Control de calidad y homogenización de los datos

Para el análisis de las series de datos mensuales o anuales, el primer paso necesario consistió en estimar su calidad, su homogeneidad y su estabilidad. Es por ello que en este trabajo se utilizaron técnicas de control de calidad de las series de datos de las diez estaciones meteorológicas, el chequeo elemental, abstracto, relativo y el físico-estadístico. Se utilizaron técnicas estadísticas como la construcción de intervalos de confianza y los test de hipótesis de valores aberrantes. Como técnicas específicas de control de calidad espacial se emplearon los métodos de estaciones similares, de regiones pequeñas, matricial y la Regresión Múltiple. El primer paso en estas aplicaciones de control de calidad fue la representación gráfica de los datos, ya que es muy útil para detectar asimetrías, heterogeneidad y datos atípicos. La Prueba de valores atípicos evalúa si existen valores atípicos de una muestra utilizando la prueba de Grubbs o de Dixon, Dixon (1950Dixon W.J. (1950). Analysis of extreme values. Annals of Math. Stat., 21, 488-506.
, 1951Dixon W.J. (1951). Ratios involving of extreme values. Annals of Math. Stat., 22, 68-78.
y 1953)Dixon W.J. (1953). Processing data for outliers. J. Biometrics, 9, 74-89.
.

Para la confirmación de la hipótesis de homogeneidad de las series de temperatura se utilizaron las pruebas de Mann-Kendall (Mann, 1945Mann, H. B. (1945). Non-parametric tests against trend. Econometrica 13, 245-259
; Kendall, 1970Kendall, M.G. (1970). Rank Correlation Methods, fourth ed. Griffin, London
) y Helmert. La prueba de Mann-Kendall es un test estadístico que conduce a elegir alguna de las siguientes respuestas: Hipótesis nula: todos los valores de la serie son datos aleatorios de una sola población, es una serie homogénea, es decir que todos los datos de temperatura máxima corresponden a mediciones de un mismo sitio con los mismos equipos y bajo las mismas condiciones. Hipótesis alternativa: todos los valores de la serie son datos aleatorios de una sola población, es una serie no homogénea con tendencia monótona, es decir que existen valores que están fuera de lo normal por alguna razón que hacen que la serie completa sea no homogénea.

La prueba de Helmert, consiste en analizar el signo de las desviaciones de cada evento de la serie con respecto a su valor medio. Si una desviación de un cierto signo es seguida por otra del mismo signo se crea una secuencia S, y si una desviación es seguida por otra de signo contrario se registrará un cambio 𝐶. Cada año, excepto el primero, recibirán una secuencia S o 𝐶. Si la serie es homogénea, la diferencia entre el número de secuencias y cambios en el registro deberá ser 0, dentro de los límites de un error probable, el cual depende de la longitud del registro n.

Para la estimación de la tendencia y su significación estadística, se empleó la prueba no paramétrica de Mann-Kendall (MK) (Mann, 1945Mann, H. B. (1945). Non-parametric tests against trend. Econometrica 13, 245-259
, Kendall, 1970Kendall, M.G. (1970). Rank Correlation Methods, fourth ed. Griffin, London
), mientras que la magnitud de la misma (de los datos de temperatura en el entorno geográfico cercano a Cuba) se estimó con el estimador de la pendiente de Sen (PS), que es una prueba no paramétrica basada en el estadígrafo Tau de Kendall (Sen, 1968Sen, P.K. (1968). Estimates of the Regression Coefficient based on Kendall’s Tau. Journal of the American Statistical Association, 63, 1379-1389. http://dx.doi.org/10.1080/01621459.1968.10480934
, 2014Şen, Z. (2014). Trend identification simulation and application. J Hydrol Eng 19(3):635-642
y 2017Şen, Z. (2017). Innovative trend significance test and applications. Theor Appl Climatol 127(3):939-947.
). Para identificar las tendencias significativas se utilizó el nivel de significación α= 0.05. La detección de puntos de cambio se realizó con el empleo de la Dócima de Pettitt. En este caso la hipótesis nula plantea que la serie sigue una o más distribuciones que tienen el mismo parámetro o sea que no existe cambio, contra la hipótesis alternativa que plantea la existencia de un punto de cambio.

El procesamiento de la información y los análisis estadísticos se realizaron empleando el lenguaje de programación R (R Core Team, 2017R Core Team (2017). R A Language and Environment for Statistical Computing. https://www.R-project.org/
) y el software estadístico Minitab 17. Con este software se obtuvieron estadísticos descriptivos, histograma (con curva normal), Prueba de valores atípicos, gráficas de residuos, gráfica de promedio móvil y gráfica de análisis de tendencia. Se obtuvieron, además, las ecuaciones de tendencia que caracterizaron a cada variable meteorológica, los gráficos de descomposición de series de tiempo, descomposición por componentes y descomposición estacional.

Tendencias de la temperatura media del aire en superficie (°C) en la región cercana a Cuba en el período 1948-2022

Durante el extenso período de 1948 al 2022, las tendencias de la temperatura media del aire en superficie en la región más cercana a Cuba dentro del Gran Caribe, mostraron un progresivo y significativo incremento, el cual se expresa tanto en sus valores anuales como estacionales (Figura 1). La temperatura media anual se ha incrementado significativamente desde el inicio de la serie en 0.88 °C con una tasa de incremento a un ritmo que asciende a 0.12°C c/10 años. El incremento se asocia fundamentalmente al mayor calentamiento en el último decenio que cierra en el 2022, (2013-2022).

El último período de 10 años, fue más cálido que las décadas anteriores y el aumento, respecto al decenio anterior 2003-2012, alcanzó + 0.64 °C, + 1.06 °C y + 0.28 °C en su valor anual y los períodos estacionales noviembre-abril y mayo-octubre, respectivamente. La mayor diferencia se produjo en el periodo poco lluvioso del año, confirmando la contribución de este periodo al incremento en los valores anuales. Como muestra de ese incremento en el decenio 2013-2022 el aumento, respecto al decenio anterior 2003-2012, alcanzó cifras por encima de +1.0°C, en los meses del periodo poco lluvioso fundamentalmente en enero, febrero, abril, noviembre y diciembre y con respecto al periodo de referencia 1991-2020, las cifras están por encima de + 0.5 °C (Figura 2).

Asimismo, el aumento del último decenio, respecto al periodo de referencia más reciente, 1991-2020, alcanzó + 0.52 °C para los valores anuales, + 0.78 °C para los del periodo seco y + 0.33 °C para el lluvioso. Estas diferencias se aprecian claramente en los mapas de las anomalías ² Diferencia entre el valor actual y el promedio de muchos años (30 años preferiblemente) dividido por la desviación estándar. Procedimiento que permite visualizar el grado o medida de la diferencia d el período analizado y su norma. de la temperatura en la región (Figura 3), en la que se pueden advertir dichas variaciones en los dos últimos periodos de 10 años. Es evidente el predominio de las anomalías positivas en toda la región las cuales desde el punto de vista estadístico son significativas para un 95 % de confianza. Sin embargo, respecto al periodo 1961-1990, las cifras se incrementan sustancialmente en 0.92 °C, 1.02 °C, y 0.88 °C, con la particularidad que el incremento es significativo en todos los meses del año, por encima de medio grado (Figura 2). Así mismo, si se compara con el decenio 1951-1960, el incremento es muy similar (0.93°C, 1.11°C, 0.86°C).

En general, las desproporciones en el último decenio, se aprecian clara y muy notoriamente al analizar la distribución de la temperatura media por intervalos percentílicos. De los 120 meses comprendidos entre enero del 2013 a diciembre del 2022, el 67 % de los meses rebasaron el 70 percentil, mientras que solamente un 3 % permanecieron por debajo del 30 percentil. Se destacan los últimos 5 años, en el que el 75 % de los meses permanecen por encima del 70 percentil, el 25 % entre el 25-70 percentil y no se presentaron meses por debajo del 30 percentil, valores que sin dudas resultan elevados y ponen de manifiesto el aporte al comportamiento de las temperaturas, las características del último quinquenio 2018-2022.

La comprobada y progresiva elevación de la temperatura media (°C) del aire en superficie en los alrededores de Cuba, se visualizó también como un rasgo predominante en las gráficas etiquetadas de valores medios anuales, estacionales y mensuales, por treintenios normales. Cada uno de los períodos de 30 años que componen la serie 1948-2022, ha sido ligeramente más cálido que el que lo antecede (Figura 4). En el último treintenio el incremento es de 0.43 ºC para los valores anuales y de 0.30 ºC y 0.57 ºC para los períodos poco lluvioso y lluvioso, respectivamente, con respecto al periodo 51-80. Este comportamiento, no es más que un reflejo de la tendencia estadísticamente significativa en los valores hiperanuales de la temperatura media, en los que se ha producido un incremento notable desde inicios de la década del 90.

Variaciones y tendencias en la temperatura superficial del aire en las estaciones de serie larga

Coherentemente con el incremento sostenido de la temperatura del aire en los alrededores de Cuba, referidos en el acápite anterior, el análisis del comportamiento de la temperatura media del aire, a partir de las series compiladas de las diez estaciones de series largas, actualizadas hasta el año 2022, confirma que el clima de Cuba se hace más cálido. De tal forma, es posible expresar que desde mediados del pasado siglo la temperatura media anual en Cuba se incrementó cerca de 1.1°C (Figura 5). Este cálculo está basado en la tendencia lineal de dicha serie, significativa estadísticamente.

La diferencia entre el valor medio de la década 1951-1960 y el correspondiente a los últimos 10 años (2013 - 2022) asciende también a 1.1 °C, valor que solo supera en 0.2 décimas de grados a la diferencia en el área. Cada una de las tres últimas décadas ha sido más cálida que todas las anteriores. A su vez, la diferencia entre el treintenio 1951 - 1980 y los últimos treinta años 1993 - 2022 asciende a 0.74°C, cifra que igualmente es superior en solo 0.3 °C al contexto regional. El incremento de la temperatura es más marcado durante el trimestre diciembre-febrero (1.7 °C) que en el trimestre junio-agosto (0.4 °C).

Se pudo también confirmar que la existencia de una tendencia hacia un clima más cálido está fuertemente condicionada por el incremento de los valores de la temperatura mínima, el que asciende a 2.0 °C, significativo estadísticamente, al tener en cuenta la tendencia lineal de dicha serie (Figura 6). La diferencia entre el valor medio de la década 1951-1960 y el correspondiente a los últimos 10 años (2013 - 2022) asciende a 1.6 °C. El aporte del trimestre diciembre-febrero es muy alto con un incremento de 2.6°C. Importante es también el incremento del periodo junio-agosto con un valor de 1.8°C, ambos estadísticamente significativos.

No se ha apreciado tendencia estadísticamente significativa de la temperatura máxima media anual entre 1951 - 2022, con un incremento de solo 0.3 °C (Figura 7). Sin embargo, se registra un incremento durante el período 2013 - 2022 de consideración. Existen dudas sobre los altos valores de la temperatura máxima registrados en la primera década de la serie utilizada, principalmente en el año 1959, lo cual requiere de un análisis posterior.

Como consecuencia del alto incremento de la temperatura en el trimestre diciembre - febrero, el más frío del año, las condiciones invernales se han hecho menos frías. Por otra parte, las condiciones del trimestre junio - agosto, el más cálido del año, se han hecho más calurosas. Es de notar que en el primer caso las tendencias actuales alejan a dicho trimestre de los extremos fríos, mientras que en el segundo caso lo acercan gradualmente a extremos más cálidos.

Se observó una disminución de la oscilación térmica media diaria de aproximadamente 2.0 °C, estadísticamente significativa (figura 8). No obstante, se ha producido una estabilización del comportamiento de esta variable al no presentar tendencia significativa entre los años 1978 y 2022, con solo un decrecimiento de 0.2°C. Esta estabilización está ocasionada por el incremento observado de la temperatura máxima desde 1976 hasta el presente.

Temperatura media anual de la estación Casablanca

La estación meteorológica de Casablanca posee la serie de temperatura de mayor extensión disponible del país. Fue inaugurada en 1908 y posee un valor inestimable. El análisis de esta serie permitió expresar que, desde el inicio del pasado siglo XX, hasta el presente (1909 - 2022), la temperatura media anual de Casablanca ha aumentado cerca de 1.2°C (Figura 9), de forma estadísticamente significativa. La diferencia entre el treintenio 1993 - 2022 y el 1911 - 1940 asciende a 0.8°C. Es de destacar la existencia de un período de relativa estabilidad entre 1920 y 1965, que da paso a una nueva etapa de calentamiento que perdura hasta la actualidad, pero con una tasa de crecimiento superior entre el 2013 y el 2022.

Variaciones de la temperatura media del aire en la troposfera baja, media y alta en el período 1948-2022 en los alrededores de Cuba

De manera consistente con el proceso de calentamiento en superficie, la temperatura media anual en la troposfera experimentó también una progresiva y significativa tendencia al incremento en la región (Figura 14) coherente con el referido en el último informe de evaluación del IPCC, 2023IPCC, (2023). AR6 Synthesis Report, Climate Change 2023, https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/
. El incremento supera los 0.7 °C. Esta tendencia ha estado condicionada por el progresivo incremento también en ambos periodos estacionales en toda la troposfera, en la que el valor de la tendencia por lo general supera 1.0 °C. Sin embargo, la temperatura media anual en la troposfera baja, en el período 1948-2022, se ha incrementado significativamente en 1.31 °C, cifra que es superior al incremento observado en superficie de 0.88 °C. La tasa de incremento en la troposfera baja ha sido a un ritmo mayor, que asciende a 0.17 °C c/10 años, mientras en superficie es de 0.12 °C para igual periodo de tiempo.

El calentamiento en la región también es posible observarlo a través de los mapas que reflejan las desviaciones de la temperatura en el último decenio respecto al periodo de referencia más reciente, en los diferentes niveles troposféricos seleccionados de la troposfera baja, media y alta (Figura 15). Aunque en ambos periodos estacionales predominan las anomalías positivas, reflejando claramente las tendencias referidas, las mayores desviaciones se producen en el periodo poco lluvioso del año. En correspondencia, las diferencias entre un periodo estacional y otro son ligeramente superiores en el periodo seco. De esta manera, se confirma una vez más el incremento de la temperatura en Cuba y sus alrededores tanto en superficie como en la troposfera y el aporte del último decenio al calentamiento general en el área.

Consideraciones generales

Después del relativo enfriamiento en los años previos a la década de los 70, se produjo un brusco e intenso incremento que condujo a que se alcanzaran valores medios anuales muy altos a partir de 1990. No obstante, desde entonces se han producido variaciones interanuales de interés asociadas a diferentes factores. La relativa disminución de la temperatura media superficial del aire en los años 1992 y 1993 pudo estar asociada con los efectos de la erupción del volcán Pinatubo ocurrida a mediados de 1991. De hecho, esta señal, observada a escala global, se vinculó con los efectos de ese fenómeno (Nicholls et al., 1995Nicholls N., G. V. Gruza, J. Jouzel, T. R. Karl, L. A. Ogallo and D. E. Parker (1995). Observed climate variability and change. In Climate Change 1995. The Science of Climate Change. edit by J. T. Houghton, L. G. Meira Filho, B. A. Callander, N. Harris, A. Kattenberg and K. Maskell, Cambridge University Press, Cambridge.
). Las bajas temperaturas registradas en diciembre del año 2010 se asociaron a anomalías de la circulación atmosférica en el hemisferio norte. Los altos valores alcanzados en los años 1997, 1998 y 2015 se vincularon al desarrollo de muy intensos eventos ENOS (1997-1998 y 2015-2016).

Kawamura et al. (1995)Kawamura, R., Sugi, M., & Sato, N. (1995). Interdecadal and interanual variability in the Northern Extratropical Circulation simulated with the JMA Global Model. Part II: Summertime Leading Mode. Jour. of Climate.
indicaron que los cambios decadales en la temperatura superficial sobre las zonas terrestres del Hemisferio Norte, tal como han sido observados en las décadas recientes, son causados por el forzamiento de los océanos tropicales. Importantes variaciones multianuales se han producido en la temperatura del mar de los océanos Pacífico y Atlántico desde 1971 hasta el presente, caracterizados de forma general por un ligero calentamiento de las aguas ecuatoriales del Pacífico y un enfriamiento de las aguas tropicales del Atlántico entre 1971 y 1994, aproximadamente, con un proceso inverso entre 1995 y 2022, dentro del cual se destacan las altas temperaturas anuales alcanzadas por el Mar Caribe y en la región tropical del océano Atlántico desde 1998.