Los satélites no detectan muchas de las sequías más localizadas
Mientras que algunas partes del mundo sufren un calor extremo y una persistente sequía, otras se están inundando. En general, los volúmenes de agua continental varían tanto con el tiempo que los niveles globales del mar también fluctúan significativamente.
Al combinar el modelo hidrológico WaterGAP con los datos del satélite GRACE, un equipo de geodestas de la Universidad de Bonn ha creado un nuevo conjunto de datos que muestra cómo la distribución total del agua sobre las superficies terrestres de la Tierra ha cambiado en los últimos 20 años con más precisión que nunca.
"El nuevo método nos permite probar los cálculos del modelo sobre los futuros efectos del cambio climático, en particular, cómo el aumento de las temperaturas y los cambios en los patrones de precipitación afectarán el balance hídrico en diferentes partes del mundo", dice el Prof. Dr. Jürgen Kusche de la Instituto de Geodesia y Geoinformación de la Universidad de Bonn.
El proceso implica comparar modelos climáticos, que invariablemente cubren un cierto período de tiempo en el pasado, con los resultados de mediciones reales, y Kusche y su equipo están planeando varios estudios de este tipo en los próximos meses.
La resolución mejorada que ha logrado el equipo muestra que las sequías son significativamente más comunes en todo el mundo de lo que sugerirían los datos del satélite GRACE de forma aislada.
"Lo que estamos viendo es que incluso las sequías extensas como la masiva que azotó a todo el Amazonas en 2010 se extienden por áreas mucho más amplias de lo que indican los datos satelitales por sí solos", dice Kusche. "Esto significa que los satélites no detectan muchas de las sequías más localizadas".
Trabajando junto con sus homólogos de la Universidad Goethe de Fráncfort y la capital polaca de Varsovia, un equipo de investigadores de la Universidad de Bonn ha combinado por primera vez mediciones satelitales con datos meteorológicos de alta resolución.
"Lo especial de este método es que nos ha permitido mejorar la resolución de los mapas de distribución de agua que se generan entre 300 y 50 kilómetros", explica Kusche, quien es miembro de las Áreas de Investigación Transdisciplinaria de Modelado y Futuros Sostenibles y del Centro Regional de Investigación Colaborativa sobre el Cambio Climático de la Universidad de Bonn. Para hacerlo, los investigadores utilizaron el modelo hidrológico "WaterGAP" desarrollado en la Universidad Goethe de Frankfurt más una técnica matemática tomada de la predicción meteorológica.
Imagen: Déficit de agua causado por las sequías más largas (al menos nueve meses) en los últimos veinte años según los nuevos datos GLWS2.0 (izquierda) y los datos del satélite GRACE-FO (derecha). Crédito: Helena Gerdener
Masas de agua que provocan cambios en el campo gravitatorio
Entre 2002 y 2017 los satélites gemelos GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) midieron los cambios en la fuerza gravitacional de la Tierra. Su proyecto sucesor, "GRACE-FO", se lanzó en 2018, y fueron estos datos los que utilizaron los investigadores de la Universidad de Bonn.
Dado que la fuerza gravitacional de la Tierra depende de los cambios de masa, esto permite sacar conclusiones sobre el ciclo del agua cerca de su superficie. La gravedad se ve afectada por los cambios en las aguas subterráneas y los depósitos superficiales y por el derretimiento de los glaciares.
"Una ventaja única de las mediciones de GRACE es que cubren todo tipo de reservorios, es decir, incluidos los cambios en las reservas de agua subterránea que están ocultas en las profundidades de la superficie de la Tierra y en decenas de miles de lagos y humedales artificiales", dice la colega de Kusche, Helena Gerdener.
La desventaja, dice, es que la resolución espacial de los datos sobre el campo gravitatorio es relativamente inexacta entre 300 y 350 kilómetros como resultado del principio de medición aplicado. Esto significa que solo se pueden hacer declaraciones confiables para áreas de alrededor de 100.000 kilómetros cuadrados. Para dar una idea de la escala, esta área mínima es aún más grande que Baviera, el estado federal más grande de Alemania con "solo" 70.000 kilómetros cuadrados.
Imagen: Duración en meses de las sequías más largas (al menos nueve meses) en los últimos veinte años según los nuevos datos GLWS2.0 (izquierda) y los datos del satélite GRACE-FO (derecha). Crédito: Helena Gerdener
Por el contrario, los modelos hidrológicos globales permiten una resolución de 50 kilómetros o incluso menos. Estos utilizan mediciones meteorológicas de precipitación, temperatura y radiación, así como mapas de uso de la tierra y composición del suelo y datos sobre cómo utilizan el agua la industria, la agricultura y otros consumidores. Los modelos hidrológicos simulan la evaporación, así como los cambios en los niveles de agua en el suelo y los estratos que contienen agua subterránea, lagos, ríos y embalses.
"Sin embargo, los inconvenientes de estos modelos son que solo pueden reflejar la realidad de forma limitada y las mediciones meteorológicas a menudo contienen errores sistemáticos", dice Kusche, por ejemplo, si no se dispone de datos sobre la extracción de agua subterránea.
Por primera vez, los investigadores han combinado las mediciones de los satélites GRACE y GRACE-FO con el modelo hidrológico WaterGAP, que a su vez integra datos meteorológicos de alta resolución. Esto ha permitido mejorar la resolución a 50 kilómetros de los mapas de distribución de agua así generados. Para hacerlo, los investigadores utilizaron una técnica matemática conocida como asimilación de datos, que se encuentra más comúnmente en el pronóstico del tiempo. Sin embargo, los científicos no tomaron simplemente los resultados del modelo hidrológico y los datos del satélite y calcularon los valores promedio.
Como explica Kusche, "los cálculos del modelo hidrológico se ajustan para que te acerques a los datos del satélite mientras modificas la física en la que se basa el modelo hidrológico lo menos posible".
Unas 1.000 estaciones de medición con fines de prueba
Los investigadores utilizaron unas 1.000 estaciones de medición para testar la calidad de los mapas de distribución de aguas continentales que se habían producido al combinar los datos de satélite con el modelo hidrológico. "Por supuesto, siempre se verán algunas diferencias regionales", admite Gerdener.
En general, sin embargo, dice que los datos combinados se ajustan mejor a las mediciones que los cálculos que se habían basado únicamente en los datos del satélite GRACE o en el modelo hidrológico.
Los hallazgos se han publicado en el Journal of Geodesy: The global land water storage data set release 2 (GLWS2.0) derived via assimilating GRACE and GRACE-FO data into a global hydrological model
