Reconstrucción de la variabilidad climática para el oeste de Chihuahua, México, empleando un enfoque dendrocronológico

Abstract

Tree rings play a relevant role for the reconstruction of climatic variables on centuries or millennia-scale. In the presence of anthropogenic climate change, and in the absence of extensive meteorological records, dendrochronological studies in forested areas have gained more importance in recent decades because of the high-resolution data that can be obtained from tree-rings. These data may allow to analyze trends in the series and the influence of climatic phenomena on their variability in order to predict extreme climate events and to know their possible impacts on both ecosystem dynamics and the social community. In this research project, two case studies were analyzed with the common objective of reconstructing the climatic variability for western Chihuahua, Mexico. In the first case study, tree-ring chronologies for Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco and Pinus arizonica Engelm.were developed with the objective of both evaluating the influence of climatic variables on the total growth of both species and examining possible shifts in climate regime through instrumental data. In order to evaluate the relationships between climate data and the standardized tree-ring width data of both species, static correlation and response functions were computed based on partial regression coefficients from 1000 bootstrapped estimates. Further, a moving correlation analysis was calculated using a 40-year window with 1-year offset and an 18-month window of meteorological records. It was detected that the precipitation from November to May positively influenced the growth of both species even though it only represented the 20% of the annual rainfall while the winter-spring maximum temperature negatively affected their development. Besides climatic response of P. menziesii has not varied over time while P. arizonica has begun to respond similarly to P. menziesii in recent years. In a climate change scenario derived from human activity, with less rain and higher temperatures, it is expected that both species are affected in their growth response and are susceptible to insect outbreaks or fires events. In the second case study, two chronologies were developed in order to reconstruct the variability of precipitation: El Santuario based on the growth rings of P. menziesii, P. arizonica and Pinus strobiformis Engelm., and La Norteña with P. arizonica. It was determined a significant correlation between the two series and a regional chronology was developed. Through an analysis of the response function, it was determined that the October-June precipitation was the one that most influenced tree growth, accounting for 52% of the variability. The winter-spring precipitation was reconstructed for the last 359 years (1660-2018). The reconstructed chronology was verified with instrumental climatic data, a spatial correlation analysis with drought indices and historic archives. Severe droughts were detected for the periods 1680-1688, 1695-1707, 1817-1822, 1889-1897, 1908-1911, 1925-1930, 1934-1939 and 2011-2018. The extreme droughts for the periods 1751-1768, 1807-1810 and 1945-1956 stood out as those in which much of the Mexican territory was affected, causing a great economic damage to millions of people. The wavelet coherence analysis indicated that El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon has significantly modulated the variability of the reconstructed precipitation at different time and frequency scales over the last 100 years.

Los anillos de los árboles juegan un papel relevante en la reconstrucción de variables climáticas en escalas de siglos o milenios. En presencia del cambio climático antropogénico, y en ausencia de registros meteorológicos extensos, los estudios dendrocronológicos en áreas boscosas han cobrado mayor relevancia en las últimas décadas debido a los datos de alta resolución que se pueden obtener de los anillos de los árboles. Lo anterior permite analizar tendencias en las series y la influencia de fenómenos climáticos en su variabilidad para así predecir eventos climáticos extremos y conocer sus posibles impactos tanto en la dinámica de los ecosistemas como en la comunidad social. En el presente trabajo de investigación, se consideraron dos casos de estudio con el objetivo común de reconstruir la variabilidad climática para el oeste de Chihuahua, México. En el primer caso de estudio, se desarrollaron series dendrocronológicas para Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco y Pinus arizonica Engelm. con el objetivo tanto de evaluar la influencia de las variables climáticas en el crecimiento total de ambas especies como de examinar posibles cambios en el régimen climático a través de datos instrumentales. Para evaluar la relación entre los datos climáticos y los datos estandarizados de ancho de anillo de ambas especies, se realizaron análisis de correlación y de función de respuesta estáticas basados en coeficientes de regresión parcial de 1000 estimaciones bootstrap. Además, se realizó un análisis de correlación móvil utilizando una ventana de 40 años, con un año de compensación y con una ventana de 18 meses de registros meteorológicos. Se detectó que la precipitación de noviembre a mayo influyó positivamente en el crecimiento de ambas especies, aunque únicamente representó el 20% de la precipitación anual, mientras que la temperatura máxima invierno-primavera afectó negativamente su desarrollo. Por otra parte, la respuesta climática de P. menziesii no ha variado con el paso del tiempo en tanto que la de P. arizonica ha comenzado a responder de manera similar a la de P. menziesii en los últimos años, quizás causado por cambios en los patrones de lluvia. Bajo un escenario de cambio climático derivado de la actividad del ser humano, con menos lluvia y temperaturas más elevadas, ambas especies son susceptibles a sufrir eventos frecuentes de incendios o brotes de insectos, así como ver mermado su desarrollo. En el segundo caso de estudio, con el objetivo de reconstruir la variabilidad de la precipitación, se desarrollaron dos cronologías, El Santuario con base en los anillos de crecimiento de P. menziesii, P. arizonica y Pinus strobiformis Engelm., y La Norteña con P. arizonica. Se determinó una correlación significativa entre las dos series y se desarrolló una cronología regional. Un análisis de función de respuesta determinó que la precipitación octubre-junio es la variable que más influye en el crecimiento, explicando el 52% de la variabilidad. Se reconstruyó la precipitación invierno-primavera de los últimos 359 años (1660-2018). La reconstrucción fue validada con registros de precipitación observada, un análisis de correlación espacial con índices de sequía e información de archivos históricos. Se detectaron sequías severas para los periodos 1680-1688, 1695-1707, 1817-1822, 1889-1897, 1908-1911, 1925-1930, 1934-1939 y 2011-2018. Las sequías más extremas se registraron en los periodos 1751-1768, 1807-1810 y 1945-1956, las cuales afectaron gran parte del territorio mexicano, provocando daños económicos a millones de personas. El análisis espectral de coherencia de ondeletas indicó que, la variabilidad de la precipitación reconstruida ha estado modulada de forma significativa por el fenómeno El Niño-Oscilación del Sur (ENSO) a diferentes escalas de tiempo y frecuencias en los últimos 100 años.

Els anells dels arbres juguen un paper rellevant en la reconstrucció de variables climàtiques a escales de segles o mil·lennis. En presència del canvi climàtic antropogènic i en absència de registres meteorològics extensos, els estudis dendrocronològics en àrees forestals han cobrat més rellevància en les últimes dècades degut a les dades d’alta resolució que es puguin obtenir dels anells dels arbres. L’anterior permet un anàlisis de tendències a les series i la influència de fenòmens climàtics en la seva variabilitat per així predir esdeveniments climàtics extrems i conèixer els sues possibles impactes tant en la dinàmica dels ecosistemes com a la comunitat social. En el present treball d’investigació es consideren dos casos d’estudi amb el objectiu comú de reconstruir la variabilitat climàtica per l’oest de Chihuahua, Mèxic. En el primer cas d’estudi, es van desenvolupar series dendrocronològiques per Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco i Pinus arizonica Engelm. amb l'objectiu tant d'avaluar la influència de les variables climàtiques en el creixement total de les dues espècies com d'examinar possibles canvis en el règim climàtic a través de dades instrumentals. Per avaluar la relació entre les dades climàtiques i les dades estandarditzades d'ample d'anell de les dues espècies, es van realitzar anàlisis de correlació i de funció de resposta estàtiques basats en coeficients de regressió parcial de 1000 estimacions bootstrap. A més, es va realitzar un anàlisi de correlació mòbil utilitzant una finestra de 40 anys, amb un any de compensació i amb una finestra de 18 mesos de registres meteorològics. Es va detectar que la precipitació de novembre a maig va influir positivament en el creixement de les dues espècies, encara que únicament va representar el 20% de la precipitació anual, mentre que la temperatura màxima hivern-primavera va afectar negativament el seu desenvolupament. D'altra banda, la resposta climàtica de P. menziesii no ha variat amb el pas el temps mentre que la de P. arizonica ha començat a respondre de manera similar a la de P. menziesii en els últims anys, potser causat per canvis en els patrons de pluja. Amb un escenari de canvi climàtic derivat de l'activitat de l'ésser humà, amb menys pluja i temperatures més elevades, les dues espècies són susceptibles a patir esdeveniments freqüents d'incendis o brots d'insectes, així com veure minvat el seu desenvolupament. En el segon cas d'estudi, amb l'objectiu de reconstruir la variabilitat de la precipitació, es van desenvolupar dues cronologies, El Santuario, amb base en els anells de creixement de P. menziesii, P. arizonica i Pinus strobiformis Engelm., i La Norteña amb P. arizonica. Es va determinar una correlació significativa entre les dues sèries i es va desenvolupar una cronologia regional. Una anàlisi de funció de resposta va determinar que la precipitació octubre-juny és la variable que més influeix en el creixement, explicant el 52% de la variabilitat. Es va reconstruir la precipitació hivern-primavera dels últims 359 anys (1660-2018). La reconstrucció va ser validada amb registres de precipitació observada, una anàlisi de correlació espacial amb índexs de sequera i informació d'arxius històrics. Es van detectar sequeres severes per als períodes 1680-1688, 1695-1707, 1817-1822, 1889-1897, 1908-1911, 1925-1930, 1934-1939 i 2011-2018. Les sequeres més extremes es van registrar en els períodes 1751-1768, 1807-1810 i 1945-1956, les quals van afectar gran part del territori mexicà, provocant danys econòmics a milions de persones. L'anàlisi espectral de coherència de ondeletes va indicar que, la variabilitat de la precipitació reconstruïda ha estat modulada de forma significativa pel fenomen El Niño-Oscil·lació del Sud (ENSO) a diferents escales de temps i freqüències en els últims 100 anys.