Impacto del cambio climático sobre los usos del agua en Europa

Esta Tesis realiza una contribución metodológica al estudio del impacto del cambio climático sobre los usos del agua, centrándose particularmente en la agricultura. Tomando en consideración su naturaleza distinta, la metodología aborda de forma integral los impactos sobre la agricultura de secano y la agricultura de regadío. Para ello incorpora diferentes modelos agrícolas y de agua que conjuntamente con las simulaciones de los escenarios climáticos permiten determinar indicadores de impacto basados en la productividad de los cultivos, para el caso de la agricultura de secano, e indicadores de impacto basados en la disponibilidad de agua para irrigación, para el caso de la agricultura de regadío. La metodología toma en consideración el efecto de la variabilidad climática en la agricultura, evaluando las necesidades de adaptación y gestión asociadas a los impactos medios y a la variabilidad en la productividad de los cultivos y el efecto de la variabilidad hidrológica en la disponibilidad de agua para regadío. Considerando la gran cantidad de información proporcionada por las salidas de las simulaciones de los escenarios climáticos y su complejidad para procesarla, se ha desarrollado una herramienta de cálculo automatizada que integra diferentes escenarios climáticos, métodos y modelos que permiten abordar el impacto del cambio climático sobre la agricultura, a escala de grandes extensiones. El procedimiento metodológico parte del análisis de los escenarios climáticos en situación actual (1961-1990) y futura (2071-2100) para determinar su fiabilidad y conocer qué dicen exactamente las proyecciones climáticas a cerca de los impactos esperados en las principales variables que intervienen en el ciclo hidrológico. El análisis hidrológico se desarrolla en los ámbitos territoriales de la planificación hidrológica en España, considerando la disponibilidad de información para validar los resultados en escenario de control. Se utilizan como datos observados las series de escorrentía en régimen natural estimadas el modelo hidrológico SIMPA que está calibrado en la totalidad del territorio español. Al trabajar a escala de grandes extensiones, la limitada disponibilidad de datos o la falta de modelos hidrológicos correctamente calibrados para obtener los valores de escorrentía, muchas veces dificulta el proceso de evaluación, por tanto, en este estudio se plantea una metodología que compara diferentes métodos de interpolación y alternativas para generar series anuales de escorrentía que minimicen el sesgo con respecto a los valores observados. Así, en base a la alternativa que genera los mejores resultados, se obtienen series mensuales corregidas a partir de las simulaciones de los modelos climáticos regionales (MCR). Se comparan cuatro métodos de interpolación para obtener los valores de las variables a escala de cuenca hidrográfica, haciendo énfasis en la capacidad de cada método para reproducir los valores observados. Las alternativas utilizadas consideran la utilización de la escorrentía directa simulada por los MCR y la escorrentía media anual calculada utilizando cinco fórmulas climatológicas basadas en el índice de aridez. Los resultados se comparan además con la escorrentía global de referencia proporcionada por la UNH/GRDC que en la actualidad es el “mejor estimador” de la escorrentía actual a gran escala. El impacto del cambio climático en la agricultura de secano se evalúa considerando el efecto combinado de los riesgos asociados a las anomalías dadas por los cambios en la media y la variabilidad de la productividad de los cultivos en las regiones agroclimáticas de Europa. Este procedimiento facilita la determinación de las necesidades de adaptación y la identificación de los impactos regionales que deben ser abordados con mayor urgencia en función de los riesgos y oportunidades identificadas. Para ello se utilizan funciones regionales de productividad que han sido desarrolladas y calibradas en estudios previos en el ámbito europeo. Para el caso de la agricultura de regadío, se utiliza la disponibilidad de agua para irrigación como un indicador del impacto bajo escenarios de cambio climático. Considerando que la mayoría de estudios se han centrado en evaluar la disponibilidad de agua en régimen natural, en este trabajo se incorpora el efecto de las infraestructuras hidráulicas al momento de calcular el recurso disponible bajo escenarios de cambio climático Este análisis se desarrolla en el ámbito español considerando la disponibilidad de información, tanto de las aportaciones como de los modelos de explotación de los sistemas hidráulicos. Para ello se utiliza el modelo de gestión de recursos hídricos WAAPA (Water Availability and Adaptation Policy Assessment) que permite calcular la máxima demanda que puede atenderse bajo determinados criterios de garantía. Se utiliza las series mensuales de escorrentía observadas y las series mensuales de escorrentía corregidas por la metodología previamente planteada con el objeto de evaluar la disponibilidad de agua en escenario de control. Se construyen proyecciones climáticas utilizando los cambios en los valores medios y la variabilidad de las aportaciones simuladas por los MCR y también utilizando una fórmula climatológica basada en el índice de aridez. Se evalúan las necesidades de gestión en términos de la satisfacción de las demandas de agua para irrigación a través de la comparación entre la disponibilidad de agua en situación actual y la disponibilidad de agua bajo escenarios de cambio climático. Finalmente, mediante el desarrollo de una herramienta de cálculo que facilita el manejo y automatización de una gran cantidad de información compleja obtenida de las simulaciones de los MCR se obtiene un proceso metodológico que evalúa de forma integral el impacto del cambio climático sobre la agricultura a escala de grandes extensiones, y a la vez permite determinar las necesidades de adaptación y gestión en función de las prioridades identificadas. ABSTRACT This thesis presents a methodological contribution for studying the impact of climate change on water use, focusing particularly on agriculture. Taking into account the different nature of the agriculture, this methodology addresses the impacts on rainfed and irrigated agriculture, integrating agricultural and water planning models with climate change simulations scenarios in order to determine impact indicators based on crop productivity and water availability for irrigation, respectively. The methodology incorporates the effect of climate variability on agriculture, assessing adaptation and management needs associated with mean impacts, variability in crop productivity and the effect of hydrologic variability on water availability for irrigation. Considering the vast amount of information provided by the outputs of the regional climate model (RCM) simulations and also its complexity for processing it, a tool has been developed to integrate different climate scenarios, methods and models to address the impact of climate change on agriculture at large scale. Firstly, a hydrological analysis of the climate change scenarios is performed under current (1961-1990) and future (2071-2100) situation in order to know exactly what the models projections say about the expected impact on the main variables involved in the hydrological cycle. Due to the availability of information for validating the results in current situation, the hydrological analysis is developed in the territorial areas of water planning in Spain, where the values of naturalized runoff have been estimated by the hydrological model SIMPA, which are used as observed data. By working in large-scale studies, the limited availability of data or lack of properly calibrated hydrological model makes difficult to obtain runoff time series. So as, a methodology is proposed to compare different interpolation methods and alternatives to generate annual times series that minimize the bias with respect to observed values. Thus, the best alternative is selected in order to obtain bias-corrected monthly time series from the RCM simulations. Four interpolation methods for downscaling runoff to the basin scale from different RCM are compared with emphasis on the ability of each method to reproduce the observed behavior of this variable. The alternatives consider the use of the direct runoff of the RCMs and the mean annual runoff calculated using five functional forms of the aridity index. The results are also compared with the global runoff reference provided by the UNH/GRDC dataset, as a contrast of the “best estimator” of current runoff on a large scale. Secondly, the impact of climate change on rainfed agriculture is assessed considering the combined effect of the risks associated with anomalies given by changes in the mean and variability of crop productivity in the agro-climatic regions of Europe. This procedure allows determining adaptation needs based on the regional impacts that must be addressed with greater urgency in light of the risks and opportunities identified. Statistical models of productivity response are used for this purpose which have been developed and calibrated in previous European study. Thirdly, the impact of climate change on irrigated agriculture is evaluated considering the water availability for irrigation as an indicator of the impact. Given that most studies have focused on assessing water availability in natural regime, the effect of regulation is incorporated in this approach. The analysis is developed in the Spanish territory considering the available information of the observed stream flows and the regulation system. The Water Availability and Adaptation Policy Assessment (WAAPA) model is used in this study, which allows obtaining the maximum demand that could be supplied under certain conditions (demand seasonal distribution, water supply system management, and reliability criteria) for different policy alternatives. The monthly bias corrected time series obtained by previous methodology are used in order to assess water availability in current situation. Climate change projections are constructed taking into account the variation in mean and coefficient of variation simulated by the RCM. The management needs are determined by the agricultural demands satisfaction through the comparison between water availability under current conditions and under climate change projections. Therefore, the methodology allows evaluating the impact of climate change on agriculture to large scale, using a tool that facilitates the process of a large amount of complex information provided by the RCM simulations, in order to determine the adaptation and management needs in accordance with the priorities of the indentified impacts.

Improving runoff estimates from regional climate models: a performance analysis in Spain

An important step to assess water availability is to have monthly time series representative of the current situation. In this context, a simple methodology is presented for application in large-scale studies in regions where a properly calibrated hydrologic model is not available, using the output variables simulated by regional climate models (RCMs) of the European project PRUDENCE under current climate conditions (period 1961–1990). The methodology compares different interpolation methods and alternatives to generate annual times series that minimise the bias with respect to observed values. The objective is to identify the best alternative to obtain bias-corrected, monthly runoff time series from the output of RCM simulations. This study uses information from 338 basins in Spain that cover the entire mainland territory and whose observed values of natural runoff have been estimated by the distributed hydrological model SIMPA. Four interpolation methods for downscaling runoff to the basin scale from 10 RCMs are compared with emphasis on the ability of each method to reproduce the observed behaviour of this variable. The alternatives consider the use of the direct runoff of the RCMs and the mean annual runoff calculated using five functional forms of the aridity index, defined as the ratio between potential evapotranspiration and precipitation. In addition, the comparison with respect to the global runoff reference of the UNH/GRDC dataset is evaluated, as a contrast of the “best estimator” of current runoff on a large scale. Results show that the bias is minimised using the direct original interpolation method and the best alternative for bias correction of the monthly direct runoff time series of RCMs is the UNH/GRDC dataset, although the formula proposed by Schreiber (1904) also gives good results