Artículo Original

  

http://opn.to/a/N1jif

Metodología para el estudio climático de las inundaciones costeras en Cuba. Aplicación en la costa norte de la región central y oriental

Methodology for climatic study of the coastal flooding in Cuba. Application in the north coast of central and East region


RESUMEN

El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar una metodología que estructure los estudios climáticos de inundaciones costeras en el archipiélago cubano, a partir de las fuentes de información disponibles en Cuba y de métodos estadísticos actualizados empleados por parte de la comunidad científica internacional. Los métodos empleados fueron los tests no paramétricos de Spearman, Mann- Kendall y Pettitt, las distribuciones de Poisson y Gumbel, así como las pruebas de bondad de ajuste χ2 y Kolmogorov- Smirnov. Como fuentes de información se utilizaron las estaciones meteorológicas costeras cubanas, así como los archivos del Instituto de Meteorología y del Centro Nacional de Huracanes. Como resultados se obtuvo el período de retorno de la velocidad máxima del viento, para las probabilidades del 10%, 4% y 2%, y de las inundaciones moderadas y fuertes, así como la tendencia estadística del viento máximo anual y de las inundaciones costeras. Se concluye que la metodología propuesta está sustentada en el estado actual del conocimiento a nivel internacional sobre esta temática, mientras que se corresponde con las fuentes de información y los datos meteorológicos disponibles en Cuba. Los métodos empleados y los resultados obtenidos en esta investigación son válidos para la ejecución de futuras investigaciones de este tipo, así como su aplicación en los planes de reducción de desastres y las políticas de adaptación al cambio climático que ejecuta el Estado Cubano en el marco de la “Tarea Vida”.

Palabras clave: 

Inundaciones costeras; períodos de retorno; tendencia estadística; cambio climático; Tarea Vida.

ABSTRACT

This paper aims to develop a methodology that structures the climatic studies of coastal flooding in the Cuban archipelago, based on the sources of information available in Cuba and updated statistical methods used by the international scientific community. The methods used were the non-parametric tests of Spearman, Mann-Kendall and Pettitt, the distributions of Poisson and Gumbel, as well as the tests of goodness of fit χ2 and Kolmogorov-Smirnov. Cuban coastal weather stations were used as sources of information, as well as the archives of the Institute of Meteorology and the National Hurricane Center. As a result, the period of return of the maximum wind speed was obtained, for the probabilities of 10%, 4% and 2%, and of moderate and strong floods, as well as the statistical trend of the maximum annual wind and coastal flooding. It is concluded that the proposed methodology is based on the current state of international knowledge on this subject, while it corresponds to the sources of information and meteorological data available in Cuba. The methods used and the results obtained in this research are valid for the development of future investigations of this type, as well as their application in the disaster reduction plans and climate change adaptation policies that the Cuban State develops within the framework of the "Life Task".

Key words: 

Coastal flooding; return period; statistical trends; climate change; Life Task.


La variabilidad y el cambio climático han incrementado la tendencia de los peligros naturales desde inicios del siglo XXI. Una de las principales amenazas para los asentamientos costeros humanos es el incremento de los eventos de inundación costera (Toimil et al., 2016), los cuales se han incrementado desde inicios del siglo XXI en los pequeños estados insulares, producto de la variabilidad y el cambio climático, fundamentalmente al paso de ciclones tropicales, los que se han visto afectados, además, por el retroceso de la línea costera a raíz del ascenso del nivel del mar a partir del calentamiento global actual (Stocker et al., 2013).

A nivel internacional existen varias investigaciones que abordan el uso de metodologías para estudiar los eventos de inundación costera. Entre estas se pueden destacar la de (Toimil et al., 2016), la cual tiene como finalidad el análisis de los efectos del cambio climático en las inundaciones costeras y permite representar de forma eficiente este fenómeno a escala regional. Por su parte, (Vousdoukas et al., 2016) centran su estudio en el desarrollo de mapas de peligro para la representación de estos fenómenos para los países de Europa continental, haciendo especial énfasis en el efecto de la marea de tormenta. Por último, (Boettle et al., 2016) trabajaron una metodología basada en la teoría de los eventos extremos, el ascenso del nivel medio del mar, la protección costera y el análisis de los daños.

En Cuba se han realizado varias investigaciones donde se han abordado el estudio de las inundaciones costeras en varias regiones de nuestro país, las cuales se han incrementado notablemente desde los años ´90 (Mitrani et al., 1994, 1999, 2000, 2012, 2016; Pérez, 1994; Moreno, 1998; Pérez et al., 2001; Hernández et al., 2002; Hidalgo & Mitrani, 2012, 2015, Hidalgo et al., 2016, 2017, 2019; Povea & Mitrani, 2016; González et al., 2017; Córdova et al., 2018). Por su parte, todo lo contario ha ocurrido en el estudio de los regímenes extremos de viento en zonas costeras, ya que las últimas publicaciones consultadas sobre este tema datan de la última década del siglo pasado (Salas et al., 1992; Salas & Mitrani, 1992; Mitrani et al., 1994, 1999; Pérez, 1994; Mitrani & Salas, 1998). No obstante, la heterogeneidad de muchas de ellas no permite comparar los resultados obtenidos, debido a los diferentes métodos empleados así como a diversidad de fuentes de información empleadas.

La carencia de un procedimiento metodológico a nivel nacional que logre estructurar y homogenizar las investigaciones sobre esta temática en Cuba, así como la carencia de información meteorológica marina y oceanográfica en el país, ha provocado que los estudios antes mencionados sean heterogéneos en cuanto a la información primaria utilizada y los métodos aplicados. Todo ello ha imposibilitado realizar comparaciones en cuanto a la variabilidad espacial de este tipo de fenómeno entre dos o más tramos costeros cubanos. Por otro lado, algunas de las metodologías utilizadas a nivel internacional para estos fines (Boettle et al., 2016; Toimil et al., 2016; Vousdoukas et al., 2016) no permiten resolver la problemática existente en Cuba.

Lo anterior conduce a que el objetivo de la presente investigación radique en desarrollar una metodología que estructure los estudios climáticos de inundaciones costeras en Cuba, a partir de la fuentes de información disponibles en Cuba y mediante la utilización de métodos estadísticos actualizados empleados por parte de la comunidad científica internacional.

En este sentido, la metodología que se presenta en este artículo científico ha sido empleada en este tipo de estudio en los últimos años en Cuba por diferentes autores (Hidalgo et al., 2016, 2019; Ramírez et al., 2017; Córdova et al., 2018; Hernández et al., 2019; Regueira & Barcia, 2019). La misma está acorde a la información meteorológica y las fuentes de información disponibles en Cuba, lo que ha permitido estructurar y homogenizar investigaciones relacionadas con las inundaciones costeras y los eventos extremos de viento en Cuba, lo que contribuye a los planes de contingencia y acciones de manejo costero que se desarrollan en el país de la reducción del riesgo de desastre y la adaptación al cambio climático en el marco de la “Tarea Vida”.

Se emplearon los datos de las estaciones meteorológicas costeras cubanas de Cayo Coco (78339), Cabo Lucrecia (78365) y Punta de Maisí (78369). Además, los mapas sinópticos del nivel de superficie y Estados Generales del Tiempo (EGT) del Instituto de Meteorología (Insmet) y la base de datos sobre ciclones tropicales (HURDAT 2.0) del Centro Nacional de Huracanes de los Estados Unidos radicado en Miami, http://www.nhc.noaa.gov (Landsea & Franklin, 2013). Además, se emplearon los resúmenes de temporada ciclónica elaborados anualmente en el Insmet y diferentes estudios de investigadores cubanos que abordan esta temática (Ortiz, 1973; Ramos, 2009; Insmet, 2012; Pérez, 2013).

Figura 1. 

Estaciones meteorológicas costeras y asentamientos costeros utilizados correspondientes a la costa norte de la región central y oriental de Cuba.

Para la clasificación de las inundaciones costeras se empleó la tipificación propuesta por (Hidalgo et al., 2017) para los diferentes asentamientos costeros del territorio cubano que reportan este tipo fenómeno meteorológico extremo.

Tabla 1. 

Clasificación de las inundaciones costeras en para los asentamientos costeros que presentan mayores afectaciones en la costa norte de la región cenral y oriental de Cuba según el alcance horizontal del agua de mar tierra adentro. Elaborado a partir de (Hidalgo et al., 2017).

ClasificaciónPunta Alegre, Ciego de ÁvilaPlaya La Herradura, Las TunasGibara, HolguínBaracoa, Guantánamo
Ligeras0 - 50 m0 - 100 m0 - 250 mEl agua avanza hasta la avenida contigua al malecón
Moderadas51 - 100 m101 - 200 m251 - 500 mEl agua de mar avanza hasta la Calle Maceo
Fuertes≥ 101 m≥ 201 m≥ 501 mEl agua de mar avanza más allá de la Calle Maceo

El cálculo de la probabilidad del viento máximo se realizó a partir de la distribución de Gumbel, por intermedio del método de los máximos anuales. Según (USACE, 2006) la expresión matemática de esta función y de los coeficientes tienen las siguientes expresiones:

Donde:

x̅, s

- Media y desviación estándar muestral respectivamente.

e

- Base de los logaritmos neperianos (2.71828).

En el caso del período de retorno de las inundaciones costeras se empleó la distribución de Poisson, para la cual sede cumplirse que la frecuencia observada sea inferior a 0.1 y el tamaño de la muestra superior a 50 (Goda, 2000; Coles, 2001; Wilks, 2011). La expresión matemática de esta función es:

Donde:

P(x)

- Probabilidad de ocurrencia del evento n-ésimo.

λ

- Promedio del número de eventos por años.

x

- Número de eventos en el período de observación.

Para ambas variables (viento máximo y eventos de inundaciones costeras) el período de retorno según (USACE, 2006) se calcula de la siguiente manera:

Donde: Tr y Pa son el período de retorno en años y la probabilidad acumulada.

Según (WMO, 1994), el intervalo de confianza para la estimación del período de retorno se determina de acuerdo a las siguientes expresiones:

Donde:

X T

- Valor de la variable que excede al período de retorno.

t(a)

- Probabilidad en función del intervalo de confianza, 1.960 y 1.645 para el 95% y el 90% respectivamente.

K T

- Factor de corrección que depende del período de retorno.

La bondad de ajuste se realizó por intermedio de las pruebas no paramétricas Pearson χ2 para las inundaciones costeras y Kolmogorov- Smirnov (K-S) para el viento máximo. En el caso de χ2 tenga un solo grado de libertad, según (Dowdy et al., 2004), se aplica la corrección de Yates:

Donde:

i

- Clases ( i=1,2,...,k ).

k, n

- Cantidad de clases y tamaño de la muestra.

m

- Cantidad de parámetros que se necesitan estimar, como es solamente (λ, media de la distribución) m=1

Fo i , Fe i

- Frecuencia observada y estimada de la a clase i respectivamente.

Si χ2>χ2αmk1 (distribución χ2 con m-k-1 grados de libertad y un nivel de significación α se rechaza la hipótesis nula, o sea que la distribución escogida no es adecuada.

En el caso de la prueba no paramétrica K-S para una sola muestra se calcula según (Dickinson & Chakraborti, 2003; Wilks, 2011) como:

Donde:

F n (x)

- Es la frecuencia o probabilidad empírica acumulada.

F(x)

- Es la probabilidad teórica acumulada.

Si  Dn>Cα , se rechaza la hipótesis nula, o sea que la distribución escogida no es la mejor, la cual según (Wilks, 2011) se determina a partir de la siguiente expresión:

K a

- Es un coeficiente numérico que toma los valores de 1.358 y 1.628 para los niveles de significación del 5% y 1% respectivamente (Wilks, 2011).

Para el viento máximo anual se empelaron los test no paramétricos de Spearman, Mann-Kendall (M-K) y Pettitt de la siguiente manera, empleando el programa elaborado para este fin por (Mellado & Borrajero, 1997):

  1. Se calculó el test de Spearman y M-K para determinar la posible existencia de tendencia global en la serie.

  2. Se aplicó la prueba de Pettitt si esta arroja un punto de cambio significativo cercano al test de M-K, en caso de esta última ser estadísticamente significativa.

Para probar el posible incremento o disminución de los eventos de inundación se aplicó la prueba de hipótesis de la proporción (Guerra et al., 2006) a partir del siguiente estadígrafo:

Donde:

p, p o

- Proporciones de los períodos de prueba y de referencia respectivamente.

x, n

- Cantidad de eventos y tamaño de la muestra del período de prueba respectivamente. Para la aplicación de esta prueba el tamaño de la muestra debe ser mayor a 30 para que se cumple el Teorema Central del Límite, a partir del cual la distribución Binomial se puede aproximar a la Normal (Guerra et al., 2006).

Si se desea probar como hipótesis nula (H0) que p0p , o sea que la proporción de prueba es mayor que la referencia, para un nivel de significación del 5% está se rechazará si z<1.645 ; mientras que por el contrario si se analiza si las dos proporciones son diferentes entonces H0 se rechazaría para el mismo nivel de significación si z>1.96 .

La metodología propuesta cuenta con tres etapas, de las cuales las dos primeras han sido aplicadas por diferentes investigadores cubanos en varias zonas costeras de Cuba (Ramírez et al., 2017; Córdova et al., 2018; Hernández et al., 2019; Regueira & Barcia, 2019), mientras que la tercera está en fase de aplicación a nivel nacional a través del proyecto “Proyección de las inundaciones costeras en el archipiélago cubano” (2018-2021), en el cual participan, además de los autores del presente artículo, más de veinte especialistas e investigadores de todos los Centros Meteorológicos Provinciales y de la Sede Central del Insmet.

Figura 2. 

Etapas de la metodología para el estudio climático de las inundaciones costeras en Cuba.

Etapa I. En esta etapa se describen las características fundamentales de la zona de estudio, haciendo énfasis en la batimetría, las direcciones predominantes del oleaje, el fetch, así como la sobreelevación del nivel del mar predominante y el comportamiento de la marea astronómica en el régimen de inundaciones. Al mismo tiempo, se debe prestar especial atención a los rumbos más peligrosos y especificar si los mismos coinciden con la dirección del viento predominante. Además, se podrán realizar estudios climáticos de los regímenes normales de la velocidad del viento y el estado del mar para lo cual se podrán emplear las escalas Beaufort y Douglas, respectivamente según la disponibilidad de información meteorológica.

Etapa II. Esta fase se debe desarrollar partiendo de la necesidad de obtener la mayor información posible de los siguientes elementos:

  1. Fecha de ocurrencia del evento.

  2. Descripción de la situación sinóptica que generó la inundación costera.

  3. Fuentes de información utilizadas y particularidades.

En el último punto se deberá especificar la fuente utilizada: testimonio o entrevista a un poblador de la zona (nombre, edad y tiempo viviendo en el lugar), fuente periodística (título y fecha de la publicación), fuente de información científica (libro, artículo científico, reporte de investigación, etc.), archivo de los gobiernos locales e iglesias entre otras.

En el caso de los ciclones tropicales son varias las fuentes que pueden consultar (Ortiz, 1973; Ramos, 2009; Insmet, 2012; Landsea & Franklin, 2013; Pérez, 2013). Para los sistemas frontales, eventos “Sures” y la combinación de bajas extratropicales con los anticiclones migratorios se podrán tener en cuenta los resúmenes mensuales y los EGT que realiza el Centro de Pronóstico del Insmet. Para la tipificación de las inundaciones costeras en ligeras, moderadas y fuertes se recomienda emplear la nueva clasificación elaborada por (Hidalgo et al., 2017) a partir de los resultados obtenidos por (Hidalgo et al., 2016).

Etapa III. En esta fase se calcularan los períodos de retorno de los eventos de inundación y de los fuertes vientos determinando el número de casos por año y las probabilidades de 0.1 (1/10), 0.05 (1/20), 0.04 (1/25), 0.02 (1/50) y 0.01 (1/100), siempre y cuando la data cumpla el requerimiento de ser la mitad del período que se estima. La bondad de ajuste se realizará por intermedio de los test no paramétricos χ2 para variables discretas (eventos de inundación) y K-S para variables continuas (viento máximo).

En el caso de la bondad de ajuste χ2 para variables discretas, su principal dificultad radica en que es necesario varias clases y que las frecuencias esperadas sean superiores a 5. Sin embargo varios autores (Cochran, 1954; Dickinson & Chakraborti, 2003; Dowdy et al., 2004), señalan que el mencionado test puede aplicarse siempre y cuando las frecuencias esperadas sean superiores a 1.

Los métodos propuestos se corresponden con los descritos en diferentes publicaciones sobre esta temática de la OMM (Organización Meteorológica Mundial) (Sneyers, 1990; WMO, 1994), así como otros de amplio uso a nivel internacional (Goda, 2000; Coles, 2001; Dickinson & Chakraborti, 2003; USACE, 2006; Caires, 2011; Wilks, 2011). Por su parte, la singularidad de la metodología propuesta, a diferencia de otras de gran actualidad que se emplean a nivel internacional (Boettle et al., 2016; Toimil et al., 2016; Vousdoukas et al., 2016), está dado por la disponibilidad de la información meteorológica existente en Cuba, así como por la heterogeneidad de los métodos empleados en las investigaciones sobre esta temática en nuestro país.

Los dos métodos más utilizados para determinar el régimen extremo según (Goda, 2000; Coles, 2001; USACE, 2006; Caires, 2011), son el de los máximos anuales a partir de la teoría General de los Valores Extremos (GEV por sus siglas en ingles) y el POT (Peak Over Thresohold por su siglas en inglés). En el primero de ellos a partir de una serie de observaciones se selecciona el valor máximo anual; mientras que en el segundo se determinan el(los) valor(es) umbral(es). Algunos autores recomiendan emplear entre el 90-99 percentil para determinar estos umbrales (Vinoth & Young, 2011; Young et al., 2012; Rodríguez et al., 2017; Montoya et al., 2018), o en su defecto el valor a partir del cual ocurre la inundación. En ambos casos los análisis deben realizarse para series de observación mayores a 20 años (USACE, 2006).

A nivel internacional son varios los autores que emplean el método POT en vez del de los máximos anuales (Ferreira & Guedes, 1998; Caires & Sterl, 2005; Méndez et al., 2006; Vinoth & Young, 2011; Laface et al., 2016; Feld et al., 2019; Liang et al., 2019). No obstante, la utilización solamente del método de los máximos anuales, está dado porque para el POT se necesitan series ininterrumpidas de la velocidad del viento, las cuales en muchas ocasiones no están disponible en el Servicio Meteorológico Nacional cubano.

El método propuesto para la estimación de los parámetros de la Distribución de Gumbel (ecuación 2) se emplea el método de los momentos, ya que según (Wilks, 2011) da resultados similares al de máxima verosimilidad. Este último método de estimación es el más robusto según (WMO, 1994; Goda, 2000; Coles, 2001; Dickinson & Chakraborti, 2003; Caires, 2011; Wilks, 2011), sin embargo para la distribución de Gumbel no tiene solución analítica.

La expresión propuesta para determinar los valores del test no paramétrico K-S propuesto por (Wilks, 2011) a partir de la ecuación 9, es una aproximación muy práctica de los valores de este test para una sola cola tal y como aparece en (Dickinson & Chakraborti, 2003).

Etapa I

La costa norte de región oriental de Cuba presenta una plataforma estrecha abierta a los vientos del primer cuadrante, particularmente a los del NE-ENE. A través del archipiélago de las Bahamas existen pasos (Crooked, Mayaguana y Caicos) que permiten el tránsito del oleaje con suficiente energía para que la ruptura de este se produzca, libremente, sobre esta parte del país (ver figura 3). En esta zona son propicias las inundaciones costeras por rompiente de oleaje, siendo las ciudades más expuestas Baracoa y Gibara (Hernández et al., 2002; Hidalgo & Mitrani, 2012, 2015; Hidalgo et al., 2017), las cuales en los últimos años se han sido afectadas por eventos de inundación moderados y fuertes asociados al paso de los huracanes Ike (2008), Matthew (2016) e Irma (2017) (Hidalgo et al., 2016, 2017).

El fetch para la región coincide con el rumbo más peligroso NNE-NE, puesto que para estas direcciones el oleaje es perpendicular a la línea costera, mientras que el oleaje se mantiene con fuerza 2-3 en la Escala Douglas (0.25-1.25 m) durante todo el año; sin embargo, con la presencia de frentes fríos, anticiclones migratorios y ciclones tropicales, este llega hasta fuerza 4 (1.25- 2.5 m) y, en algunas ocasiones, puede alcanzar fuerza 5-6 (2.5- 6 m). El régimen de vientos es dominado, principalmente, por la combinación de la circulación de las brisas marinas y los alisios; la dirección predominante es del primer cuadrante (75% del total de casos anual), con velocidades que oscilan entre 18-25 km/h. Las corrientes de mareas se orientan al sur en el flujo y al norte en el reflujo; estas se clasifican como semidiurnas, con valores medios que oscilan entre 0.4 m y 0.7 m; en sicigia, la pleamar pude llegar hasta 0.9 m (GEOCUBA, 2003).