Caracterización espaciotemporal de la sequía con inteligencia artificial.

Cactus in Nong nooch garden

Vitali Díaz Mercado Posdoctorante en la Delft University of Technology.

Los científicos han llegado a construir sistemas de monitoreo de sequías que ayudan a la población a estimar cuán grandes y dañinos pueden ser los impactos de la sequía en sus actividades diarias, como la agricultura y la navegación, donde la falta de agua es un gran problema. Sin embargo, todavía no han logrado proporcionar sistemas de monitoreo que den seguimiento espacial de las sequías, como se hace en el caso de los huracanes, donde las estimaciones de la posible trayectoria, la extensión geográfica y la magnitud de estos fenómenos naturales dan una idea de sus posibles daños y, sobre todo, proveen información para la elaboración de planes de emergencia.

Para la elaboración de dichos sistemas de monitoreo de la trayectoria de la sequías es necesario conceptualizar este fenómeno como un ente con extensión geográfica que cambia a lo largo del tiempo. Posteriormente, es preciso diseñar metodologías para el cálculo de la sequía con dicha conceptualización. Lo anterior no es una tarea trivial. Primero porque no resulta sencillo calcular lo que no se ve. A diferencia de las inundaciones, cuya presencia sobre una zona es evidente, además de que resulta directa su medición, la sequía es una anomalía en la lluvia y temperatura que resulta en un déficit del recurso hídrico cuya directa medición no es posible, y es preciso conformarse con calcularlo.

CULIACAN, SINALOA, 11MAYO2012.- Las diferentes presas que suministran el agua al valle de Culiacan, fueron cerradas para el riego agrícola y solamente se utilizará para el consumo humano, esto para prevenir quedarse sin agua debido al problema de la sequía. FOTO: RASHIDE FRIAS / CUARTOSCURO.COM

Otro reto que encontramos en el diseño de metodologías para el cálculo de la sequía en tres dimensiones (longitud, latitud y tiempo) es que no siempre existen datos para este cálculo más detallado. Con frecuencia los datos con los que se cuenta son los de lluvia y temperatura. Pero si queremos calcular la sequía agrícola, aquella que se manifiesta a nivel del subsuelo, o la sequía hidrológica, aquella que tiene que ver con una falta de agua en ríos y embalses, necesitamos información relativa a la humedad del suelo, o datos de caudales o niveles, lo cual no siempre está disponible.

Pero no todo son malas noticias. Por fortuna existen diferentes metodologías estadísticas que permiten calcular la sequía considerando la integración del tiempo y del espacio. También se cuenta con suficiente información proveniente de sistemas de monitoreo de diferentes variables hidrológicas, como lluvia y temperatura, además de datos de modelos hidrológicos globales y regionales. Todos estos datos ayudan a resolver la falta de información hidrometeorológica para el cálculo de los diferentes tipos de sequías, que son meteorológica, agrícola e hidrológica.

Regresando al tema que nos ocupa, esto es, el diseño de los monitores de trayectorias espaciales de sequía, primero es necesario definir dicho fenómeno. A diferencia de otros fenómenos naturales, la definición de sequía depende del área o sector afectado. Desde la perspectiva de las necesidades humanas y sociales, la sequía ha sido estudiada en relación con diferentes sectores, incluido el agrícola, el económico y el ambiental. Lo anterior requiere vincular los diferentes sectores con un proceso específico del ciclo del agua. La sequía meteorológica, por ejemplo, se refiere a un déficit hídrico causado por precipitaciones y temperaturas anómalas. Existe una clara conexión entre la falta de lluvia y los déficits del escurrimiento superficial y niveles de los ríos, lagos y embalses. Por lo tanto, la sequía hidrológica se calcula con datos de escurrimiento. La sequía agrícola, como su nombre lo indica, se relaciona principalmente con la falta de humedad del suelo, lo cual afecta los cultivos.

Los indicadores de sequía son las herramientas más comunes utilizadas para calcular y monitorear la sequía. Estos indicadores utilizan fórmulas matemáticas para transformar las variables hidrometeorológicas en valores estadísticos. Estos valores luego se relacionan con el rango esperado de una condición normal y se usan para identificar anomalías. Se analiza el proceso hidrológico y se utiliza el indicador de sequía aplicable según el tipo de sequía.

Junto con el desarrollo de indicadores y métodos para el seguimiento de la sequía, se han realizado varias contribuciones para perfeccionar la caracterización de la sequía. Mejorar la caracterización de la sequía se refiere no solo a perfeccionar las estimaciones de la intensidad, la duración y la extensión espacial del fenómeno, sino también a aumentar nuestro conocimiento y comprensión de cómo se desarrollan y cambian las sequías con el tiempo.

En las últimas décadas, los estudios de sequía se han incrementado por la disponibilidad de nuevos datos y metodologías para análisis espaciotemporal. Sin embargo, aún queda pendiente desarrollar los siguientes aspectos:

  • Métodos para caracterizar la sequía que consideren explícitamente sus características espaciotemporales, como el área y la trayectoria espacial.
  • Métodos para monitorear y predecir la sequía que incluyan las características mencionadas.
  • Enfoques para visualizar y analizar las características de la sequía para facilitar la interpretación de su variación.

En este artículo se aborda una investigación que tuvo como objetivo explorar, analizar y proponer mejoras a la caracterización espaciotemporal de la sequía (Vitali, 2011). Se espera que la caracterización, el seguimiento espacial y las herramientas para la visualización y análisis de la variación de la sequía proporcionen nuevas perspectivas para una mejor predicción.

La investigación tuvo los siguientes objetivos:

  • Mejorar la metodología para caracterizar la sequía en función de las características espaciales del fenómeno, como la extensión espacial y la ubicación.
  • Desarrollar un enfoque visual para analizar las variaciones de las características espaciotemporales de la sequía.
  • Desarrollar una metodología para monitorear la extensión espacial de la sequía (es decir, seguimiento de la sequía).

Explorar el uso de técnicas de inteligencia artificial para predecir el rendimiento de cultivos ante la sequía en función de las características espaciotemporales de dicho fenómeno.

La sequía se conceptualizó como un fenómeno con extensión espacial, con un inicio y un fin tanto en el espacio como en el tiempo, y con una trayectoria espacial compuesta por la unión de pequeñas trayectorias sucesivas.

Una revisión de la bibliografía sirvió para hacer una descripción general de los métodos y conceptos existentes respecto a la caracterización de la sequía. Se construyó una metodología para calcular y caracterizar la sequía. Se utilizaron diferentes indicadores de sequía para calcular las sequías meteorológicas, hidrológicas y agrícolas. Para el segundo objetivo se desarrollaron gráficos radiales y polares para analizar las variaciones de la sequía. Cada elemento visual en los gráficos codifica diferentes características de la sequía, como la intensidad y la extensión espacial. Para el tercer objetivo se construyó un método de seguimiento de sequías para calcular trayectorias espaciales. Para el cuarto objetivo se construyeron modelos basados en inteligencia artificial para predecir los rendimientos de cultivos usando áreas de sequía como entrada principal.

Respecto al primer objetivo, se compararon diferentes tipos de sequías utilizando dos enfoques: indicadores de sequía promediados por extensión de la zona y áreas de sequía calculadas con cada indicador de sequía. Se realizaron comparaciones a escala de cuenca, en las que se analizaron las sequías meteorológicas, hidrológicas y agrícolas. Los resultados muestran poca diferencia entre las series de tiempo de los indicadores de sequía promediados por área de estudio. Sin embargo, las áreas de sequía fueron diferentes entre los tipos de sequía analizados. Las áreas de sequía permitieron la identificación del desfase de tiempo entre las sequías meteorológicas e hidrológicas. Las comparaciones entre áreas de sequía también revelaron diferentes comportamientos de sequía estacional que no fueron fácilmente detectables a través de series temporales agregadas.

Para el segundo objetivo se construyeron modelos para el cálculo del rendimiento de cultivo por temporada. En esta segunda aplicación se construyó un marco basado en técnicas de inteligencia artificial para la predicción del rendimiento de cultivos estacionales utilizando áreas de sequía. Las áreas de sequía se calcularon a partir de una base de datos producida por un conocido monitor mundial de sequía y se usaron para predecir el rendimiento de los cultivos en tres regiones. Los resultados mostraron que el área de sequía es una variable adecuada porque su tamaño es un buen indicador de la magnitud de la sequía.

Para el tercer objetivo se desarrollaron tres herramientas visuales basadas en gráficos radiales y polares para el análisis de la variación de la sequía. Estas herramientas facilitan el análisis especialmente cuando se deben analizar más de dos características de sequía, o cuando el periodo de datos es largo o cuando es necesario identificar patrones espaciales y temporales, como la estacionalidad, que no es sencillo identificar en gráficos de líneas o áreas. Los resultados indicaron que los gráficos propuestos ayudan a identificar la intensidad y las tendencias de la sequía. Estos gráficos permitieron detectar con mayor facilidad patrones difíciles, como la estacionalidad.

Finalmente, para el cuarto objetivo se desarrolló una metodología para construir la trayectoria espacial de la sequía (es decir, la unión de trayectorias sucesivas). Esta metodología se aplicó a un estudio de caso de India, analizando los eventos más grandes para el periodo de 1901 a 2013. La ocurrencia de las sequías calculadas se corroboró con información documentada de la región. Para cada evento de sequía se calculó la ubicación de inicio y final, la dirección y la trayectoria espacial. Los datos generados por la metodología de seguimiento se utilizaron luego para caracterizar la dinámica de la sequía. Los resultados de India mostraron que áreas de sequía consecutivas en el tiempo se superponen considerablemente, lo que sugiere que la extensión espacial de la sequía permanece en la misma región después de alcanzar un tamaño considerable. La presencia de grandes áreas de sequía en la misma región a lo largo del tiempo puede explicar la gravedad de dichas sequías.

Se espera que los resultados de esta investigación ayuden a mejorar el cálculo de las características de sequía, puesto que una mejor caracterización de las sequías permitirá un mejor desarrollo de planes y políticas para el manejo de los impactos negativos de este fenómeno. Las metodologías desarrolladas para el cálculo de sequías y trayectorias espaciales también podrían ayudar a los diferentes organismos encargados del monitoreo de sequías.

En un futuro no muy lejano los sistemas de monitoreo podrán incluir el seguimiento espacial de la sequía, así como la predicción de su extensión geográfica y localización. Esta nueva información pronosticada ayudará a desarrollar mejores planes de mitigación contra la sequía.

Referencias

Diaz, V. (2021). Spatio-temporal characterisation of drought: Data analytics, modelling, tracking, impact and prediction. CRC Press / Balkema – Taylor & Francis. Disponible en: pure.tudelft.nl/ws/portalfiles/portal/101399628/2021_IHE_PHD_THESIS_DIAZ_MERCADO_i.pdf