Pruebas de homogeneidad de varianza a series de precipitación y temperatura de estaciones del estado de Veracruz y áreas aledañas

Transcripción

1 Pruebas e homogeneia e varianza a series e precipitación y temperatura e estaciones el estao e Veracruz y áreas aleañas Guajaro P., R. A. 1* ; Granaos R., G. R. 2 ; Sánchez C., I. 3 ; Díaz P., G. 4 1 Alumno e la Maestría en Geografía-UNAM. 2 Investigaor Titular el Instituto e Geografía-UNAM. 3 Investigaor Titular el INIFAP CENID-RASPA. 4 Investigaor Titular el C.E. Cotaxtla-INIFAP. rafapanes@hotmail.com I. INTRODUCCIÓN La información climática puee no representar la variación el tiempo actual ebio a fallas en los instrumentos e meición, errores ocasionaos accientalmente por la persona responsable en la toma e atos, la ubicación en la que se encuentra la estación, entre otras. Esto ocasiona variaciones en los atos reales, provocano que el usuario e información climática obtenga resultaos o realice inferencias poco confiables. Es por ello que contar con conjunto e atos meteorológicos e largo plazo homogéneos es actualmente e interés para la comunia científica (Cristina & Soares, 2006). La fiabilia e la información climática, así como su precisión resulta e gran importancia en la actualia para el esarrollo e estuios relacionaos con el cambio climático, por ello esta ebe ser valiaa para esarrollar cualquier aplicación. Para lograr este cometio es necesario aplicar metoologías e verificación y tratamiento que permitan establecer que estaciones cumplen el supuesto e homogeneia en variables e temperatura mínima temperatura máxima y precipitación. En este trabajo se implementa una propuesta e tratamiento e información climática que permite verificar si los atos climáticos e estaciones el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) el estao e Veracruz y área aleañas cuentan con un comportamiento homogéneo empleano tres pruebas: 1) Prueba e homogeneia normal estánar (SNHT), por sus siglas en inglés, esarrollaa por Alexanersson en 1986; 2) Prueba e Pettitt esarrollaa en 1979, es una prueba no paramétrica que no requiere supuestos e la istribución e los atos y; 3) Prueba Buishan, esarrollaa en 1982 y que puee ser empleaa en variables con cualquier tipo e istribución. Caa prueba se realizó a partir e atos climáticos iarios e caa estación y en base al número e pruebas que rechazan la hipótesis nula se categorizaron en tres clases: Útil: con máximo una prueba e hipótesis nula rechazaa; Duosa: con os pruebas e hipótesis nula rechazaas y; Sospechosa: con tres pruebas e hipótesis nula rechazaas. II. OBJETIVOS Describir la implementación e una propuesta metoológica para comprobar la homogeneia e atos e precipitación y temperaturas registraos en estaciones el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) ubicaas en el estao e Veracruz y estaciones ubicaas a lo largo el límite territorial e ese estao. III. METODOLOGÍA III.1. Selección e estaciones con información mínima necesaria Las estaciones seleccionaas provienen el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) que es el organismo encargao e proporcionar información sobre el estao el tiempo a escala nacional y local en nuestro país. La información se extrajo a través e la aplicación esarrollaa para Google Earth 1 icha aplicación espliega un total e 5,420 estaciones climatológicas clasificaas en os categorías: estaciones operano (3,200) y estaciones suspenias (2,220) las cuales pueen istinguirse en color amarillo y rojo, respectivamente (CNA-SMN, 2010). La información se extrajo en formato kmz para ser exportaa en 1 1

2 formato shape para poer manejarlo en el programa ArcGis y facilitar su posterior manejo. Posteriormente, se clasificaron las estaciones tomano en cuenta los atos vectoriales e uniaes climáticas (INEGI, 2014). Dao que el estuio se centra en el estao e Veracruz, se consieró un área aicional e influencia e 20 km en relación con el límite político el estao para consierar estaciones e apoyo en los estaos vecinos e Tamaulipas, San Luis Potosí, Hialgo, Puebla, Oaxaca, Chiapas y Tabasco, ya que los atos e precipitación son representativos en una istancia e 10 km (Cruz T., 2013). La información que se empleó en el estuio son los registros iarios e temperatura máxima (Tmax), temperatura mínima (Tmin), y precipitación (Pp), esta comprene toos los registros e caa una e las estaciones ese que inició operaciones hasta su última fecha e registro; la información se encontró isponible en la aplicación e Google Earth y se espliega en formato txt. Para que la estación fuera consieraa en el análisis, se seleccionaron aquellas estaciones que cumplieran los siguientes requisitos mínimos: 1. Contengan al menos 25 años e información; 2. No más el 20% e información faltante en su registro histórico; y 3. Que no hayan ejao e operar antes el año III.2. Congruencia lógica o integria e los atos Una vez conformaa la base e atos climatológica e las estaciones seleccionaas, se esarrollaron rutinas en macros e Excel con el compilaor Visual Basic, en one se verificó la integria e la información empleano los siguientes criterios lógicos: 1. Precipitaciones (Pp) mayores o iguales a 0; 2. Temperaturas máximas (Tmax) mayores a temperaturas mínimas (Tmin); 3. Temperaturas mínimas (Tmin) menores a temperaturas máximas (Tmax); y 4. Verificar que los registros se registren en fechas congruentes, (años bisiestos). Los atos que no cumplieron estos criterios se reemplazaron con el valor -99, el cual se ientifica como un valor faltante en procesos posteriores. III.3. Valiación espacial e la información Otro filtro empleao para valiar la información climática, fue la valiación espacial, esta se realizó consierano lo expuesto en la norma UNE :2004 (UNE , 2004) y que escribe (Estévez & Gavilán, 2008) como un nivel e valiación opcional. Esta valiación se aplica a los registros iarios e una estación y estos se comparan con los registros históricos e una variable climática e una estación e referencia, meiante la elaboración e un intervalo e confianza basao en la fórmula 1. s z (1) n x 2 Dóne: x y s es el promeio y la esviación estánar e las variables Tmax, Tmin o Pp, respectivamente, n es el número e atos en la serie e atos climáticos y z 2 es el valor estaístico e la curva normal e frecuencias asociao a un nivel e confianza el 99% o significancia el 1% 0.01 (Steel & Torrie, 1985). Los atos e las variables Tmax, Tmin o Pp que no se encontraran entro e los intervalos e confianza, se reemplazaron con el valor -99 para ientificarlo como valor faltante en procesos posteriores. Al igual que en el apartao anterior, para realizar la valiación espacial se esarrollaron rutinas en macros e Excel con el compilaor Visual Basic, se consieraron grupos e no más e cinco estaciones por caa estación e referencia ubicaas entro e un perímetro e 50 km y situaas entro e la misma unia climática. 2

3 III.4. Aplicación e pruebas e homogeneia Las pruebas empleaas fueron Homogeneia Normal Estánar (SNHT), Pettitt y Buishan, estas se escriben brevemente a continuación junto con sus estaísticos e prueba e acuero a lo planteao por (Hainie A. & Moh D., 2013): 1) Homogeneia normal estánar (SNHT), por sus siglas en inglés, esarrollaa por Alexanersson (Alexanersson, 1986) y que moificó con Moberg (Alexanersson & Moeberg, 1997); un valor T compara el promeio e los primeros años registraos 2 con los últimos n este valor se obtiene con la expresión z 2 1 n z2 para n, one: z1 1 yi y s y z n yi y 1,2,,n i 1 i 1 T 2 1 s. Un valor alto e T en un año inica una variación brusca. El estaístico T 0 se efine como T 0 max T ) Pettitt (Pettitt, 1979), esta prueba es no paramétrica se basa en rangos y hace caso omiso e la normalia e la serie, se basa en el oren e rangos e los valores y. El estaístico que se emplea se efine como X r n 1 2 para 1,2,, n, one la variación i 1 es etectaa cuano el valor el año m cumple i X m max X. 1 n 3) Buishan (Buishan, 1982), y que, por su origen bayesiano, puee ser empleaa en variables con cualquier tipo e istribución y propone ientificar un cambio en la meia e la * serie e atos. El estaístico se efine como 0 * S 0 y S yi y i 1 i, para too * 1,2,,n. La prueba se efine como Q max s s. Otro estaístico e prueba que 0 n puee emplearse es el rango que calcula la iferencia entre el valor mínimo y máximo e las * * sumas parciales ajustaas. La fórmula es R max s min s s ; es importante agregar que Buishan propone valores críticos 0 n 0 n Q n y R n para las pruebas e homogeneia. El juego e hipótesis planteaas en las tres pruebas son las siguientes: H a Ho : Los atos son homogéneos. vs. : Hay una fecha en la que hay un cambio en los atos. El nivel e significancia planteao es 0. 05, en ecir, la probabilia e rechazar la H o cuano esta es veraera (error e tipo I) es el 5% (Ramirez G. & López T., 1993). Las pruebas se realizaron a las variables Tmax, Tmin y Pp e caa estación, se obtuvieron los valores p (p-value) corresponientes y los años en los que se presentó un cambio en los atos cuano la H fue rechazaa. Posteriormente, se realizó un concentrao e o resultaos, que permitió realizar la clasificación e estaciones en tres clases (Schonwiese & Rapp, 1997) y (Wijngaar, Klein T., & Konnen, 2003): Clase 1: Cuano en una estación la prueba e hipótesis nula se rechaza a lo más una sola vez, la información se puee consierar como Útil. Clase 2: Cuano en una estación la prueba e hipótesis nula se rechaza a lo más os veces, la información se puee consierar como Duosa. Clase 3: Cuano en una estación la prueba e hipótesis nula se rechaza tres veces, la información se consiera como Sospechosa. 3

4 IV. RESULTADOS IV.1. Estaciones incluias en el área e estuio De acuero a la aplicación e lo planteao en la metoología se ientificaron un total e 260 estaciones ubicaas en el área e estuio, e las cuales 162 estaciones se encuentran ubicaas en el estao e Veracruz, en tanto que 98 se encuentran en estaos circunvecinos, las cuales se consieran e apoyo para procesos e valiación y posteriores procesos geoestaísticos (Figura 1). Figura 1. Distribución espacial e las estaciones consieraas en el estuio. Una vez ubicaas las estaciones se realizó la esagregación e estas por unia climática, en one el 35% e las estaciones se encuentran en climas subhúmeos, el 25% se encuentran en un clima húmeo y el 18% se encuentra en clima semicálio húmeo (Tabla 1). Esta esagregación se consiera e importancia para realizar la valiación espacial e los atos iarios. Tabla 1. Desagregación e estaciones por estao y unia climática e las estaciones consieraas en el estuio. IV.2. Estaciones con información mínima necesaria En la Tabla 2, se esagregan las estaciones que cumplieron los requisitos mínimos e información, es ecir, contienen al menos 25 años e información, los registros faltantes no superan el 20% en su registro histórico y no han ejao e operar antes el año

5 Tabla 2. Desagregación e estaciones por estao y unia climática (INEGI, 2014) e las 260 estaciones consieraas en el estuio. Lo anterior, nos permite establecer que el 87% e las estaciones que se eligieron inicialmente cuentan con información suficiente para continuar con el análisis. IV.3. Verificación e congruencia lógica y Valiación espacial e la información Se observó que la información que no fue congruente y que no vália en relación con sus estaciones e referencia, no sobrepaso el 2.83% para la variable Tmax, para el caso e la Tmin no superó el 1.54%, y finalmente para la variable Pp las incongruencia y los valores no válios en relación con sus estaciones vecinas no superó el 4%. IV.4. Aplicación e pruebas e homogeneia En lo corresponiente a esta etapa, se realizaron las pruebas e SNHT, Pettitt y Buishan a las variables Tmin, Tmax y Pp e las 226 estaciones, con los resultaos obtenios se clasificaron las estaciones en útiles 2, uosas 3 y sospechosas 4. En la Tabla 3, se muestra la esagregación e los resultaos obtenios en la aplicación e las pruebas e homogeneia. Tabla 3. Resumen e resultaos e las pruebas e homogeneia e varianza. Variable Clasificación Útil % Duosa % Sospechoso % Tmin Tmax Pp Para la variable Pp, se clasificó el 72% e las estaciones con información homogénea, en tanto que para la Tmin y Tmax se clasificaron el 31 y 30%, respectivamente. Al realizar la esagregación por estao se obtuvo el concentrao e la Tabla 4. Se observó que los atos corresponientes a la Pp, presentaron coniciones e homogeneia, en tanto que, contrario a lo que se esperaba, los atos e Tmin y Tmax presentaron mayores coniciones e no homogeneia. Tabla 4. Resumen e resultaos e las pruebas e homogeneia esagregaos por estao. Clasificación Útil Duosa Sospechoso Variable Estaos Chiapas Hialgo Oaxaca Puebla San Luis Potosí Tabasco Tamaulipas Veracruz Totales Tmin Tmax Pp Tmin Tmax Pp Tmin Tmax Pp Máximo una prueba e hipótesis rechazaa. 3 Dos pruebas e hipótesis rechazaas. 4 Tres pruebas e hipótesis rechazaas. 5

6 A continuación, se espliega una serie e tablas one se ejemplifica 5 la información isponible e los concentraos para la variable Tmin (Tabla 5), Tmax (Tabla 6) y Pp (Tabla 7), en one se observan los valores p (p-value) corresponientes y los años en los que se presentó un cambio en los atos cuano la H fue rechazaa. o Tabla 5. Resultaos e las pruebas e homogeneia aplicaas a la variable Tmin a las estaciones consieraas en el estuio. Prueba e homogeneia Prueba e Pettitt normal estanar Prueba e Buishan Estación Clasificación (Alexanerson) Valor p Punto e quiebre Valor p Punto e quiebre Valor p Punto e quiebre Sospechoso 7106 < < < Sospechoso 7112 < < Sospechoso Duosa < < < Sospechoso < < < Sospechoso < Sospechoso Sospechoso < < Sospechoso < < < Sospechoso < < < Sospechoso Útil Duosa Útil < < Sospechoso < < Sospechoso Duosa Sospechoso Sospechoso Sospechoso < < < Sospechoso Útil Útil Sospechoso Sospechoso < < Sospechoso < Sospechoso < Sospechoso Sospechoso Sospechoso Útil Útil Útil Útil Sospechoso Sospechoso Útil Útil < Sospechoso < Sospechoso < Sospechoso < < < Sospechoso < Útil Sospechoso Útil 5 Se realizó con la finalia e ajustar el presente extenso a la Norma e presentación e resúmenes y trabajos extensos el XXIII Congreso Mexicano y VIII Congreso Internacional e Meteorología, 2014, en caso e requerir la información completa favor e contactar al autor. 6

7 Tabla 6. Resultaos e las pruebas e homogeneia aplicaas a la variable Tmax a las estaciones consieraas en el estuio. Prueba e homogeneia Prueba e Pettitt normal estanar Prueba e Buishan Estación Clasificación (Alexanerson) Valor p Punto e quiebre Valor p Punto e quiebre Valor p Punto e quiebre Duosa Sospechoso 7112 < < < Sospechoso < < Sospechoso Sospechoso < Sospechoso Duosa < < < Sospechoso Sospechoso Útil Sospechoso < < Sospechoso Duosa < Sospechoso Útil < < < Sospechoso Duosa < Sospechoso Sospechoso Útil Duosa Duosa < < < Sospechoso Sospechoso Útil < < Sospechoso Sospechoso < < < Sospechoso Sospechoso < < < Sospechoso < < < Sospechoso Útil Útil Duosa Sospechoso Útil Útil < < < Sospechoso < Duosa Útil < < < Sospechoso < < < Sospechoso < < Duosa Sospechoso Duosa Útil 7

8 Tabla 7. Resultaos e las pruebas e homogeneia aplicaas a la variable Pp a las estaciones consieraas en el estuio. Prueba e homogeneia Prueba e Pettitt normal estanar Prueba e Buishan Estación Clasificación (Alexanerson) Valor p Punto e quiebre Valor p Punto e quiebre Valor p Punto e quiebre Duosa 7106 Útil 7112 Útil Útil Sospechoso Sospechoso Útil Útil < < < Sospechoso Útil Útil Útil Útil Útil Útil Útil Útil < Útil Útil Útil Sospechoso Útil Útil Útil Útil Útil Útil Útil < < < Sospechoso Útil Útil Útil < Sospechoso Útil Útil Útil Útil Útil Útil Sospechoso < Duosa Útil Útil Útil Útil Útil 8

9 V. CONCLUSIONES Los resultaos expuestos en el presente trabajo, nos eja como experiencia que los atos e precipitación (Pp) pueen presentar comportamientos homogéneos sin consierar ciclos o coniciones estacionales, sin embargo estas coniciones eberán tomarse en cuenta para realizar estuios que impliquen mayor nivel e etalle, es ecir, ciclos e cultivo (primaveraverano, otoño-invierno) o estaciones (primavera, verano, otoño e invierno) o perioos e interés específico según sea el caso. En lo que correspone a los atos e temperatura mínima (Tmin) y temperatura máxima (Tmax), el uso e ciclos o coniciones estacionales puee ar como resultao que las series e atos muestren comportamientos e mayor homogeneia, ya que se estarían consierano perioos con semejantes comportamientos frio y/o calor. Es importante señalar que, espués e realizar las pruebas e homogeneia, se ebe consierar un proceso e homogeneización e bases e atos, el cual no se consieró en este trabajo y que será esarrollao en futuros trabajos. Como se mencionó al principio e este trabajo, en el presente trabajo se muestra una propuesta que puee ser consieraa en la valiación e atos climáticos que no escarta la posibilia e que sea complementaria o mejoraa, ya que continuamente se cuenta con mayores conocimientos y recursos computaciones que permiten el manejo e granes volúmenes e atos que hará e la información climática una base sólia y confiable para esarrollar trabajos e investigación con resultaos e inferencias e mayor certitu. BIBLIOGRAFÍA Alexanersson, H. (1986). A homogeneity test applie to precipitation ata. Journal of Climate(6), Alexanersson, H., & Moeberg, A. (1997). Homogeneization of Sweish temperature ata. Part I: Homogeneity test for linear trens. International Journal of Climatology(17), Buishan, T. A. (1982). Some methos for testing the homogeneity of rainfall recors. Journal of Hyrology(58), CNA-SMN. (2010). Estaciones Climatológicas en Google Earth. CONAGUA, Servicio Meteorológico Nacional. México: CONAGUA. Cristina, A. C., & Soares, A. (2006). Ientification of inhomogeneities in precipitation time series using SUR moels an the Ellipse test. 7th International Symposium on Spatial Accuracy Assessment in Natural Resources an Environmental Sciences., Cruz T., D. A. (2013). Aaptación a cambio climático en el área protegia Sierra Gora, Guanajuato. México, D.F., México: UNAM. Estévez, J., & Gavilán, P. (2008). Proceimientos e valiación e atos e estaciones meteorológcias automáticas. Aplicación a la re e información agroclimática e Analucía. Plataforma e asesoramiento y transferencia el conocimiento agrario y pesquero e Analucía, Hainie A., N., & Moh D., S. (2013). Homogeneity Test on Daily Rainfall Series for Malaysia. Matematika, 29(1c), INEGI. (11 e Abril e 2014). Información vectorial e uniaes climáticas, escala 1: Aguascalientes, Aguascalientes, México. Pettitt, A. N. (1979). A nonparametric approach to the change point etection. Applie Statistics(28), Ramirez G., M. E., & López T., Q. (1993). Métoos estaísticos no paramétricos. Texcoco, Estao e México: Universia Autónoma Chapingo. Schonwiese, C. D., & Rapp, J. (1997). Climate tren atlas of Europe base on observation International Journal Climatology(18), Steel, R. G., & Torrie, J. H. (1985). Bioestaística: principios y proceimientos. McGraw-Hill Interamericana. UNE (2004). Rees e estaciones meteorológicas automáticas: Directrices para la valiación e registros meteorológicos proceentes e rees e estaciones automáticas. Valiación en tiempo real. N/D: AENOR. 9

10 Wijngaar, J. B., Klein T., M., & Konnen, G. P. (2003). Homogeneity of 20th century European aily temperature an precipitation series. International Journal Climatology(23),