Improving on the use of large‐scale climate information for statistically‐based local climate projections

Improving on the use of large‐scale climate information for
statistically‐based local climate projections
José M Molina; Ben Zaitchik
Department of Earth and Planetary Sciences
Johns Hopkins Water Institute
Disclaimer: The findings, interpretations, and conclusions expressed in this presentation are entirely my own and should not be
attributed in any way to the organizations or the countries they represent.
Tópicos en Proyección Hidrológica y Agroclimática y Adaptación al Cambio Climático
Centro Internacional de Agricultura Tropical CIAT - Palmira, Julio 21, 2014

2
 Desescalamiento basado en relaciones funcionales y campos de clima
 Neblina y Enfoques de Adaptación al Cambio Climático
 Conceptualización y experiencias de colección
 ENSO e impactos de precipitación en Colombia
 Investigación y transferencia de tecnología
 Consideraciones Finales
TEMAS DE LA CHARLA

Desescalamiento Prcp & Temp en NAPA (California)
Micheli et al, 2012
Micheli et al, 2012

Métodos y Datos
• BCM se calibra con:
‐ Temperatura and Prcp
‐ Suelos
‐ Geología
‐ Topografía
‐ Flujos de energía solar
Datos de clima futuro: 4 escenarios of Prcp and T
2 GCMs:
 Modelo de Clima Paralelo (PCM) por NCAR
 Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos (GFDL) por NOAA
• Generación de Prcp y Temp locales mediante Desescalamiento
• Resolución del Desescalamiento: 270km ‐‐> 270m

16171819202122
Jul
16171819202122
Aug
16182022
0 20 40 60 80 100
Sep
time
1012141618
Oct
8101214
Nov
4681012
0 20 40 60 80 100
Dec
time
temp Celsius at Napa - California , 1876 - 2006 Annual temp , Napa - California
time
StdAnomalies
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
-2-1012
moving average
Evidence of Climate Change at the watershed scale ?

flow , NapaNew
time
StdAnomalies
1960 1970 1980 1990 2000
-10123
moving average
Annual Streamflow Anomalies

-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-160 -140 -120 -100 -80
-20
0
20
40
60
Jan: 1877 - 2006
Longitude
Latitude
-0.3
-0.25
-0.2
-0.2
-0.2
-0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.25
JHU / 23 Mar 2014 / EPS
Corr: sst & prcp @ NapaHospital - US ; Jan
Colored areas are statistically significant at the 0.05 confidence level
-160 -140 -120 -100 -80
-20
0
20
40
60
Jan: 1948 - 2006
Longitude
Latitude
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.3
-0.3
-0.3
0.3
Corr: slp & prcp @ NapaHospital - US ; Jan
Colored areas are statistically significant at the 0.05 confidence level
SST from NOAA Ext. Rec V.3b SLP from NCEP/NCAR Reanalysis
Cross‐covariance at NAPA (California)

5 10 15 20
020406080
The fraction of variance accounted by the EOFs
sst ( Jan )
EOF order
Variance(%)
-1e-04
-5e-05
0e+00
5e-05
1e-04
-160 -150 -140 -130 -120
30
40
50
60
1st EOF for sst
( Jan )
Longitude
Latitude
-1e-04
-5e-05
0
5e-05
5e-05
1e-04
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
= PDO
The PDO refers to a warming or cooling of
the surface waters, north of 20° N
Di Lorenzo et al., 2008 – Geo. Res. Let 35
5 10 15 20
020406080100120
The fraction of variance accounted by the EOFs
slp ( Jan )
EOF order
Variance(%)
transposed
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234363840424446
New Plotting Region for performing ESD

Smoothed spectrum for PDO, NPGO, and SOI signals

1950 1960 1970 1980 1990 2000
050100150200250300350
ESD ( c1 [ 170W110W-20N65N ] -> prcp anomaly )
Calibration: Jan prcp anomaly at NapaHospital , US using c1: R2=31%, p-value=1%.
Time
Prcp(mm/month)
Observed
Fitted
ESD from NNRP
Trends
Jan: Trend fit: P-value=3%; Projected trend= -51.06+-21.76 mm/month/decade
Transformedspace=
1995 2000 2005
050100150200250300350
NapaHospital , US prcp
Jan - 11 m a.sl. -122.27 degE 38.29 degN
Time
mm/month
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
ORIGINALSpace->Back-Transformedfrom
ESD Mean
Observed
Corr = 0.32
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
Prcp projection @ Napa based on
statistical downscaling using PDO
-170 -160 -150 -140 -130 -120 -110
2030405060

1950 1960 1970 1980 1990 2000
0100200300
Time
Prcp(mm/month)
Observed
Fitted
ESD from NNRP
Trends
transposedTransformedspace=
1995 2000 2005
0100200300
Time
mm/month
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
ESD Mean
Observed
Corr = 0.8
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
Prcp projection @ Napa based on
SD using SLP‐derived predictors
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234363840424446

SD (Jan) @ NAPA using SLP from
GFDL‐A2, 21st century
1960 1980 2000 2020 2040 2060
050100150200250300350
Time
Prcp(mm/month)
Obs.
Fit
GCM
Trends
Jan: Trend fit: P-value=54%; Projected trend= 4.89+-7.93 mm/month/decade
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234363840424446

Prcp prediction based on SD
using SLP‐derived predictors
1950 1960 1970 1980 1990 2000
50100150200250300350
Time
Prcp(mm/month)
Observed
Fitted
ESD from NNRP
Trends
Jan: Trend fit: P-value=29%; Projected trend= 15.27+-14.27 mm/month/decade
Transformedspace=
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
050100150200250300350
Time
mm/month
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
ESD Mean
Observed
Corr = 0.63
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
-170 -160 -150 -140 -130 -120 -110
2030405060
‐ PDO region
&
‐ != calibration Per.

Prcp prediction based on SD
using SLP‐derived predictors
‐ Best Corr. Region
&
‐ != calibration Per.
1950 1960 1970 1980 1990 2000
0100200300400
Time
Prcp(mm/month)
Observed
Fitted
ESD from NNRP
Trends
transposedTransformedspace=
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
0100200300400
Time
mm/month
JHU / 24 Mar 2014 / EPS
ESD from NNRP
ESD Mean
Observed
Corr = 0.73
Obs Mean.Valid
Obs Mean.Calib
-130 -128 -126 -124 -122 -120 -118 -116
3234363840424446

20 40 60 80 100
ETHIOPIA, Blue Nile
Blue Nile Region:
(8.25, 12.75)N
(34.25, 39.75)E

-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
-150 -100 -50 0 50
-20
0
20
40
Sep:1948 -2009
Longitude
Latitude
-0.6
-0.6-0.5
-0.5
-0.5
-0.5
-0.5
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4
-0.4 -0.4
-0.3 -0.3
-0.3
-0.3
-0.3
-0.3
0.4
Corr: sst & Prcp @ Blue_Nile_Avg - Ethiopia ; Sep
Colored areas are statisticallysignificantatthe 0.05 confidence level

Jan Mar May Jul Sep Nov
0100200300400
Prcp(mm/month)
Gondar_NMA , 1953 - 2010
0100200300400
Prcp(mm/month)
Bedele_NMA , 1967 - 2009
0100200300400
Prcp(mm/month)
Haik_NMA , 1980 - 2006
0100200300400
Prcp(mm/month)
Guder_NMA , 1964 - 2010

Annual Prcp , Gondar_NMA
StdAnomalies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-1012
Mean = 1136.1
Annual Prcp , Bedele_NMA
StdAnomalies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-1012
Mean = 1857.5
Annual Prcp , Haik_NMA
StdAnomalies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-3-2-101
Mean = 1192.9
Annual Prcp , Guder_NMA
StdAnomalies
1980 1985 1990 1995 2000 2005
-10123
Mean = 1422.4

Final Remarks and Future work
• Provide estimation and assessment of multisite
downscaled precipitation and temperatures
• Adapt novel transformations of local variables for
improvement of climate projections
• Use of specific derived‐GCM information to develop
predictors under climate change scenarios (including bias‐
correction)

Uso de Neblina en Adaptación Bottom-Up
Jose Manuel Molina
Department of Earth and Planetary Sciences
Tópicos en Proyección Hidrológica y Agroclimática y Adaptación al Cambio Climático
Centro Internacional de Agricultura Tropical CIAT - Palmira, Julio 21, 2014

3
“La tecnología de colección de neblina (Fog collection) se
presenta como un sistema de cosecha de agua con gran
potencial y de muy bajo costo para suministro de agua potable,
riego de cultivos, abrevadero de ganado y recuperación de
bosques en regiones montañosas secas.”
“El sistema es fácil de construir, reduce la carga de transporte de
agua desde largas distancias y genera ahorros de tiempo que la
comunidad puede invertir en otras actividades que generen
ingresos y mejoren la educación infantil.”
Food and Agricultural Organization, FAO
United Nations Convention to Combat Desertification, UNCCD
Mountain Partnership Secretariat
Swiss Agency for Development and Cooperation, SDC
Centre for Development and Environment, CDE
Highlands and Drylands − Mountains, a Source of Resilience in Arid Regions, 2011, Rome.
Colección de Neblina: Una opción prometedora de ADAPTACION
para reducir la vulnerabilidad hídrica

4
 GCMs han sido fundamentales para justificar la necesidad de acción frente al
cambio climático global
 Sin embargo presentan limitantes para planear la adaptación a escalas locales
Fuente: National Oceanic and Atmospheric Administration - NOAA

5
Adaptación: Enfoque “top-down”
 Enfoque Top-down
 Desescalamiento de GCMs
 Uso de clima desescalado de alta
resolución en modelos de impacto (e.g.,
modelos hidrológicos, de cultivo, etc)
 La mayoría de la investigación se
detiene en la etapa de evaluación de
“impactos locales”
 Porque? …debido a que hay un
efecto Cascada en la incertidumbre.
Esta se propaga al amplio abanico
resultante de “impactos locales” y
“respuestas de adaptación”, lo cual
dificulta una selección del escenario
de adaptación mas apropiado.Wilby, R.L. and S. Dessai (2010)," Robust Adaptation to Climate Change," Weather , 65(7): 180‐185

6
Adaptación: Enfoque “Bottom-Up”
La estrategia “bottom-up” se enfoca en reducir la vulnerabilidad frente al
cambio y variabilidad climática (especialmente ante eventos extremos
como ENSO, donde se generan los mayores impactos en periodos cortos de
tiempo)… La reflexión es: “El agua se necesita aquí y ahora”
Es una estrategia de adaptación a nivel de individuos, en la que los usuarios
del agua y productores agrícolas deben desempeñar un rol fundamental en
la definición de sus soluciones locales (abastecimiento y distribución hídrica
en esquemas descentralizados)
La implementación de bottom-up debe priorizar los ecosistemas menos
resilientes (e.g., los productores más necesitados, con menos acceso a fuentes
hídricas tradicionales, etc.).

Algunas miradas claves en adaptación
& planeación hídrica7
 La naturaleza nos ofrece ejemplos sencillos de adaptación a las
necesidades hídricas
 Planeación hídrica en un clima cambiante: Tecnologías
apropiadas como la colección de neblina
 Colección de neblina requiere descentralización donde las
comunidades locales operen y administren el sistema de
colección de neblina (captación, almacenamiento, distribución)

Suministro de agua a partir
de la neblina
o Recurso hidrológico (% ?)
o Tecnología:
Aproximación ambiental
o Alternativa de solución a la escasez
de agua (regiones áridas, semiáridas
o cuencas hidrográficas afectadas
por sequias estacionales.)
o Fuente de agua mejorada (World
Health Organization)Jose M Molina

 Neblina: Una fuente de agua limpia (aunque puede requerir
tratamiento básico dependiendo de la ubicación geográfica)
 Suministro de agua bajo escenarios de variabilidad y CC
(bottom up strategy for adaptation)
Molina and Escobar

La Neblina
Proceso
Diámetro promedio
de gotas (mm)
Velocidad de caída
(m/s)
Lluvia 0.5 - 5 2 - 9
Llovizna 0.04 - 0.5 0.05 - 2
Neblina 0.001 - 0.04 0.01 – 0.05
Se produce por la condensación de vapor de agua en la troposfera baja. La
neblina es una nube generada sobre la superficie terrestre y cuyas gotas de
agua tienen velocidad de caída de 1 a 5 cm/s (lluvia horizontal).
En meteorología, la neblina se define como pequeñas gotas de agua en
suspensión sobre la superficie terrestre que impiden la visibilidad a
distancias mayores a un kilometro . El contenido de agua liquida en la
neblina varia frecuentemente entre 0.05 a 0.5 g/m3.

Un concepto clave en la formación de neblina: La condensacion del agua
atmosférica, o paso del estado de vapor a liquido
Clausius–Clapeyron relation
Eugster (2008), Fog research, Die Erde, 139, 1–10
Red line (liquid water)
represents less than
0.5 g/m3

Type of fog with with potential for collection
Advection Fog
Orographic Fog
Standard Fog Collector (SFC).
Proposed by Shemenauer and Cereceda (1994)
FOG MEASUREMENT
http://www.tutiempo.net/silvia_larocca/

OPERATIONAL PROJECTS
Projects at Tofo-
Chungungo (Chile):
Water supply for a
fishermen village.
Yield: 3.0 l/m2/day
Operational collectors in Perú :
o Water supply for a school
(1200m2)
o Reforestation (500m2)
o Development of agricultural
programs
Yield: 9.0 l/m2/day
Schemenauer and Cereceda, 1992
FogQuest
Projects in Oman
Yield: 30 l/m2/day !
Projects in Yemen
4.5 l/m2/day
Schemenauer and Cereceda, 1994

CHILE: Greenhouses in the desert at
Falda Verde. It receives water from 6
fog collectors on the cliff along the
coast, to grow tomatoes and other
vegetables for 56 families
PERU: 450,000-liter Reservoir. It is
used for desert rehabilitation and
land-cover management in semi-arid
hills (collectors in the ridge)

Courtesy of Melissa Rosato (FogQuest)
GUATEMALA: Actualmente es el proyecto operativo de colección de
neblina mas grande en el mundo (30 LFCs; producción ~ 6000 l/dia)
http://www.fogquest.org/wp-content/uploads/2010/07/Rosato-Rojas-Schemenauer-2010-Final-Draft.pdf
Las mujeres juegan un papel
clave en la construcción de
capacidades y en la
sostenibilidad del proyecto
Courtesy of Melissa Rosato (FogQuest)

Distribución global de regiones con
potencial de captación de neblina16
Malene Thyssen, http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Malene

Climatología de los Andes Colombianos e
impactos de fenómenos macroclimáticos
17
Annual Prcp (mm)
Generated by RTBMaps with data from WorldClim, May 2014
-1
0
1
2
3
4
5
-160 -140 -120 -100 -80 -60
-20
-10
0
10
20
longitude
latitude
-0.5
0
0
0.5
0.5
1
1
1
1.5
2
2.5
3
3.5 4
4.5
5
Monthly Means of Sea Surface Temperature -> degC [ December - 1997 ]
anomalies (abs - cli) from sst.mnmean
El Niño 97-98
Weak
Moderate
Strong
anom.ts
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
-2-10123
Index: running 3‐month mean sst anomaly
Region: LON = [ ‐170 ‐120 ] LAT = [ ‐5 5 ]
Time series from sst.mnmean
Feb 1958
Nov 1972
Jan 1983
Dec 1997
Dec 2009
Weak
Moderate
Strong

Cambios mas probables de la precipitación
en Colombia en un evento de El Niño
18
Source: Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia

Impactos de El Niño &
Sistemas de Advertencia Temprana
19
hydrological droughts
agricultural droughts

CASO: Evaluación de colección de neblina en Colombia (Roldanillo)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Altitude (m.a.s.l.) N WLOCATION SITE Collector Mesh
76
o
10` 38,1``4
o
27` 55,6``
4
o
27` 33,2`` 76
o
11` 9,9``
4
o
27`` 44,3`` 76
o
10` 48,3``
4
o
27` 16,2`` 76
o
11` 42``
4
o
27` 16,2`` 76
o
11` 44,6``
1715
1838
1817
1784
1794
EL TRILLO VI
35%
50%
35%
35%
EL EUCALIPTO III
LAS TORRES
IV
V
LA MONTAÑUELA
50%
35%
I
II
Información
geográfica de
colectores,
distribución y tipo
de mallas
http://www.ircwash.org/sites/default/files/Molina-2008-Fog.pdf

Es recomendable construir rosa de vientos para determinar
la dirección/emplazamiento de los colectores
Fog collection in Eastern Spain, 2010. With permission from David Corell

Rendimiento de colección en días secos y húmedos
SFC 10 - Molina J.M. and Escobar C.M. (2008)
0
1
2
3
4
5
6
Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct
l.m
2
.day
-1
Fog + pp Fog
0
20
40
60
80
100
Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct
Rainfall(mm)

Average for JUNE
Molina J.M. and Escobar C.M. (2008). Fog collection Variability in the Andean Mountain Range of Southern Colombia.
ERDE, 139 (1-2): 127-140

COUNTRY
Average
Collection (l/m2/d)
Chile 3
Yemen 4.5
Guatemala 4.9
Colombia (Roldanillo) 5.0
Perú 9
Omán 30
RESUMEN DE RENDIMIENTOS
 Para 2,000 m2 de malla con 5.0
l/m2/d (40 colectores, c/u con 50 m2)
obtenemos aprox. 10,000 l/d.
 Con un consumo percapita de 50 l/d
(zonas rurales), 200 personas serian
servidas.
Análisis de proyecto
operacional (Colombia):
Location N W Altitude Period of study Fog + rain collection Fog only collection
(m.a.s.l.) (l/m2
.d) (l/m2
.d)
Roldanillo 4o
27' 76o
27' 1820 Nov/2003 ‐ Feb/2005 5.3 (1)
5.0 (2)
Kilometro 18 3o
31' 76o
37' 2020 Mar/2005 ‐ Oct/2005 6.3(1)
N.A.
Buga 4o
03' 76o
07' 2600 May/2008 ‐Feb/2009 1.9(1)
1.0 (2)
Atuncela 3o
44' 76o
41' 1210 Feb/2010 ‐ up to date 1.1(1)
N.A.
(1) Values correspond to daily average rates of Fog + Rain over the month with the best water yield
(2) Values correspond to daily average rates of Fog only over the month with the best water yield
Otros rendimientos de colección (SFCs) en Colombia

Resumiendo en Proyectos de
Neblina …
Colección de Neblina: Su rol va mas allá de aportar a la seguridad alimentaria.
 Estrategia de salud publica y educación ambiental en el sector rural.
Soledad Sofia Arredondo
Se incluye a la comunidad en las
etapas tempranas del proyecto
Concepcion Escobar
http://blaustein.eps.jhu.edu/~jmolina/Public/incoming/timeseries/MolinaPosterGermany-2010.pdf
May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb
0123456
Fog Collection Variability 2008 - 2009
Collectionrate(l.m-2.d-1) Monthly average Fog + Rain
May-Feb average Fog + Rain
Project at Tulua, Colombia
http://adsabs.harvard.edu/abs/2010ffcd.confE..67E
Andres Lopez
Hector Aristizabal - CVC
Se promueven los roles de la comunidad en
torno a la operación y administración del
proyecto
Concepcion Escobar y Andres Lopez

www.fogquest.org Rol de Organizaciones & ONGs en la transferencia tecnológica

www.cda.uc.cl Rol de Organizaciones & ONGs en la transferencia

Langmuir (ACS) Recientes avances de investigación en nuevos materiales
Park et al., 2013
Langmuir, 2013, 29 (43), pp 13269–13277
 New malla de acero inoxidable con cobertura de polímeros
 Puede capturar hasta un 12% del agua atmosférica
a
ASCE
a

Reducir la vulnerabilidad hídrica en el sector rural requiere uso de medidas
adaptativas de alto costo/beneficio (información efectiva de predicción clima ,
incremento de eficiencia de riego, infraestructura para cosecha de neblina/lluvia, ...)
La investigación básica es pilar en dicho propósito, aunque transferirla y ponerla en
practica es mucho mejor! … Que tan buena es la sinergia entre el gobierno, la
ciencia y los usuarios?  Se necesitan planes regionales y nacionales
Consideraciones finales
Department of Earth and
Planetary Sciences

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