Evolución de los extremos hídricos en Catalunya en los últimos 500 años y su modelización regional

Abstract

L'objectiu de la present tesi doctoral és la caracterització de l'evolució temporal dels extrems hídrics (inundacions i sequeres) i de la precipitació a Catalunya per a un període temporal el més llarg possible. Es pretén amb això posar en perspectiva la situació actual (últims 30 anys) així com proporcionar un nivell de referència per a la variabilitat natural. Els extrems hídrics són el desastre natural que produeix el major impacte socioeconòmic i la seva freqüència d'incidència és molt sensible a petits canvis en l'estat mitjà del clima (per exemple la temperatura). L'escalfament global actual provocat per l'increment en la concentració dels GEHs provocarà una alteració del cicle hidrològic i un canvi en les precipitacions i en l'ocurrència dels extrems hídrics, sent la zona Mediterrània una de les regions de la Terra més afectades (IPCC, 2007). Diversos estudis afirmen que la precipitació ja està disminuint en gran part la Península Ibèrica, sobretot en el sud i la zona mediterrània (Esteban-Parra et al., 1998; Romero et al., 1998; Alpert et al., 2002; Goodess i Jones, 2002; Paredes et al., 2006), però la majoria d'aquests estudis estan basats bé en sèries molt curtes o bé en un nombre petit d'estacions. Existeixen també arguments dinàmics per a suposar que la precipitació disminuirà en les pròximes dècades en tots els cinturons subtropicals, incloent-hi el Mediterrani (IPCC, 2007).

En aquesta tesi s'ha analitzat l'evolució dels extrems hídrics (principalment inundacions) a Catalunya (1301−2005) a partir de diferents tipus d'informació, que engloben des d'informació històrica procedent d'arxius documentals i sèries instrumentals antigues fins a models numèrics de predicció. També s'han analitzat la relació entre les inundacions i la precipitació amb la NAO, la relació entre inundacions i precipitació diària, així com els TPs (patrons de SLP) associats a inundacions per a períodes històrics d'elevada ocurrència d'aquests esdeveniments. Finalment s'hi presenten els resultats de simulacions regionalitzades de la precipitació i dels extrems hídrics recents (últims 30 anys) i passats (últims 500 anys).

La informació històrica utilitzada està formada d'una banda per les cronologies d'inundació de dotze localitats catalanes distingint-se entre inundacions EXT (desbordaments amb lleus danys o sense danys) i CAT (desbordaments amb danys greus o destrucció total) per al període 1301−2005. La sèrie d'índexs hídrics (combinació d'inundacions i rogatives pro pluja) de la Ciutat de Barcelona per al període 1521−1850 és l'altre tipus de dades documentals utilitzades. La informació instrumental antiga consta de catorze sèries diàries de SLP repartides per tot Europa per al període 1780–1880 i la sèrie de precipitació de Barcelona Ciutat (mensual per a 1786–2005 i diària per a 1854–2005). S'han utilitzat també altres sèries de precipitació llargues, procedents de l'AEMET, per al període 1898–1998 (106 sèries en total) per al conjunt d'Espanya, per a així tenir una visió espacialment més àmplia de l'evolució de la precipitació durant el segle XX analitzant sèries regionals (precipitació areal). El model meteorològic utilitzat per a desenvolupar simulacions regionalitzades és l'MM5 (model d'àrea limitada) niat i forçat a les condicions inicials i de contorn de les Reanàlisis de l'ERA40 de l'ECMWF, així com al model climàtic ECHO-G per a diferents períodes i resolucions: 1971−2000 (135−45−15 km) per a les reanàlisis (ERA40) i 1502−1989 (135−45 km) per al model climàtic (ECHO-G).

L'anàlisi de totes les dades i informació utilitzades permet concloure que la variabilitat observada els últims 30 anys, així com durant el segle XX, no és destacable respecte a altres períodes passats anòmals en els quals hi va haver una major variabilitat (gran ocurrència d'inundacions i sequeres). Tampoc és destacable la variabilitat actual en analitzar sèries pluviomètriques llargues, tant de Catalunya com de la resta de l'Estat Espanyol. En referència a les tendències presentades pels extrems hídrics, cal comentar la dificultat que presenta la seva anàlisi, ja que és fàcil confondre entre augment d'incidència i augment de vulnerabilitat. No s'han trobat tendències destacades estadísticament significatives per a les inundacions CAT, que al ser les produïdes pels episodis meteorològics més extrems, no estan tan influenciades pels canvis en la vulnerabilitat. En canvi, sí que s'ha produït un augment de les inundacions EXT per als últims 150 anys aproximadament (1850−2005), encara que aquest augment és degut en gran part a l'increment de la vulnerabilitat de la zona per l'ocupació de zones inundables.

Les sèries regionals de precipitació areal analitzades no mostren una tendència a llarg termini estadísticament significativa durant el segle XX per al conjunt d'Espanya. A més a més s'ha observat que la tendència és altament depenent de la longitud i període d'estudi de la sèrie, arribant fins i tot a canviar de signe. Només es troben tendències estadísticament significatives per a la primavera a la regió CS (-0,51 mm·a-1) i la regió BAL presenta una tendència de -0,28 mm·a-1 per a l’estiu. La tendència anual més gran s’observa per a la regió NW amb un augment estadísticament significatiu de 1,50 mm·a-1. Per una altra banda, només cal destacar com a tendència recent estadísticament significativa una disminució de la precipitació de 4,0 mm·a-1 per al període 1968−1997 que presenta la sèrie de precipitació areal de la zona NE de la Península Ibèrica (encara que comparable a tendències de curt termini anteriors), en la qual s'hi troba Catalunya. En canvi, la sèrie llarga de precipitació de la Ciutat de Barcelona (1786−2005) no presenta cap tendència recent ni a llarg termini. Tampoc presenta tendència l'evolució de la precipitació extrema diària a Barcelona (1854−2005), sent significatiu solament un augment en el nombre total de dies amb precipitació apreciable (≥ 0,1 mm) acompanyat d'un augment en el nombre de dies amb precipitacions febles (≤ 1 mm).

En referència a la relació entre precipitació i inundacions, la comparació entre les inundacions ocorregudes a la Ciutat de Barcelona i la seva sèrie de precipitació diària ha mostrat el valor de 50 mm com un llindar de precipitació diària a partir del qual solen produir-se inundacions. Aquesta estació urbana a més ofereix la possibilitat d'estudiar en detall com els canvis en la vulnerabilitat (ocupació de zones inundables, millores en la xarxa de drenatge i clavegueram...) influeixen en el canvi en la freqüència de les inundacions i sobretot en la de les inundacions sobtades. Tant les inundacions EXT com les sobtades augmenten considerablement a mitjan segle XIX coincidint amb l'enderrocament de les muralles que protegien la ciutat i l'ocupació de zones inundables, circumstància que va coincidir amb un augment d'inundacions a tot Catalunya. En canvi, les inundacions CAT no mostren cap tendència i apunten cap a una disminució durant els últims anys gràcies en gran part a les millores en la xarxa de drenatge de la ciutat.

La relació entre la NAO i la precipitació areal per al període 1898−1998 per al conjunt de l'Estat Espanyol presenta una correlació variable segons l'època de l'any, sent màxima durant l'hivern, amb valors de −0,7 per a la regió CS de la Península Ibèrica i valors per sota de −0,5 en les regions NE, LEV i CN d'Espanya. És interessant fer notar

que la correlació NAO-precipitació no és estacionària durant el període 1898−1998, sent màxima per als últims 30 anys de les sèries considerades (1968−1998). Les correlacions aquí trobades són superiors que les obtingudes en treballs anteriors per altres autors. D'altra banda, la relació de les inundacions amb índexs de circulació, com la NAO, mostra una correlació feble. Per tant és descartable una relació directa entre ambdues variables. També és feble la correlació entre inundacions a Catalunya i l'activitat solar.

En relació amb els TPs (patrons de SLP) associats a inundacions per a un període d'elevada ocurrència d'inundacions (1840−1870), concloem que aquests són comparables als identificats per al segle XX per altres autors, però la seva distribució al llarg de l'any és diferent, amb un increment d'inundacions produïdes durant la primavera. A més, aquest període presenta un major percentatge d'inundacions CAT, d'un 52%, enfront del 18% del període actual (1971−2000) i una elevada ocurrència del TP més favorable a produir precipitacions intenses i inundacions CAT (fluxos de vent del S en superfície). En referència a la circulació atmosfèrica diària durant el període 1840−1870, no sembla haver-hi cap anomalia significativa que pogués explicar la gran ocurrència d'inundacions registrades, tot i que s’observa un predomini de la circulació meridional. Una possible explicació a l'anomalia observada durant aquest període podria trobar-se en el fet que aquest període va tenir lloc en el Final de la PEG. En aquesta època s'hi acumulava una major quantitat de neu en cotes mitjanes i altes dels Pirineus respecte a l'actualitat. Aquest fet junt amb el predomini de la circulació càlida meridional durant la primavera podria ser la raó principal de l'elevada ocurrència d'inundacions a la primavera.

Les simulacions climàtiques realitzades amb el model mesoescalar MM5, niat i forçat a les condicions de contorn d'un MCG (downscaling o redimensionament dinàmic), han mostrat la importància de la resolució espacial dels dominis d'integració per a poder reproduir la distribució espacial de la precipitació a Catalunya. Sobretot és important per a reproduir el màxim pluviomètric que s'observa a la zona NE de la regió. En canvi, per a l'anàlisi de l'evolució temporal de la precipitació no existeixen diferències apreciables entre diferents resolucions. Les simulacions també han mostrat ser una bona tècnica per a reproduir els patrons espacials de precipitació (anual, semianual, primavera i estiu), l'evolució de les anomalies mitjanes anuals i la de variables derivades de la precipitació extrema (nombre de dies amb precipitació > 50 mm). D'una banda, la simulació del MM5 niat i forçat a les Reanàlisis de l'ERA40 (1971−2000) també permet definir TPs associats als episodis causants d'inundacions consistents amb els obtinguts amb l'ERA40 (condicions observades). D'altra banda, la simulació del MM5 niat i forçat al model acoblat atmosfera-oceà ECHO-G (1502−1989) produeix un rang de variabilitat multidecadal consistent amb l'observat (precipitació areal de la zona NE de la Península Ibèrica i la precipitació de Barcelona) per als últims 100−200 anys del període d'estudi. També existeix un acord entre l'evolució dels valors simulats i els observats per al període 1898−1989. Aquesta simulació també reprodueix en part l'evolució de les inundacions CAT a Catalunya des de finals del segle XVI fins a principis del segle XVIII. D'aquest estudi es desprèn que seria necessària una simulació no forçada del clima passat per a trobar si en absència de forçaments externs, la variabilitat interna multidecadal en el model és fonamentalment diferent (freqüència o/i amplitud). Per a totes les variables comentades anteriorment el model MM5 niat i forçat a un MCG serà una bona tècnica per a la generació d'escenaris climàtics regionalitzats bé siguin passats o futurs. En canvi, no estan bé simulats els cicles estacional i anual mitjos, així com la distribució espacial de la precipitació mitja de tardor i hivern. Per a aquestes variables la tècnica aquí presentada no serà útil per a la generació d'escenaris climàtics regionalitzats.

Finalment, en aquesta tesi a través de l'anàlisi exhaustiva que s'ha realitzat a sèries d'extrems hídrics i precipitació amb una gran extensió temporal, superior a la de molts estudis anteriors, es pot concloure que els canvis previstos en la precipitació per les simulacions IPCC-ARS deguts a l'increment en la concentració de GEHs encara no s'han produït a Catalunya ni a la resta de l'Estat Espanyol.

The aim of the present thesis is to characterise the evolution of hydric extremes (floods and droughts) and the precipitation in Catalonia (NE Spain) for a period as longer as possible. It is expected to provide a reference level for natural variability and to contextualise the current situation (last 30 years). The hydric extremes are the natural hazard producing the highest socio-economic impact and its occurrence frequency is very sensitive to little changes in the mean state of climate (for example temperature). The global warming due to the increase of GHG concentrations will drive to change the hydrological cycle, precipitation and hydric extreme occurrence. The Mediterranean region will be among the most affected areas (IPCC, 2007). Some studies state that the precipitation is decreasing in wide areas of the Iberian peninsula, overall in the South and the Mediterranean zone (Esteban-Parra et al., 1998; Romero et al., 1998; Alpert et al., 2002; Goodess y Jones, 2002; Paredes et al., 2006), but most of these studies are based on very short temporal series or even a little number of them. There are also dynamical reasons to suppose a decrease in precipitation for all subtropical zones during the next decades, including the Mediterranean area (IPCC, 2007).

In this dissertation, the evolution of hydric extremes (basically floods) in Catalonia (1301−2005) has been analysed from different sources of information: historical data obtained from documentary sources, old instrumental series and meteorological models. The possible relationship between floods and precipitation with NAO, and the floods and daily precipitation link, as well as the weather types (SLP patterns) producing floods for historical periods of high occurrence of extreme events have been also analysed. Finally results from recent (last 30 years) and past (last 500 years) regional simulations of precipitation and hydric extreme are presented.

The historical information used, is is collected from twelve flood chronologies with EXT floods (overflowing with light damages or without them) and CAT ones (overflowing with high damages or total destruction) for the 1301−2005 period. The series of hydric indices (combination of floods and pro pluvia rogation ceremonies) in Barcelona City during the 1521−1850 period is the other kind of documentary data. The old instrumental information is composed by fourteen European daily SLP series for the 1780–1880 period and the precipitation series of Barcelona City (monthly resolution for 1786–2005 and daily for 1854–2005). Other precipitation series from AEMET during the period 1898–1998 (106 series) covering all Spain have been also used to obtain a wider spatially areal precipitation analysis during the 20th century. The MM5 (limited- area model) is the meteorological model used to carry out regional simulations. The simulations have been nested and nudged to ERA40 Reanalyses from ECMWF, as well as the ECHO-G climatic model, for different periods and resolutions: 1971−2000 (135−45−15 km) in the case of ERA40 reanalyses and 1502−1989 (135−45 km) with the ECHO-G climatic model.

The analysis of all data and information allows to conclude that the current (last 30 years: ~ 1981−2005) and 20th century variability is not distinguishable respect to past anomalous periods in which a higher variability (high occurrence of floods and droughts) was observed. It is neither outstanding when analysing long pluviometric series from Catalonia and the rest of Spain. Concerning trends of hydric extremes, the difficulty of its analysis should be commented, thus it is easy to confuse the increase of occurrence with the increase on vulnerability. No statistical significant trend has been found in CAT floods. These floods are produced by the most extreme precipitation events, and this is the reason why they are not highly influenced by changes on vulnerability. However, the EXT floods show a significant increase, specially for the last 150 years (~ 1850−2005). We assert that this increase is meanly due to the increasing vulnerability over the region by the urbanisation of flooding areas.

The analysed regional precipitation series do not show an important statistical significant long-term trend. In addition, the observed tendencies are highly dependent on the length series and studied period. In fact, the observed trends can even change its sign. Statistically significant trends are only found for spring in the CS region (-0,51 mm·yr-1) and for summer in the BAL region (-0,28 mm·yr-1). The highest annual trend is observed in the NW region with a statistically significant increase in precipitation of 1,50 mm·yr-1. On the other hand, the only significant recent trend is a decrease in precipitation of 4.0 mm·yr-1 during the 1968−1997 period for the areal annual-mean precipitation series in the NE region of Iberian Peninsula (but it is comparable with prior short-term trend). Although Catalonia is located in this zone, the long Barcelona City precipitation series (1786−2005) does not show any trend. It is neither observed in the evolution of extreme precipitation in Barcelona City (1854−2005). It is only remarkable a significant increase in the number of rainy days (precipitation ≥ 0.1 mm) linked to an increase in the light rainy days (≤ 1 mm).

As regards the relationship between precipitation and floods, the comparison performed between floods recorded in Barcelona City and its daily precipitation series has highlighted the value of 50 mm as the daily precipitation threshold producing floods. Moreover this urban station shows allows studying how the changes on vulnerability (occupation of flooding areas, improvements on drainage system...) has influence the change on flood and flash flood frequency. EXT and flash floods experimented an important increase since the middle of 19th century when the city walls were removed and flooding areas were occupied. These facts coincided with a flood increase in all Catalonia. However, the CAT floods do not show any trend and point towards a decrease during the last years thanks to the improvements of the city drainage system.

The relationship of NAO with the areal precipitation for the 1898−1998 period in all Spain presents a variable correlation depending on seasons. The highest values are observed during winter, with -0.7 for the CS Iberian region and values below -0.5 in the NE, LEV and CN regions. It is important to notice the NAO-precipitation correlation is not stationary within the 1898−1998 period with the highest values observed in the last 30 years (1968−1998). The correlations obtained from this study are higher than those obtained by others authors. The relationship between floods and circulation indices, like NAO, shows a weak correlation. Therefore, it is ruled out a direct relationship between both variables. Floods and solar activity in Catalonia also have a weak correlation.

Concerning the weather types producing floods during the anomalous 1840−1870 period, (characterised by high flood occurrence), the weather types obtained are similar to those identified during the 20th century by other authors, although its distribution within the year is different: i.e. an increase in spring floods. In addition, this period presents a greater percentage of CAT floods respect the current period (1971−2000), with a percentage of 52% in front of current 18%. It is also shown a high occurrence of the weather type related to the synoptic situation which produces heavy precipitation and CAT floods in Catalonia (southern surface circulation). Regarding atmospheric daily circulation during the 1840−1870 period, no significant anomalies which could explain the high flood occurrence is found, although the meridional daily circulation was predominant during this period. A possible explanation of the recorded anomaly could be found in the fact that this period took place in the End of LIA. A larger snow accumulation respect current days was present at middle and high levels of the Pyrenees. Such fact joined to the predominant southern warn surface circulation in spring could be the main reason for the high flood occurrence.

The climatic simulations carried out with MM5 model, nested and nudged to GCM (dynamical downscaling) have revealed the importance of the domain spatial resolutions to reproduce the rainfall spatial distribution in Catalonia. Overall, it is important to reproduce the pluviometric maximum observed in the NE of the region. No differences are observed between resolutions when analysing the precipitation temporal evolution. Climatic simulations have been also revealed as a good tool to reproduce the spatial precipitation patterns (annual, semi-annual, spring and summer), mean annual anomaly evolution as well as extreme precipitation derived variables (number of days with precipitation > 50 mm). On one hand, the MM5 simulation nested and nudged to ERA40 Reanalyses (1971−2000) also allows to define weather types related to meteorological events producing floods. These types are consistent with those obtained from ERA40 Reanalyses. On the other hand, the MM5 simulation nested and nudged to ECHO-G atmosphere-ocean coupled model (1502−1989) produces a reliable multidecadal variability in comparison with the observed one (areal precipitation evolution in the NE Iberia and Barcelona precipitation) for the last 100−200 years. There is also an agreement between the evolution of simulated and observed values during 1898−1989. This simulation also reproduces the CAT flood evolution from the end of the 16th century to the 18th century beginning. From this study it is concluded that a no forced simulation of climate is needed to find whether the multidecadal internal variability within the model is essentially different (frequency and intensity) without forcings. Nesting and nudging MM5 to boundary conditions from a GCM will be a good tool to develop past or future regional climatic scenarios for all variables previously commented. However, the seasonal and annual mean precipitation cycles, as well as the mean precipitation spatial distribution for winter and autumn, are not well copped by the simulation. Thus, the presented tool will be not useful to develop regionalised climatic scenarios.

Finally, in this thesis it is possible to conclude that the predicted changes in precipitation under the IPCC-ARS simulations due to the increase in GHG concentrations have not been yet observed in Catalonia and the rest of Spain. We can assert this statement thanks to an exhaustive analysis developed with hydric extreme and precipitation temporal series with a high temporal length, higher than most of prior developed studies.