Lluvia anual y estacional en Cuba. Influencia de índices climáticos

Datos y métodos estadísticos

Los métodos estadísticos aquí utilizados son de amplio uso en los estudios climatológicos e hidrológicos. Por ello, solo se explica el objetivo de su uso y los resultados obtenidos con ellos, sin describir sus argumentos matemáticos, lo cual puede ser encontrado en las obras dedicadas a la estadística aplicada en estos campos del conocimiento. Se caracterizaron las series mediante la media, los coeficientes de variación (Cv) y asimetría (Cs), el índice de Kurtosis (k), los cuartiles Q₁ y Q₃, se determinó la autocorrelación hasta retardos de 30 años y las tendencias se trabajaron con las medias móviles y la “prueba de Mann Kendall”, combinada con la “pendiente de Sen”.

Para realizar este trabajo se utilizó una red de estaciones de pluviómetros que cumple con los parámetros del diseño realizado para el país en 1976, incluidas en el Sistema de Vigilancia de la Sequía que administra en Centro del Clima (CENCLIM) del INSMET. Se construyeron series de precipitación anuales y estacionales a escala de país y de las regiones occidental, central y oriental. En el caso de las anuales, para los 90 años comprendidos entre 1931 y 2020 y para las estacionales entre 1961-2020. Para componer las series anuales de 90 años se empleó la regresión lineal entre las series preparadas por Rodríguez (2005)Rodríguez, F. F. (2005). Mapa Isoyético de Cuba 1960-2000. Memoria técnica del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos. y los datos observados entre los años 1961 al 2020 en la red de estaciones utilizada en el presente estudio; para lo que se impuso como restricción que el coeficiente de correlación fuera superior 0.90, con errores de estimación por debajo al 5 % (el error máximo obtenido fue de 3.5%). Aunque la calidad de los datos y de las series fue analizada por las fuentes de donde se obtuvieron (INRH y CENCLIM), para hacer este trabajo se comprobó la homogeneidad y aleatoriedad de las series, mediante las pruebas de “Helmert” (Campos-Aranda, 1992Campos Aranda. (1992). Procesos del Ciclo Hidrológico. Universidad Autónoma de San Luis de Potosí. Segunda impresión.) y “Spearman” (Campos-Aranda, 2023Campos Aranda. (2023). Temas recientes de análisis de frecuencias hidrológico. Colección investigación. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. ISBN 978-607-8629-27-5. 429 p.).

Considerando la temprana observación de Trusov et. al. (1979)Trusov, I. I., Izquierdo, A., & Díaz, L. R. (1978). Fluctuación de las precipitaciones durante muchos años en Cuba. Revista Ciencia de la Tierra y del Espacio. Editorial de la Academia de Ciencias de Cuba. sobre el papel de los factores meteorológicos, climáticos y de otro tipo en la lluvia, y el nivel actual de conocimientos, se evaluó la relación estadística entre la lluvia y los índices climáticos “El Niño Oscilación del Sur” (ENOS); la “Oscilación del Atlántico Norte” (NAO) y los “Huracanes” (HUR); utilizando valores estacionales, anuales e hiperanuales. Como hipótesis, en un balance estacional y anual para períodos prolongados de tiempo (más de 10 años), debe esperarse que la relación entre la lluvia y los índices climáticos, muestre el predominio de la influencia de los índices según el rol que le corresponde en función de su intensidad.

El estado de estos procesos de teleconexión y de los huracanes, establece un “fondo climático” que puede influir directamente en la lluvia, sin dejar de reconocer que otros factores, bajo determinadas condiciones, consiguen inhibir o incrementar la conducta esperada de la variable que se analiza, con independencia del estado de los índices aquí trabajados. En última instancia, el régimen de la lluvia es multicausal y para su correcta interpretación se requiere de un estudio pormenorizado de su comportamiento en el tiempo, que tenga en cuenta como se combinan todos los factores que en ello influye. Lo anterior tiene valor para la interpretación con fines aplicados de las normas de períodos dados.

El ENOS se trabajó con la serie del “Servicio Meteorológico de Australia”; la NAO con la serie de la “Oficina Nacional de Administración Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos de América” (NOAA) y para los huracanes se utilizó el archivo internacional de trayectorias (IBTrACS), disponible en https://www.ncei.noaa.gov/data/international-best-track-archive-for-climate-stewardship-ibtracs/v04r00/access/csv/). La relación entre la lluvia y los índices climáticos se realizó para los intervalos de tiempo siguientes: (a) estacional; (b) anual; (c) períodos seleccionados por la tendencia de la precipitación y (d) promedios móviles de 5, 10, 20 y 30 años.

La influencia de los índices climáticos en la precipitación en los intervalos antes indicados se manifestó primordialmente de forma combinada. La caracterización hecha en este trabajo a escala hiperanual y estacional, contrariamente al habitual uso por períodos mensuales y trimestrales, son atribuciones estadísticas y no físicas; y se espera que, en períodos extensos, sea reflejado adecuadamente el rol que, con respecto a la variable analizada, se le atribuye a cada índice.

Caracterización de la lluvia: estadígrafos, variabilidad y tendencias

La Tabla 2 contiene los parámetros estadísticos de las series 1931-2020 para Cuba y sus regiones. Basado en éstos, lo más significativo del comportamiento de la lluvia es lo siguiente:

Lo antes mencionado se aprecia gráficamente en la Figura 2, destacándose que, en la región Oriental, la amplitud de los registros enmarcados por los cuartiles 25 y 75% es mayor, con un sesgo más visible hacia los valores positivos.

Para caracterizar las tendencias en las series se utilizaron las pruebas de la pendiente Sen y de Mann-Kendal. La pendiente de Sen se escogió por su robustez, debido a que con ella se estima la tendencia general sin una influencia relevante de valores atípicos. Mann Kendall se aplicó para las series anuales y de medias móviles, con éstas últimas se eliminó la estacionalidad en las series, para representar mejor la posible existencia de tendencias de largo plazo, que pueden ser consecuencia de procesos climáticos que se manifiestan en períodos de tiempo relativamente extensos, como pueden ser los índices de teleconexión (Lapinel et. al., 2006) y también porque se ha demostrado que cuando existe correlación serial de órdenes pequeños, la prueba de Mann Kendall suele mostrar tendencias significativas que no son reales (Campos-Aranda, 2023Campos Aranda. (2023). Temas recientes de análisis de frecuencias hidrológico. Colección investigación. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. ISBN 978-607-8629-27-5. 429 p.).

La estacionalidad provoca tendencias de corto plazo, debido a fenómenos que se producen con una frecuencia periódica, como los huracanes, los procesos de sequía y la influencia directa de índices climáticos. En este sentido, la autocorrelación serial muestra que, a nivel de país, existen dependencias en períodos de 4 y 7 años y, a nivel regional, en región Central de 11 años, región Oriental de 3 y 7 años y no se registran dependencias internas en la región Occidental (Figura 3).

Los resultados del estudio de la tendencia utilizando la pendiente de Sen están contenidos en la Tabla 3, en la cual los valores significativos para el intervalo de confianza del 95% se han resaltado en rojo. En general, en las series anuales y de medias móviles de 5 años la tendencia no es significativa y si lo es para las series de medias móviles de 10 y 30 años. Pero se distinguen las regiones occidental y oriental; en el primer caso no se verifican salidas significativas en ninguna de las series que representan a este territorio y, en el segundo caso, las tendencias son significativas en todas las series. La Tabla 4, con los resultados de la prueba de Mann Kendall corrobora lo analizado con la prueba de Sen.

Relación precipitación - índices climáticos

La relación del ENOS y la NAO con la lluvia ha sido discutida ampliamente. Jury et. al. (2007)Jury, M., Malmgren, B. A., y Winter, A. (2007). Subregional precipitation climate of the Caribbean and relationships with ENSO and NAO. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 112(D16). https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2006JD007541, basados en el régimen de la lluvia, definieron cuatro subregiones en el Caribe donde la influencia del ENOS tiene distintos niveles de significación. En esta regionalización, Cuba quedó comprendida en dos zonas, una que abarca a las regiones occidental y central vinculadas con el noroeste de Las Bahamas y la otra incluye a la región Oriental asociada al noreste de Las Bahamas y con Jamaica.

Los mencionados autores indicaron que en el noroeste del Caribe (zona 1) las precipitaciones de principios de verano aumentan bajo condiciones de “El Niño” y que la zona 2 está menos influenciada por los predictores globales y tienen un carácter regional. Por otra parte, al referirse a la NAO, señalaron que su influencia es débil en las zonas en las que inscribe al territorio cubano y que se observa una mejor relación en el Caribe suroriental. Por su parte, el CENCLIM define que habitualmente el evento ENOS influye con déficits de las precipitaciones en los meses comprendidos entre julio y octubre; y que la mayor influencia de este evento se produce en el período noviembre-abril, principalmente entre enero y marzo, con un régimen más lluvioso que lo normal y también en ocasiones más tormentoso. Al mismo tiempo, menciona que el ENOS influye en la temporada ciclónica del océano Atlántico, disminuyendo la frecuencia de formación de huracanes. No obstante, este Centro aclara que la magnitud del impacto que ocasiona el ENOS depende en gran medida de la intensidad que llegue a alcanzar (Fonseca et. al., 2024Fonseca Rivera, C., García Hernández, A., Velázquez Zaldívar, B., de la Maza Santana, D. G., Martínez Álvarez, M., González García, I., Cutié Cancino, V., Vázquez Montenegro, R., Pérez Suárez, R., Mitrani Arenal, I., Hidalgo Mayo, A., Cabrales Infante, J., Leyva Pit, L., & González Fraguela, E. (2024). Estado del Clima en Cuba 2023. Resumen ampliado. Revista Cubana de Meteorología, 30(1). http://rcm.insmet.cu/index.php/rcm/article/view/848).

La correlación múltiple entre los valores de lluvia y los índices climáticos utilizados en este trabajo, refleja niveles de dependencia elevados para las series de medias móviles superiores a 20 años, lo que corrobora lo dicho anteriormente sobre la influencia de procesos que se manifiestan en escalas de tiempo grandes y, a la vez, le resta importancia a el nivel de significación encontrado para algunas de las series de este tipo inferiores a 10 años. La Tabla 5 contiene los coeficientes de correlación múltiple y de determinación para: (a) serie del 1931- 2020, (b) series de medias móviles de 20 y 30 años y (c) períodos de referencia sugeridos por la OMM (2007)Organización Meteorológica Mundial. (2007). Función de las normales climatológicas en un clima cambiante. OMM DT/No 1377. Ginebra, Suiza. https://library.wmo.int/records/item/59777-funcion-de-las-normales-climatologicas-en-un-clima-cambiante. Los coeficientes de correlación de las series cronológicas enmarcadas en un período predeterminado son bajos y no significativos. Estos resultados indican que las correlaciones obtenidas en las series de medias móviles reflejan una variabilidad interanual de largo plazo que no es capturada por las series cronológicas de 30 años prestablecidas, debido a que, en la determinación de sus límites, no deben haber existido consideraciones físicas y, por tanto, no reflejan adecuadamente la influencia de ciertos procesos climáticos.

Influencia en las normas

Por la disponibilidad de datos mensuales, este análisis se hace con la serie del período 1961-2020. La Tabla 6 compara las normas mensuales, trimestrales y estacionales de la lluvia con las de los meses con influencia de ENOS moderados y fuertes. Durante el predominio de la fase positiva, en el bimestre mayo-junio y de enero a abril predominaron déficit de lluvia y entre julio-diciembre la lluvia rebasó la norma; mientras que, en la fase negativa, en los meses comprendidos entre junio-diciembre y en mayo, la norma fue superada, quedando por debajo de ésta de junio a noviembre. Visto integralmente el ENOS, sin diferenciar las fases, la norma fue rebasada en mayo, julio, septiembre y en el período noviembre-febrero.

La Figura 4 representa la frecuencia en que el promedio de la lluvia en los meses bajo la influencia del ENOS quedó por encima y por debajo de las normas mensuales del período 1961-2020, comparado con las anomalías entre los promedios de los meses afectados por este fenómeno y la norma del periodo. Se observa una clara relación anomalías positivas con el predominio de altas frecuencias de valores por encima de la norma y viceversa, en ambas fases del ENOS. Existe correspondencia entre los déficit y excesos de lluvia con el establecimiento de ENOS moderados y fuertes.

En cuanto a la NAO, no se aprecia una clara relación estadística a nivel mensual; pero, vista a través de los valores hiperanuales, se puede inferir un vínculo entre este índice y las anomalías de la lluvia anual y estacional. Con el incremento de la influencia positiva de la NAO se manifiesta una disminución de la precipitación anual y un aumento cuando el índice es negativo (Tabla 7). Estacionalmente, la relación antes indicada se revela mejor en los meses del período poco lluvioso, donde, con el incremento del índice, disminuye la precipitación y con su reducción aumenta. Sin embargo, en el período lluvioso esta vinculación se comporta de manera contraria (Tabla 8).

La Tabla 9 resume la relación entre los índices y el por ciento de años en los que se supera la norma del período 1931-2020. En el caso de la estadística de huracanes, con la mencionada base de datos “IBTrACS”, se contabilizaron todos los organismos ciclónicos que transitaron cercanos a Cuba, pudiendo influir en el comportamiento de la lluvia, sin que necesariamente hayan afectado directamente al país. Desde el punto de vista de la influencia individual de cada índice (Tabla 10), se observa que, en el caso de excesos respecto a la norma, el ENOS y los huracanes tienen mayor influencia, con un peso general superior al 40% y, cuando no se alcanza la norma, el mayor peso lo tiene la NAO y la baja actividad ciclónica en más del 70% de los casos. La Tabla 11 resume la influencia del ENOS y la NAO en las normas estacionales, mediante las anomalías positivas y negativas de la precipitación y el por ciento que representa del total de períodos estacionales de la serie 1961-2020. En el caso del ENOS, como se mencionó en el análisis mensual, la precipitación disminuye durante los meses del período poco lluvioso cuando predomina “La Niña” y en el período lluvioso cuando se establece “El Niño”, mientras que la variable se incrementa durante la fase positiva en los meses poco lluviosos y en la fase negativa en los lluviosos.

En la Tabla 12 se comparan los valores de lluvias determinados como referencia para Cuba y sus regiones con los obtenidos en este estudio. La diferencia entre las cifras comparadas no es significativa porque, exceptuando la región Occidental, en ninguno de los casos es mayor del 5% y, en la mencionada región, supera este umbral en menos del 0.3%, por lo cual es aceptable; aunque debe de tenerse en cuenta que estos valores promedios fueron calculados aritméticamente, y que pudiera haber una diferencia mayor si se estimaran mediante el método isoyético. Por las razones antes expuestas estos valores no pueden analizarse comparativamente; sin dejar de reconocer que el mapa isoyético que representa el período 1961-2000 (Rodríguez, 2005Rodríguez, F. F. (2005). Mapa Isoyético de Cuba 1960-2000. Memoria técnica del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos.) puede ser considerado, dado que en esos años la cobertura y disponibilidad de datos es satisfactoria.

Por supuesto que los resultados que presenta este artículo requieren de un análisis más riguroso, como parte de un proyecto, para precisar las normas expuestas; el principal valor de este trabajo es conceptual y metodológico. Un valor añadido que tiene este resultado, es que todas las normas de calculan con una misma red con una cobertura que satisface los parámetros de diseños establecidos para Cuba en 1976; aunque dado los cambios observados las situaciones meteorológicas que producen la lluvia en Cuba, es conveniente también revisar los parámetros de diseño de la red pluviométrica nacional.