-PCM1 OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK OK UKMO-HADCM3 OK OK NO NO OK OK NO NO OK OK NO NO UKMO-HADGEM1 OK OK NO NO OK OK NO NO NO NO NO NO
  • 42. Dificultad 3. Habilidad limitada de representar clima presente. Depender de un solo GCM no es recommendable!
  • 43. Cómo utilizar esta información? Problema Necesidad Opciones Downscaling por métodos estadísticos o dinámicos.. Aumentar resolución, uniformizar… proveer datos de alta resolución, contextualizados Aún el GCM más preciso es demasiado grueso (100km).
  • 44. Cómo combinar GCM & Observaciones? Hawkins, 2012
  • 45. Estaciones x variable: • 47,554 precipitación • 24,542 tmean • 14,835 tmax y tmin -30.1 30.5 Mean annual temperature (ºC) 0 12084 Annual precipitation (mm) Fuentes: •GHCN •FAOCLIM •WMO •CIAT •R-Hydronet •Redes nacionalesRamirez-Villegas and Challinor 2012 Definiendo la Línea Base WorldClim
  • 46. Downscaling: Método Delta –Base climatológica: WorldClim –Tomar superficies GCM originales (series de tiempo) –Calcular promedios para línea base y períodos específicos –Calcular anomalías –Interpolar anomalías (spline) –Sumar anomalías a WorldClim
  • 48. – Usan resultados de GCMs – Son de área limitada.. Necesitan condiciones de frontera. – Datos diarios | Resolucion varia entre 25-50km | > 170 variables PRECIS Providing REgional Climates for Impacts Studies Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) Eta Model ETA
  • 49. Método Pros Contras Delta *Rápido de implementar *  resoluciones *Aplicable a TODOS los GCMs *Uniformiza líneas base * Cambios solo varían en gran escala *  variables RCMs * Robusto *Aplicable a GCMs dependiendo de disponibilidad de datos * variables *Pocas plataformas *Mucho procesamiento y almacenamiento *Limitada resolución (25-50km) *Aun falta mucho desarrollo *Incertidumbre difíciles de cuantificar ¿Qué metodología empleo? Métodos Estadísticos vs Dinámicos Necesidades y recursos.. Tiempos? Resultados rápidos? Capacidad de procesamiento? Disponibilidad??
  • 50. La incertidumbre cientifica SI es relevante para la agricultura: tenemos que tomar decisiones dentro de un contexto de incertidumbre
  • 52. Comparison (R2 based) of interpolated climatology (WorldClim, The University of East Anglia Climatic Research Unit dataset (CRU)), and each of the GCMs (average 1961-1990 period) for each of the countries in the study area for mean temperature (left) and precipitation (right) for the annual mean. All R2 values were statistically significant at p < 0.001. (Ramirez and Challinor, 2012) Cómo cuantificar?
  • 53. Emisiones Escenarios de población, energía, modelos económicos Concentraciones Ciclo del carbono, modelos químicos Cambio climático Global GCMs Detalles regionales RCMs, Downscaling Impactos Modelos de impacto
  • 54.
  • 55. GCMs Effective adaptation options MarkSim DSSAT Statistical Downscaling Dynamical downscaling: Regional Climate Model EcoCrop Statistical Downscaling MaxEnt Necesitamos modelos para cuantificar los impactos y diseñar opciones de adaptación efectiva Based on niches Probability Environmental gradient Based on process
  • 56. Changes in climate affect the adaptability of crops… Number of crops with more than 5% gain There will be winners… Number of crops with more than 5% loss …But much more losers in developing countries
  • 57. Evalúa si hay las condiciones climáticas adecuadas , dentro de un periodo de crecimiento para T° y Prec…. … y calcula la adaptabiliad climática de la interacción resultante entre la prec y la T° • Un algoritmo sencillo para mirar el nicho de cada especie basado sólo en los datos del clima El Modelo EcoCrop
  • 58. Is cassava the answer to African climate change adaptation? Jarvis A. et al, 2012 Current Climate Contraint
  • 59. Cassava suitability change compared with other staples Cassava consistently outperforms other staples in terms of changes in suitability Cassava Impacts by AF REGIONS EcoCrop
  • 60. Adaptation entry points in maize-bean systems DSSAT
  • 61. • Cambios en días de plantación y sistemas de irrigación para manejar el stress durante la temporada de crecimiento. • Cultivos puedesn requerir migración altitudinal. • Relocalización de las actividades productivas. • Establecimiento de subsidios para pequeños agricultores (reducción de la vulnerabilidad). • Conservación y mejoramiento de recursos genéticos.
  • 62.
  • 65. > 150 Publications • Progressive climate change over agriculture (24%), • Ecology and species distribution (53%) • Climate dynamics (3%) • Hydrological modeling (4%) • Non-academic (i.e. policy making, food security, and adaptation planning (17% )
  • 66.
  • 67. http://analogues.ciat.cgiar.org/climate/ ¿Donde puedo encontrar el clima futuro de mi sitio hoy? ¿Donde puedo encontrar el clima presente de mi sitio en el futuro? ¿Donde encuentro el clima presente (o futuro) de mi sitio en el mundo actualmente?
  • 70. • Downscaling es inevitable. • Se está haciendo una mejora continua. • El foco principal es hacer un análisis de incertidumbres • Mejorar los datos de línea base. • Evaluar y validar incertidumbres. • Proyecciones climáticas junto con modelos mecanisticos y fisiológicos de cultivos nos ayudarán a entender como adaptar.

Notas do Editor

  1. Carlos Navarro
  2. - Además del CC - Ultimo siglo 1000  7000 millones! + personas  impacto medio ambiente  huella de carbono
  3. + 2000-3000 mas en 2050 (~9000 millones) Producir 60 a 70% Agricultura más díficil
  4. Misma tierra, + producción Expansión agrícola --> Impacto, e.g. deforestación Tierra limitada, otros recursos limitados.
  5. Camilo Barrios
  6. Verdad: no hay forma de saberlo actualmente 2030 limite de corto plazo para adaptación… impactos no muy severos esperados 2050 límite crítico para políticas de adaptación y mitigación >2050 son irrelevantes para la toma de decision en agricultura Importancia Nichos de muchas especies podrían cambiar Capacidad de los ecosistemas de absorber estas perturbacioensz
  7. Agricultura es una industria de nicho Los cultivos son suprememente sensibles a sus condiciones climaticos Necesitamos como minimo datos mensuales Hay alta incertidumbre en proyecciones de temperatura.
  8. Las mediciones de tiempo para un sitio determinado menudo no están disponibles debido a que (1) no hay ninguna estación meteorológica, (2) las estaciones meteorológicas no están en buen estado para que los datos son o bien sólo está disponible por un corto período, o contienen lagunas, (3) Los datos recogidos no son correctamente almacenados, (4) los datos no pasan los controles de calidad básicos, y / o (5) el acceso a los datos está restringido mediante la celebración de las instituciones (Fig. 1). Esto limita aún más los análisis de impacto agrícola, destacando la importancia de que los datos públicos. Aparte de las limitaciones relacionadas con el acceso y la ubicación de las estaciones meteorológicas, probablemente la cuestión más importante en relación con los datos de clima es la calidad (Begert et al, 2008;. DeGaetano, 2006) (Fig. 1), que también afecta en gran medida el rendimiento de los modelos de impacto. Por lo tanto, la comunidad del clima y la agricultura se ha centrado en parte en el desarrollo de métodos, ya sea para llenar lagunas de datos temporal o espacial, y en el uso de estos métodos para el desarrollo de conjuntos de datos mundiales o regionales con acceso público (Hijmans et al, 2005;. Jones y Thornton, 1999; Soltani et al., 2004). Sin embargo, las incertidumbres en los conjuntos de datos globales derivados de los métodos de interpolación han sido apenas (si en absoluto) estimado (Buytaert et al, 2009;. Challinor y Wheeler, 2008;. Soria-Auza et al, 2010). Los investigadores que utilizan conjuntos de datos globales y cualquier estación meteorológica fuente Fig. 1. deben ser conscientes de estos problemas y debe tener esto en cuenta al probar la sensibilidad de sus enfoques a los problemas de exactitud (es decir, falta de homogeneidad, discontinuidades) y (si es posible) que proporcionan resultados dentro del rango de incertidumbre en los datos de entrada (es decir, como la salidas de los métodos de interpolación validados cruz) (Challinor et al., 2005).
  9. En los últimos 10 años, combinación de datos de estaciones meteorológicas, datos de satélite y modelos de predicción numérica del tiempo, además de los métodos de interpolación, o en la planta aplicación de modelos climáticos. El uso de estos conjuntos de datos para los propósitos de modelado agrícolas es bastante limitado para una o más de las siguientes razones: Aparte de las limitaciones relacionadas con el acceso y la ubicación de las estaciones meteorológicas, probablemente la cuestión más importante en relación con los datos de clima es la calidad, que también afecta en gran medida el rendimiento de los modelos de impacto.
  10. Issues Son datos ppalmente de estaciones en aeropuerto y no reporta correctamente valores 0 de precipitacion Del potencial de estaciones hay muy pocas que reporta el NCDC
  11. Superficies mensuales para prec, tmean, tmin y tmax. Compilación de registros nivel, local, regional, nacional. Interpolación 1km usando Latitud, longitud, elevación como variables independientes Calidad.. Depende de ρ y topografía GHCN (Global Historical Climatology Network), FAOCLIM, WMO Climatological Normal (CLINO) Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT, ) R-Hydronet
  12. http://www.ipcc-data.org/ddc_climscen.html
  13. http://www.ipcc-data.org/ddc_climscen.html
  14. http://www.ipcc-data.org/ddc_climscen.html
  15. Necesidades 1) Cualquier agroecosistema responde a: Factores antropogénicos, Bioticos, Abióticos 2) Cálculos de vulnerabilidad Desarrollar modelos → Conocer incertidumbres → Planes de acción → Generación de políticas   Limitaciones 1) Modelos todavía no pueden representar cientos de procesos de forma adecuada 2) Resoluciones de modelos inadecuadas: Se requieren modelos con escalas finas. 3) Incertidumbres: futuras emisiones f(suposiciones concentraciones, población, desarrollo económico, tecnológico)
  16. Fuerzas sobre emisiones futuras Representan nuestra capacidad de respuesta (mitigación)… desarrollo tecnológico, sostenibilidad ambiental A1B : Rápido crecimiento económico y demográfico con pico a ½ siglo A2 : Crecimiento económico regional y lento, población en contínuo crecimiento B1 : Población A1 pero con introducción de tecnologías limpias B2 : Desarrollo económico intermedio y regional, crecimiento poblacional menor. Son plausibles
  17. 1) Escenario condicionan GCMs Mundo el grillas Parametrizaciones (fenómenos incomprensibles) + complejo, menos suposiciones Se corre desde el pasado hasta el futuro Cambios antropogénicos llevan a cambios atmosféricos Crecimiento poblacional + Expansion industrial + Tecnologias no amigables = gases de efecto invernadero 6 oC en 2100 Sin precedentes… necesitamos los modelos..
  18. http://www.ipcc-data.org/ddc_climscen.html
  19. http://www.ipcc-data.org/ddc_climscen.html
  20. Muchos niveles verticales Orografía compleja, línea costas.
  21. GCMs y Resoluciones Difieren en Formulación (ecuaciones) Resolución Entradas Precisión Disponibilidad Proyectan diferentes patrones y magnitudes para un mismo periodo. Incertidumbre Amplio rango de GCMs
  22. Calibrados desde el pasado
  23. Sin duda el mayor problema es la resolución.
  24. Características del clima no observables en los GCMs Temperaturas frias de los alpes Amplio rango de temperaturas Corrección Bias Muchos cultivos son sensibles a umbrales de T
  25. Superficies mensuales para prec, tmean, tmin y tmax. Interpolación 1 km de resolución Calidad.. Depende de ρ y topografía
  26. Calcula (deltas o anomalías) que luego se suman a la línea base Usado en mayoría de estudios de CC.
  27. Factor de cambio
  28. No reemplazan a los GCMs, añaden detalles Área limitada Integraciones en áreas intermedias de los GCMs
  29. Dowscaling estadístico > Resoluciones (Se puede llegar incluso a 1km de resolución, 30seg) Aplicable a todos lo GCMs Rápidos de implementar < Variables Downscaling Dinámico + Robustos Depende de GCMs disponibles > Variables Mucho procesamiento y almacenamiento Más difícil el tema de incertidumbres
  30. Cuantificación de rendimientos en base a modelos climáticos Cascada de incertidumbres Corto plazo: casi toda variabilidad interna de las tendencias climaticas Largo plazo: + importante emisiones > Método de calibración (corrección del sesgo)…. Más grande que la eleccion del scenario Muy similar a la elección de la respuesta del modelo
  31. Correlacion En comparación con las observaciones….
  32. Camilo Barrios
  33. Difieren en escala espacio-temporal
  34. Basado en conocimiento de experto Superficies de clima WC Trabaja con rangos absolutos y óptimos de temperatura y precipitación en los cuales el cultivo se desarrolla. Luego busca las condiciones climáticas adecuadas dentro de un periodo de crecimiento. Produce un índice de idoneidad del cultivo en condiciones de prec y temperatura y luego arroja un índice de la interacción resultante entre las dos variables.
  35. Limitaciones actuals del cultivo de yucca 1 a 2 deg de aumento
  36. Mejor adaptabilidad Producto sustituto Mas resistente a calor y sequía Asegurar seguridad alimentaria
  37. DSSAT Diferencias cambios Producción frijol – maíz (2020s) Resultados modelación 4 países Zonas donde la producción se reducirá drásticamente Otros están mejorando su potencial de producción.  frijol > T decrecimiento en la producción de biomasa,  # el numero y tamaño de las semillas (menos vainas por planta)   maíz: > temperatura, número de nucleos por planta El estrés hídrico reduce el número y tamaño de granos.
  38. Clima afecta multiples factores, deben ser considerados Fechas de siembra Duracion de la termporada de crecimiento Aparición de plagas y enfermedades Afecta otros factores no climaticos que alteran cultivos (i.e. suelos) Fisiología Fases de desarrollo
  39. Usando proyecciones climaticas downscaled Patrones de clima similar en localidades diferentes y tiempos diferentes Apoyar la transferencia de medidas de adaptación entre sitios similares en clima. Compara localidades P y T… pero diseñado para (suelos, condiciones sociales y/o economicas)
  40. Linkear Cambios en adaptabilidad Testimonials from farmers in the area of interest Descripciones de los sitios Will be linked to Agtrials and the Analogue tool.
  41. Linkear Cambios en adaptabilidad Testimonials from farmers in the area of interest Descripciones de los sitios Will be linked to Agtrials and the Analogue tool.