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

Impacts of projected maximum temperature extremes for C21 by an ensemble of regional climate models on cereal cropping systems in the Iberian Peninsula

Crops growing in the Iberian Peninsula may be subjected to damagingly high temperatures during the sensitive development periods of flowering and grain filling. Such episodes are considered important hazards and farmers may take insurance to offset their impact. Increases in value and frequency of maximum temperature have been observed in the Iberian Peninsula during the 20th century, and studies on climate change indicate the possibility of further increase by the end of the 21st century. Here, impacts of current and future high temperatures on cereal cropping systems of the Iberian Peninsula are evaluated, focusing on vulnerable development periods of winter and summer crops. Climate change scenarios obtained from an ensemble of ten Regional Climate Models (multimodel ensemble) combined with crop simulation models were used for this purpose and related uncertainty was estimated. Results reveal that higher extremes of maximum temperature represent a threat to summer-grown but not to winter-grown crops in the Iberian Peninsula. The study highlights the different vulnerability of crops in the two growing seasons and the need to account for changes in extreme temperatures in developing adaptations in cereal cropping systems. Finally, this work contributes to clarifying the causes of high-uncertainty impact projections from previous studies.

Comparison of methods for downscaling runoff from regional climate models in Spanish basins

At present there is much literature that refers to the advantages and disadvantages of different methods of statistical and dynamical downscaling of climate variables projected by climate models. Less attention has been paid to other indirect variables, like runoff, which play a significant role in evaluating the impact of climate change on hydrological systems. Runoff presents a much greater bias in climate models than other climate variables, like temperature or precipitation. It is very important to identify the methods that minimize bias while downscaling runoff from the gridded results of climate models to the basin scale

Influence of climate change on the flowering of temperate fruit trees

It is well known that winter chilling is necessary for the flowering of temperate trees. The chilling requirement is a criterion for choosing a species or variety at a given location. Also chemistry products can be used for reducing the chilling-hours needs but make our production more expensive. This study first analysed the observed values of chilling hours for some representative agricultural locations in Spain for the last three decades and their projected changes under climate change scenarios. Usually the chilling is measured and calculated as chilling-hours, and different methods have been used to calculate them (e.g. Richarson et al., 1974 among others) according to the species considered. For our objective North Carolina method (Shaltout and Unrath, 1983) was applied for apples, Utah method (Richardson et al. 1974) for peach and grapevine and the approach used by De Melo-Abreu et al. (2004) for olive trees. The influence of climate change in temperate trees was studied by calculating projections of chilling-hours with climate data from Regional Climate Models (RCMs) at high resolution (25 km) from the European Project ENSEMBLES (http://www.ensembles-eu.org/). These projections will allow for analysing the modelled variations of chill-hours between 2nd half of 20C and 1st half of 21C at the study locations.

Evolution of extreme temperature events in short term climate projection for Iberian Peninsula

Extreme events of maximum and minimum temperatures are a main hazard for agricultural production in Iberian Peninsula. For this purpose, in this study we analyze projections of their evolution that could be valid for the next decade, represented in this study by the 30-year period 2004-2034 (target period). For this purpose two kinds of data were used in this study: 1) observations from the station network of AEMET (Spanish National Meteorological Agency) for five Spanish locations, and 2) simulated data at a resolution of 50 50 km horizontal grid derived from the outputs of twelve Regional Climate Models (RCMs) taken from project ENSEMBLES (van der Linden and Mitchell, 2009), with a bias correction (Dosio and Paruolo, 2011; Dosio et al., 2012) regarding the observational dataset Spain02 (Herrera et al., 2012). To validate the simulated climate, the available period of observations was compared to a baseline period (1964-1994) of simulated climate for all locations. Then, to analyze the changes for the present/very next future, probability of extreme temperature events for 2004-2034 were compared to that of the baseline period. Although only minor changes are expected, small variations in variability may have a significant impact in crop performance.

Strategies for adapting maize to climate change and extreme temperatures in Andalusia, Spain

Climate projections indicate that rising temperatures will affect summer crops in the southern Iberian Peninsula. The aim of this study was to obtain projections of the impacts of rising temperatures, and of higher frequency of extreme events on irrigated maize, and to evaluate some adaptation strategies. The study was conducted at several locations in Andalusia using the CERES-Maize crop model, previously calibrated/validated with local experimental datasets. The simulated climate consisted of projections from regional climate models from the ENSEMBLES project; these were corrected for daily temperature and precipitation with regard to the E-OBS observational dataset. These bias-corrected projections were used with the CERES-Maize model to generate future impacts. Crop model results showed a decrease in maize yield by the end of the 21st century from 6 to 20%, a decrease of up to 25% in irrigation water requirements, and an increase in irrigation water productivity of up to 22%, due to earlier maturity dates and stomatal closure caused by CO2 increase. When adaptation strategies combining earlier sowing dates and cultivar changes were considered, impacts were compensated, and maize yield increased up to 14%, compared with the baseline period (1981-2010), with similar reductions in crop irrigation water requirements. Effects of extreme maximum temperatures rose to 40% at the end of the 21st century, compared with the baseline. Adaptation resulted in an overall reduction in extreme Tmax damages in all locations, with the exception of Granada, where losses were limited to 8%.

Viticultura y Cambio Climático en España: Vulnerabilidad en las distintas regiones y estrategias de adaptación frente al desarrollo de nuevas políticas

El presente trabajo realiza un análisis de la vulnerabilidad de la viticultura en España ante el Cambio Climático que contribuya a la mejora de la capacidad de respuesta del sector vitivinícola a la hora de afrontar los retos de la globalización. Para ello se analiza el impacto que puede tener el Cambio Climático en primer lugar sobre determinados riesgos ocasionados por eventos climáticos adversos relacionados con extremos climáticos y en segundo lugar, sobre los principales índices agro-climáticos definidos en el Sistema de Clasificación Climática Multicriterio Geoviticultura (MCGG), que permiten clasificar las zonas desde un punto de vista de su potencial climático. Para el estudio de las condiciones climáticas se han utilizado los escenarios de Cambio Climático regionalizados del proyecto ESCENA, desarrollados dentro del Plan Nacional de Adaptación al Cambio Climático (PNACC) con el fin de promover iniciativas de anticipación y respuesta al Cambio Climático hasta el año 2050. Como parte clave del estudio de la vulnerabilidad, en segundo lugar se miden las necesidades de adaptación para 56 Denominaciones de Origen Protegidas, definidas por los impactos y de acuerdo con un análisis de sensibilidad desarrollado en este trabajo. De este análisis se desprende que los esfuerzos de adaptación se deberían centrar en el mantenimiento de la calidad sobre todo para mejorar las condiciones en la época de maduración en los viñedos de la mitad norte, mientras que en las zonas de la mitad sur y del arco mediterráneo, además deberían buscar mantener la productividad en la viticultura. Los esfuerzos deberían ser más intensos en esta zona sur y también estarían sujetos a más limitaciones, ya que por ejemplo el riego, que podría llegar a ser casi obligatorio para mantener el cultivo, se enfrentaría a un contexto de mayor competencia y escasez de recursos hídricos. La capacidad de afrontar estas necesidades de adaptación determinará la vulnerabilidad del viñedo en cada zona en el futuro. Esta capacidad está definida por las propias necesidades y una serie de condicionantes sociales y de limitaciones legales, como las impuestas por las propias Denominaciones de Origen, o medioambientales, como la limitación del uso de agua. El desarrollo de estrategias que aseguren una utilización sostenible de los recursos hídricos, así como el apoyo de las Administraciones dentro de la nueva Política Agraria Común (PAC) pueden mejorar esta capacidad de adaptación y con ello disminuir la vulnerabilidad. ABSTRACT This paper analyzes the vulnerability of viticulture in Spain on Climate Change in order to improve the adaptive capacity of the wine sector to meet the diverse challenges of globalization. The risks to quality and quantity are explored by considering bioclimatic indices with specific emphasis on the Protected Designation of Origin areas that produce the premium winegrapes. The Indices selected represents risks caused by adverse climatic events related to climate extremes, and requirements of varieties and vintage quality in the case of those used in the Multicriteria Climatic Classification System. (MCCS). To study the climatic conditions, an ensemble of Regional Climate Models (RCMs) of ESCENA project, developed in the framework of the Spanish Plan for Regional Climate Change Scenarios (PNACC-2012) have been used As a key part of the study of vulnerability risks and opportunities are linked to adaptation needs across the Spanish territory. Adaptation efforts are calculated as proportional to the magnitude of change and according to a sensitivity analysis for 56 protected designations of origin. This analysis shows that adaptation efforts should focus on improving conditions in the ripening period to maintain quality in the vineyards of the northern half of Iberian Peninsula, while in areas of the southern half and in the Mediterranean basin, also should seek to maintain productivity of viticulture. Therefore, efforts should be more intense in the Southern and Eastern part, and may also be subject to other limitations, such as irrigation, which could become almost mandatory to keep growing, would face a context of increased competition and lack of resources water. The ability to meet these needs will determine the vulnerability of the vineyard in each region in the future. This capability is defined also by a number of social factors and legal limitations such as environmental regulations, limited water resources or those imposed by their own Designation of Origin. The development of strategies to ensure sustainable use of water resources and the support schemes in the new Common Agricultural Policy (CAP) can improve the resilience and thus reduce vulnerability.

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.

Analyzing climate change adaptation in the agriculture and water sectors: screening risks and opportunities.

As part of the Mediterranean area, the Guadiana basin in Spain is particularly exposed to increasing water stress due to climate change. Future warmer and drier climate will have negative implications for the sustainability of water resources and irrigation agriculture, the main socio- economic sector in the region. This paper illustrates a systematic analysis of climate change impacts and adaptation in the Guadiana basin based on a two-stage modeling approach. First, an integrated hydro-economic modeling framework was used to simulate the potential effects of regional climate change scenarios for the period 2000-2069. Second, a participatory multi-criteria technique, namely the Analytic Hierarchy Process (AHP), was applied to rank potential adaptation measures based on agreed criteria. Results show that, in the middle-long run and under severe climate change, reduced water availability, lower crop yields and increased irrigation demands might lead to water shortages, crop failure, and up to ten percent of income losses to irrigators. AHP results show how private farming adaptation measures, including improving irrigation efficiency and adjusting crop varieties, are preferred to public adaptation measures, such as building new dams. The integrated quantitative and qualitative methodology used in this research can be considered a socially-based valuable tool to support adaptation decision-making.

Propuesta metodológica para la identificación de medidas de adaptación al cambio climático en sistemas de recursos hídricos

Esta tesis realiza una contribución metodológica en el estudio de medidas de adaptación potencialmente adecuadas a largo plazo, donde los sistemas de recursos hídricos experimentan fuertes presiones debido a los efectos del cambio climático. Esta metodología integra el análisis físico del sistema, basándose en el uso de indicadores que valoran el comportamiento de éste, y el análisis económico mediante el uso del valor del agua. El procedimiento metodológico inicia con la construcción de un conjunto de escenarios futuros, que capturan por un lado las características de variabilidad de las aportaciones de diversos modelos climáticos y, por otro, las características hidrológicas de la zona de estudio. Las zonas de estudio seleccionadas fueron las cuencas del Guadalquivir, Duero y Ebro y se utilizaron como datos observados las series de escorrentía en régimen natural estimadas por el modelo SIMPA que está calibrado en la totalidad del territorio español. Estas series observadas corresponden al periodo 1961-1990. Los escenarios futuros construidos representan el periodo 2071-2100. La identificación de medidas de adaptación se apoyó en el uso de indicadores que sean capaces de caracterizar el comportamiento de un sistema de recursos hídricos frente a los efectos del cambio climático. Para ello se seleccionaron los indicadores de calidad de servicio (I1) y de confiabilidad de la demanda (I2) propuestos por Martin-Carrasco et al. (2012). Estos indicadores valoran el comportamiento de un sistema mediante la identificación de los problemas de escasez de agua que presente, y requieren para su cuantificación el uso de un modelo de optimización. Para este estudio se ha trabajado con el modelo de optimización OPTIGES. La determinación de estos indicadores fue realizada para análisis a corto plazo donde los efectos del cambio climático no son de relevancia, por lo que fue necesario analizar su capacidad para ser usados en sistemas afectados por dichos efectos. Para este análisis se seleccionaron tres cuencas españolas: Guadalquivir, Duero y Ebro, determinándose que I2 no es adecuado para este tipo de escenarios. Por ello se propuso un nuevo indicador “Indicador de calidad de servicio bajo cambio climático” (I2p) que mantiene los mismos criterios de valoración que I2 pero que responde mejor bajo fuertes reducciones de aportaciones producto del cambio climático. La metodología propuesta para la identificación de medidas de adaptación se basa en un proceso iterativo en el cual se van afectando diversos elementos que conforman el esquema del sistema bajo acciones de gestión previamente identificadas, hasta llegar a un comportamiento óptimo dado por el gestor. Las mejoras de estas afectaciones son cuantificadas mediante los indicadores I1 e I2p, y de este conjunto de valores se selecciona la que se acerca más al comportamiento óptimo. Debido a la extensa cantidad de información manejada en este análisis, se desarrolló una herramienta de cálculo automatizada en Matlab. El proceso seguido por esta herramienta es: (i) Ejecución del modelo OPTIGES para las diferentes modificaciones por acciones de gestión; (ii) Cálculo de los valores de I1 e I2p para cada una de estas afectaciones; y (iii) Selección de la mejor opción. Este proceso se repite hasta llegar al comportamiento óptimo buscado, permitiendo la identificación de las medidas de adaptación mas adecuadas. La aplicación de la metodología para la identificación de medidas de adaptación se realizó en la cuenca del Guadalquivir, por ser de las tres cuencas analizadas bajo los indicadores I1 e I2p la que presenta los problemas más serios de escasez de agua. Para la identificación de medidas de adaptación se analizaron dos acciones de gestión: 1) incremento de los volúmenes de regulación y 2) reducción de las demandas de riego, primero bajo la valoración del comportamiento físico del sistema (análisis de sensibilidad) permitiendo identificar que la primera acción de gestión no genera cambios importantes en el comportamiento del sistema, que si se presentan bajo la segunda acción. Posteriormente, con la acción que genera cambios importantes en el comportamiento del sistema (segunda acción) se identificaron las medidas de adaptación más adecuadas, mediante el análisis físico y económico del sistema. Se concluyó que en la cuenca del Guadalquivir, la acción de reducción de las demandas de riego permite minimizar e incluso eliminar los problemas de escasez de agua que se presentarían a futuro bajo diferentes proyecciones hidrológicas, aunque estas mejoras implicarían fuertes reducciones en dichas demandas. Siendo las demandas más afectadas aquellas ubicadas en cabecera de cuenca. Los criterios para la reducción de las demandas se encuentran en función de las productividades y garantías con las que son atendidas dichas demandas. This thesis makes a methodological contribution to the study of potentially suitable adaptation measures in the long term, where water resource systems undergo strong pressure due to the effects of climate change. This methodology integrates the physical analysis of the system, by the use of indicators which assess its behavior, and the economic analysis by the use of the value of water. The methodological procedure begins with the building of a set of future scenarios that capture, by one hand, the characteristics and variability of the streamflow of various climate models and, on the other hand, the hydrological characteristics of the study area. The study areas chosen were the Guadalquivir, Ebro and Duero basins, and as observed data where used runoff series in natural regimen estimated by the SIMPA model, which is calibrated in the whole Spanish territory. The observed series are for the 1961-1990 period. The future scenarios built represent the 2071-2100 periods. The identification of adaptation measures relied on the use of indicators that were able of characterize the behavior of one water resource system facing the effects of climate change. Because of that, the Demand Satisfaction Index (I1) and the Demand Reliability Index (I2) proposed by Martin-Carrasco et al. (2012) were selected. These indicators assess the behavior of a system by identifying the water scarcity problems that it presents, and require in order to be quantified the use of one optimization model. For this study the OPTIGES optimization model has been used. The determination of the indicators was made for the short-term analysis where the climates change effect are not relevant, so it was necessary to analyze their capability to be used in systems affected by those these. For this analysis three Spanish basins were selected: Guadalquivir, Duero and Ebro. It was determined that the indicator I2 is not suitable for this type of scenario. It was proposed a new indicator called “Demand Reliability Index under climate change” (I2p), which keeps the same assessment criteria than I2, but responsive under heavy reductions of streamflow due to climate change. The proposed methodology for identifying adaptation measures is based on an iterative process, in which the different elements of the system´s schema are affected by previously defined management actions, until reach an optimal behavior given by the manager. The improvements of affectations are measured by indicators I1 e I2p, and from this set of values it is selected the affectation that is closer to the optimal behavior. Due to the large amount of information managed in this analysis, it was developed an automatic calculation tool in Matlab. The process followed by this tool is: Firstly, it executes the OPTIGES model for the different modifications by management actions; secondly, it calculates the values of I1 e I2p for each of these affectations; and finally it chooses the best option. This process is performed for the different iterations that are required until reach the optimal behavior, allowing to identify the most appropriate adaptation measured. The application of the methodology for the identification of adaptation measures was conducted in the Guadalquivir basin, due to this was from the three basins analyzed under the indicators I1 e I2p, which presents the most serious problems of water scarcity. For the identification of adaptation measures there were analyzed two management actions: 1) To increase the regulation volumes, and 2) to reduce the irrigation demands, first under the assessment of the physical behavior of the system (sensibility analysis), allowing to identify that the first management action does not generate significant changes in the system´s behavior, which there are present under the second management action. Afterwards, with the management action that generates significant changes in the system´s behavior (second management action), there were identified the most adequate adaptation measures, through the physical and economic analysis of the system. It was concluded that in the Guadalquivir basin, the action of reduction of irrigation demands allows to minimize or even eliminate the water scarcity problems that could exist in the future under different hydrologic projections, although this improvements should involve strong reductions of the irrigation demands. Being the most affected demands those located in basins head. The criteria for reducing the demands are based on the productivities and reliabilities with which such demands are meet.

Modelos de análisis econométrico espacial aplicados al desarrollo económico

Los modelos de desarrollo regional, rural y urbano arrancaron en la década de los 90 en Estados Unidos, modelando los factores relacionados con la economía que suministran información y conocimiento acerca de cómo los parámetros geográficos y otros externos influencian la economía regional. El desarrollo regional y en particular el rural han seguido diferentes caminos en Europa y España, adoptando como modelo los programas estructurales de la UE ligados a la PAC. El Programa para el Desarrollo Rural Sostenible, recientemente lanzado por el Gobierno de España (2010) no profundiza en los modelos económicos de esta economía y sus causas. Este estudio pretende encontrar pautas de comportamiento de las variables de la economía regional-rural, y como el efecto de distribución geográfica de la población condiciona la actividad económica. Para este propósito, y utilizando datos espaciales y económicos de las regiones, se implementaran modelos espaciales que permitan evaluar el comportamiento económico, y verificar hipótesis de trabajo sobre la geografía y la economía del territorio. Se utilizarán modelos de análisis espacial como el análisis exploratorio espacial y los modelos econométricos de ecuaciones simultáneas, y dentro de estas los modelos ampliamente utilizados en estudios regionales de Carlino-Mills- Boarnet. ABSTRACT The regional development models for rural and urban areas started in USA in the ´90s, modeling the economy and the factors involved to understand and collect the knowledge of how the external parameters influenced the regional economy. Regional development and in particular rural development has followed different paths in Europe and Spain, adopting structural programs defined in the EU Agriculture Common Policy. The program for Sustainable Rural Development recently implemented in Spain (2010) is short sighted considering the effects of the regional economy. This study endeavors to underline models of behavior for the rural and regional economy variables, and how the regional distribution of population conditions the economic activities. For that purpose using current spatial regional economic data, this study will implement spatial economic models to evaluate the behavior of the regional economy, including the evaluation of working hypothesis about geography and economy in the territory. The approach will use data analysis models, like exploratory spatial data analysis, and spatial econometric models, and in particular for its wide acceptance in regional analysis, the Carlino-Mills-Boarnet equations model.

Determinación de un modelo de geoide gravimétrico para Puerto Rico como sistema de referencia para las altitudes ortométricas

El geoide, definido como la superficie equipotencial que mejor se ajusta (en el sentido de los mínimos cuadrados) al nivel medio del mar en una determinada época, es la superficie que utilizamos como referencia para determinar las altitudes ortométricas. Si disponemos de una superficie equipotencial de referencia como dátum altimétrico preciso o geoide local, podemos entonces determinar las altitudes ortométricas de forma eficiente a partir de las altitudes elipsoidales proporcionadas por el Sistema Global de Navegación por Satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS ). Como es sabido uno de los problemas no resueltos de la geodesia (quizás el más importante de los mismos en la actualidad) es la carencia de un dátum altimétrico global (Sjoberg, 2011) con las precisiones adecuadas. Al no existir un dátum altimétrico global que nos permita obtener los valores absolutos de la ondulación del geoide con la precisión requerida, es necesario emplear modelos geopotenciales como alternativa. Recientemente fue publicado el modelo EGM2008 en el que ha habido una notable mejoría de sus tres fuentes de datos, por lo que este modelo contiene coeficientes adicionales hasta el grado 2190 y orden 2159 y supone una sustancial mejora en la precisión (Pavlis et al., 2008). Cuando en una región determinada se dispone de valores de gravedad y Modelos Digitales del Terreno (MDT) de calidad, es posible obtener modelos de superficies geopotenciales más precisos y de mayor resolución que los modelos globales. Si bien es cierto que el Servicio Nacional Geodésico de los Estados Unidos de América (National Geodetic Survey, NGS) ha estado desarrollando modelos del geoide para la región de los Estados Unidos de América continentales y todos sus territorios desde la década de los noventa, también es cierto que las zonas de Puerto Rico y las Islas Vírgenes Estadounidenses han quedado un poco rezagadas al momento de poder aplicar y obtener resultados de mayor precisión con estos modelos regionales del geoide. En la actualidad, el modelo geopotencial regional vigente para la zona de Puerto Rico y las Islas Vírgenes Estadounidenses es el GEOID12A (Roman y Weston, 2012). Dada la necesidad y ante la incertidumbre de saber cuál sería el comportamiento de un modelo del geoide desarrollado única y exclusivamente con datos de gravedad locales, nos hemos dado a la tarea de desarrollar un modelo de geoide gravimétrico como sistema de referencia para las altitudes ortométricas. Para desarrollar un modelo del geoide gravimétrico en la isla de Puerto Rico, fue necesario implementar una metodología que nos permitiera analizar y validar los datos de gravedad terrestre existentes. Utilizando validación por altimetría con sistemas de información geográfica y validación matemática por colocación con el programa Gravsoft (Tscherning et al., 1994) en su modalidad en Python (Nielsen et al., 2012), fue posible validar 1673 datos de anomalías aire libre de un total de 1894 observaciones obtenidas de la base de datos del Bureau Gravimétrico Internacional (BGI). El aplicar estas metodologías nos permitió obtener una base de datos anomalías de la gravedad fiable la cual puede ser utilizada para una gran cantidad de aplicaciones en ciencia e ingeniería. Ante la poca densidad de datos de gravedad existentes, fue necesario emplear un método alternativo para densificar los valores de anomalías aire libre existentes. Empleando una metodología propuesta por Jekeli et al. (2009b) se procedió a determinar anomalías aire libre a partir de los datos de un MDT. Estas anomalías fueron ajustadas utilizando las anomalías aire libre validadas y tras aplicar un ajuste de mínimos cuadrados por zonas geográficas, fue posible obtener una malla de datos de anomalías aire libre uniforme a partir de un MDT. Tras realizar las correcciones topográficas, determinar el efecto indirecto de la topografía del terreno y la contribución del modelo geopotencial EGM2008, se obtuvo una malla de anomalías residuales. Estas anomalías residuales fueron utilizadas para determinar el geoide gravimétrico utilizando varias técnicas entre las que se encuentran la aproximación plana de la función de Stokes y las modificaciones al núcleo de Stokes, propuestas por Wong y Gore (1969), Vanicek y Kleusberg (1987) y Featherstone et al. (1998). Ya determinados los distintos modelos del geoide gravimétrico, fue necesario validar los mismos y para eso se utilizaron una serie de estaciones permanentes de la red de nivelación del Datum Vertical de Puerto Rico de 2002 (Puerto Rico Vertical Datum 2002, PRVD02 ), las cuales tenían publicados sus valores de altitud elipsoidal y elevación. Ante la ausencia de altitudes ortométricas en las estaciones permanentes de la red de nivelación, se utilizaron las elevaciones obtenidas a partir de nivelación de primer orden para determinar los valores de la ondulación del geoide geométrico (Roman et al., 2013). Tras establecer un total de 990 líneas base, se realizaron dos análisis para determinar la 'precisión' de los modelos del geoide. En el primer análisis, que consistió en analizar las diferencias entre los incrementos de la ondulación del geoide geométrico y los incrementos de la ondulación del geoide de los distintos modelos (modelos gravimétricos, EGM2008 y GEOID12A) en función de las distancias entre las estaciones de validación, se encontró que el modelo con la modificación del núcleo de Stokes propuesta por Wong y Gore presentó la mejor 'precisión' en un 91,1% de los tramos analizados. En un segundo análisis, en el que se consideraron las 990 líneas base, se determinaron las diferencias entre los incrementos de la ondulación del geoide geométrico y los incrementos de la ondulación del geoide de los distintos modelos (modelos gravimétricos, EGM2008 y GEOID12A), encontrando que el modelo que presenta la mayor 'precisión' también era el geoide con la modificación del núcleo de Stokes propuesta por Wong y Gore. En este análisis, el modelo del geoide gravimétrico de Wong y Gore presento una 'precisión' de 0,027 metros en comparación con la 'precisión' del modelo EGM2008 que fue de 0,031 metros mientras que la 'precisión' del modelo regional GEOID12A fue de 0,057 metros. Finalmente podemos decir que la metodología aquí presentada es una adecuada ya que fue posible obtener un modelo del geoide gravimétrico que presenta una mayor 'precisión' que los modelos geopotenciales disponibles, incluso superando la precisión del modelo geopotencial global EGM2008. ABSTRACT The geoid, defined as the equipotential surface that best fits (in the least squares sense) to the mean sea level at a particular time, is the surface used as a reference to determine the orthometric heights. If we have an equipotential reference surface or a precise local geoid, we can then determine the orthometric heights efficiently from the ellipsoidal heights, provided by the Global Navigation Satellite System (GNSS). One of the most common and important an unsolved problem in geodesy is the lack of a global altimetric datum (Sjoberg, 2011)) with the appropriate precision. In the absence of one which allows us to obtain the absolute values of the geoid undulation with the required precision, it is necessary to use alternative geopotential models. The EGM2008 was recently published, in which there has been a marked improvement of its three data sources, so this model contains additional coefficients of degree up to 2190 and order 2159, and there is a substantial improvement in accuracy (Pavlis et al., 2008). When a given region has gravity values and high quality digital terrain models (DTM), it is possible to obtain more accurate regional geopotential models, with a higher resolution and precision, than global geopotential models. It is true that the National Geodetic Survey of the United States of America (NGS) has been developing geoid models for the region of the continental United States of America and its territories from the nineties, but which is also true is that areas such as Puerto Rico and the U.S. Virgin Islands have lagged behind when to apply and get more accurate results with these regional geopotential models. Right now, the available geopotential model for Puerto Rico and the U.S. Virgin Islands is the GEOID12A (Roman y Weston, 2012). Given this need and given the uncertainty of knowing the behavior of a regional geoid model developed exclusively with data from local gravity, we have taken on the task of developing a gravimetric geoid model to use as a reference system for orthometric heights. To develop a gravimetric geoid model in the island of Puerto Rico, implementing a methodology that allows us to analyze and validate the existing terrestrial gravity data is a must. Using altimetry validation with GIS and mathematical validation by collocation with the Gravsoft suite programs (Tscherning et al., 1994) in its Python version (Nielsen et al., 2012), it was possible to validate 1673 observations with gravity anomalies values out of a total of 1894 observations obtained from the International Bureau Gravimetric (BGI ) database. Applying these methodologies allowed us to obtain a database of reliable gravity anomalies, which can be used for many applications in science and engineering. Given the low density of existing gravity data, it was necessary to employ an alternative method for densifying the existing gravity anomalies set. Employing the methodology proposed by Jekeli et al. (2009b) we proceeded to determine gravity anomaly data from a DTM. These anomalies were adjusted by using the validated free-air gravity anomalies and, after that, applying the best fit in the least-square sense by geographical area, it was possible to obtain a uniform grid of free-air anomalies obtained from a DTM. After applying the topographic corrections, determining the indirect effect of topography and the contribution of the global geopotential model EGM2008, a grid of residual anomalies was obtained. These residual anomalies were used to determine the gravimetric geoid by using various techniques, among which are the planar approximation of the Stokes function and the modifications of the Stokes kernel, proposed by Wong y Gore (1969), Vanicek y Kleusberg (1987) and Featherstone et al. (1998). After determining the different gravimetric geoid models, it was necessary to validate them by using a series of stations of the Puerto Rico Vertical Datum of 2002 (PRVD02) leveling network. These stations had published its values of ellipsoidal height and elevation, and in the absence of orthometric heights, we use the elevations obtained from first - order leveling to determine the geometric geoid undulation (Roman et al., 2013). After determine a total of 990 baselines, two analyzes were performed to determine the ' accuracy ' of the geoid models. The first analysis was to analyze the differences between the increments of the geometric geoid undulation with the increments of the geoid undulation of the different geoid models (gravimetric models, EGM2008 and GEOID12A) in function of the distance between the validation stations. Through this analysis, it was determined that the model with the modified Stokes kernel given by Wong and Gore had the best 'accuracy' in 91,1% for the analyzed baselines. In the second analysis, in which we considered the 990 baselines, we analyze the differences between the increments of the geometric geoid undulation with the increments of the geoid undulation of the different geoid models (gravimetric models, EGM2008 and GEOID12A) finding that the model with the highest 'accuracy' was also the model with modifying Stokes kernel given by Wong and Gore. In this analysis, the Wong and Gore gravimetric geoid model presented an 'accuracy' of 0,027 meters in comparison with the 'accuracy' of global geopotential model EGM2008, which gave us an 'accuracy' of 0,031 meters, while the 'accuracy ' of the GEOID12A regional model was 0,057 meters. Finally we can say that the methodology presented here is adequate as it was possible to obtain a gravimetric geoid model that has a greater 'accuracy' than the geopotential models available, even surpassing the accuracy of global geopotential model EGM2008.

The impact of large-scale circulation patterns on summer crop in Iberian Peninsula

Large-scale circulations patterns (ENSO, NAO) have been shown to have a significant impact on seasonal weather, and therefore on crop yield over many parts of the world(Garnett and Khandekar, 1992; Aasa et al., 2004; Rozas and Garcia-Gonzalez, 2012). In this study, we analyze the influence of large-scale circulation patterns and regional climate on the principal components of maize yield variability in Iberian Peninsula (IP) using reanalysis datasets. Additionally, we investigate the modulation of these relationships by multidecadal patterns. This study is performed analyzing long time series of maize yield, only climate dependent, computed with the crop model CERES-maize (Jones and Kiniry, 1986) included in Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT v.4.5).

Desarrollo de un método estadístico para la generación de escenarios climáticos de alta resolución a partir de simulaciones de baja resolución de Modelos de Circulación General: aplicación a España

Esta tesis doctoral presenta el desarrollo, verificación y aplicación de un método original de regionalización estadística para generar escenarios locales de clima futuro de temperatura y precipitación diarias, que combina dos pasos. El primer paso es un método de análogos: los "n" días cuya configuración atmosférica de baja resolución es más parecida a la del día problema, se seleccionan de un banco de datos de referencia del pasado. En el segundo paso, se realiza un análisis de regresión múltiple sobre los "n" días más análogos para la temperatura, mientras que para la precipitación se utiliza la distribución de probabilidad de esos "n" días análogos para obtener la estima de precipitación. La verificación de este método se ha llevado a cabo para la España peninsular y las Islas Baleares. Los resultados muestran unas buenas prestaciones para temperatura (BIAS cerca de 0.1ºC y media de errores absolutos alrededor de 1.9ºC); y unas prestaciones aceptables para la precipitación (BIAS razonablemente bajo con una media de -18%; error medio absoluto menor que para una simulación de referencia (la persistencia); y una distribución de probabilidad simulada similar a la observada según dos test no-paramétricos de similitud). Para mostrar la aplicabilidad de la metodología desarrollada, se ha aplicado en detalle en un caso de estudio. El método se aplicó a cuatro modelos climáticos bajo diferentes escenarios futuros de emisiones de gases de efecto invernadero, para la región de Aragón, produciendo así proyecciones futuras de precipitación y temperaturas máximas y mínimas diarias. La fiabilidad de la técnica de regionalización fue evaluada de nuevo para el caso de estudio mediante un proceso de verificación. Para determinar la capacidad de los modelos climáticos para simular el clima real, sus simulaciones del pasado (la denominada salida 20C3M) se regionalizaron y luego se compararon con el clima observado (los resultados son bastante robustos para la temperatura y menos concluyentes para la precipitación). Las proyecciones futuras a escala local presentan un aumento significativo durante todo el siglo XXI de las temperaturas máximas y mínimas para todos los futuros escenarios de emisiones considerados. Las simulaciones de precipitación presentan mayores incertidumbres. Además, la aplicabilidad práctica del método se demostró también mediante su utilización para producir escenarios climáticos futuros para otros casos de estudio en los distintos sectores y regiones del mundo. Se ha prestado especial atención a una aplicación en Centroamérica, una región que ya está sufriendo importantes impactos del cambio climático y que tiene un clima muy diferente. ABSTRACT This doctoral thesis presents the development, verification and application of an original downscaling method for daily temperature and precipitation, which combines two statistical approaches. The first step is an analogue approach: the “n” days most similar to the day to be downscaled are selected. In the second step, a multiple regression analysis using the “n” most analogous days is performed for temperature, whereas for precipitation the probability distribution of the “n” analogous days is used to obtain the amount of precipitation. Verification of this method has been carried out for the Spanish Iberian Peninsula and the Balearic Islands. Results show good performance for temperature (BIAS close to 0.1ºC and Mean Absolute Errors around 1.9ºC); and an acceptable skill for precipitation (reasonably low BIAS with a mean of - 18%, Mean Absolute Error lower than for a reference simulation, i.e. persistence, and a well-simulated probability distribution according to two non-parametric tests of similarity). To show the applicability of the method, a study case has been analyzed. The method was applied to four climate models under different future emission scenarios for the region of Aragón, thus producing future projections of daily precipitation and maximum and minimum temperatures. The reliability of the downscaling technique was re-assessed for the study case by a verification process. To determine the ability of the climate models to simulate the real climate, their simulations of the past (the 20C3M output) were downscaled and then compared with the observed climate – the results are quite robust for temperature and less conclusive for the precipitation. The downscaled future projections exhibit a significant increase during the entire 21st century of the maximum and minimum temperatures for all the considered future emission scenarios. Precipitation simulations exhibit greater uncertainties. Furthermore, the practical applicability of the method was demonstrated also by using it to produce future climate scenarios for some other study cases in different sectors and regions of the world. Special attention was paid to an application of the method in Central America, a region that is already suffering from significant climate change impacts and that has a very different climate from others where the method was previously applied.

A regional comparison of the effects of climate change on agricultural crops in Europe

The effects of climate change will be felt by most farmers in Europe over the next decades. This study provides consistent results of the impact of climate change on arable agriculture in Europe by using high resolution climate data, socio-economic data, and impact assessment models, including farmer adaptation. All scenarios are consistent with the spatial distribution of effects, exacerbating regional disparities and current vulnerability to climate. Since the results assume no restrictions on the use of water for irrigation or on the application of agrochemicals, they may be considered optimistic from the production point of view and somewhat pessimistic from the environmental point of view. The results provide an estimate of the regional economic impact of climate change, as well as insights into the importance of mitigation and adaptation policies.