Doctorado en Ingeniería - Automática · 2018
Modelación hidrológica y agronómica de los efectos del cambio y la variabilidad climática en la producción cafetera de Caldas
El análisis de los efectos del cambio climático y la variabilidad climática natural en la productividad cafetera, para el departamento de Caldas, Colombia, fue el objetivo de este trabajo de tesis doctoral realizado mediante técnicas de modelación hidrológica y agronómica. Diferentes técnicas estadísticas y matemáticas fueron aplicadas considerando los modos de variabilidad climática, con énfasis en el ciclo diurno de las variables climáticas que influyen en la productividad; los escenarios futuros de cambio climático y sus efectos en el balance hídrico y en la productividad cafetera. El modelo conceptual de tanques fue usado para la modelación hidrológica, y los modelos Simproc, Aquacrop y Cropsyst en la plataforma Bioma, para la modelación de cultivos. Los resultados del estudio permiten una mejor comprensión del ciclo diurno, que juega un papel fundamental tanto en el ciclo biológico de las plantas de café como en el ciclo del agua; un mejor entendimiento del comportamiento espacio-temporal de las variables climáticas para los diferentes modos de variabilidad climática en el período más reciente o línea base y los escenarios futuros de cambio climático. Por otra parte, el estudio aporta modelos hidrológicos y agronómicos calibrados y validados para las condiciones del Eje Cafetero colombiano y la simulación de los posibles efectos de variabilidad y cambio climático. Se espera que los resultados puedan ser integrados por la Federación Nacional de Cafeteros, FNC, la Gobernación de Caldas y CORPOCALDAS en los planes de adaptación y gestión del riesgo en beneficio de la caficultura regional
Texto completo 318 páginas con texto de 323
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Contenido
- Descripción del área problemática y justificaciónp. 24
- Descripción del área problemáticap. 24
- Formulación de la pregunta de Investigaciónp. 27
- Justificaciónp. 27
- Objetivosp. 29
- Objetivo Generalp. 29
- Objetivos Específicosp. 29
- Estado del Artep. 30
- Cambio climáticop. 30
- Efectos del cambio climáticop. 31
- 3.1.1.1 Cambios observadosp. 31
- 3.1.1.2 Futuros cambios climáticos, riesgos e impactosp. 33
- 3.1.1.3 Futuras trayectorias de adaptación, mitigación y desarrollo sosteniblep. 36
- Cambio climático en Colombiap. 37
- 3.1.2.1 Cambios observados en Colombiap. 38
- 3.1.2.2 Futuros cambios climáticos, riesgos e impactos en Colombiap. 39
- 3.1.2.3 Vulnerabilidad, adaptación y mitigaciónp. 40
- Variabilidad climáticap. 42
- Variabilidad climática en Colombiap. 43
- Ciclo diurnop. 44
- Cambio climático y balance hídricop. 45
- Modelación hidrológicap. 47
- Antecedentes regionales de la modelación hidrológicap. 50
- Cambio climático y agriculturap. 51
- Adaptación al cambio climáticop. 53
- Modelos de cultivosp. 55
- Café, variabilidad y cambio climáticop. 58
- Generalidades del cultivo del cafép. 58
- Ecotopos cafeteros y sistemas de producción en Colombiap. 59
- Fenología del cafetop. 60
- Factores que inciden en la productividadp. 64
- Factores climáticos que intervienen en la productividad cafeterap. 64
- 3.5.5.1 Disponibilidad de Energíap. 65
- 3.5.5.2 Disponibilidad hídricap. 64
- Vulnerabilidad del sistema de producción de cafép. 68
- Modelos para el cultivo de cafép. 69
- Metodologíap. 72
- Caso de estudiop. 72
- Diseño metodológicop. 73
- Información hidroclimáticap. 73
- Descripción metodológica análisis del ciclo diurno y tendenciasp. 75
- Descripción metodológica escenarios de cambio climáticop. 76
- Descripción metodológica modelación hidrológicap. 78
- Modelación agronómicap. 80
- Ciclo diurno y tendenciasp. 84
- Brillo solarp. 65
- Radiación solarp. 91
- Humedad Relativap. 64
- Temperaturasp. 100
- Temperatura mediap. 100
- Amplitud térmicap. 109
- Indicadores climáticosp. 110
- Vientop. 111
- Precipitaciónp. 64
- Precipitación mediap. 116
- Eventos extremos de precipitaciónp. 121
- Ciclo diurnop. 44
- Escenarios de cambio climáticop. 133
- Escenarios IDEAM Colombia Tercera comunicación Nacionalp. 133
- Escenarios precipitación IDEAMp. 134
- Escenarios temperatura media IDEAMp. 136
- Método simple de reducción de escalap. 138
- Escenarios temperatura media método simple de reducción de escalap. 138
- Escenarios precipitación media método simple de reducción de escalap. 142
- Aptitud climáticap. 74
- Aptitud climática en región actual de ecotopos cafeterosp. 146
- Aptitud climática en Caldasp. 148
- Método no paramétrico kNN-Bootstrappingp. 149
- Escenarios precipitación kNN-Bootstrappingp. 149
- Escenarios temperatura media kNN-Bootstrappingp. 159
- Aptitud climáticap. 74
- Aptitud climática en región actual de ecotopos cafeterosp. 146
- Aptitud climática para el departamento de Caldasp. 172
- Eventos extremos de precipitación en escenarios de cambio climáticop. 173
- Balance hídricop. 176
- Cuencas del departamento de Caldasp. 176
- Calibración y validación del modelo hidrológicop. 179
- Simulación hidrológica en las cuencas de Caldasp. 182
- Efectos de variabilidad climática en las cuencas de Caldasp. 187
- Escenarios de cambio climático en las cuencas de Caldasp. 194
- Efectos de variabilidad y cambio climático en productividad cafeterap. 200
- Efectos del ENSO en la productividad cafetera colombianap. 200
- Estadísticas cafeteras de Caldasp. 203
- Efectos del ENSO en la productividad cafetera de Caldasp. 205
- Calibración y validación de los modelos de cultivop. 208
- Modelo Aquacropp. 208
- Modelo Cropsyst en BioMap. 212
- Calibración del modelo Simproc o Simfrutp. 215
- Simulación para la línea basep. 217
- Corrección en el modelo de cultivo por efectos del ENSOp. 219
- Corrección Modelo Aquacropp. 219
- Modelo Cropsyst en BioMap. 212
- Modelación Agronómica con efectos de la variabilidad climáticap. 223
- Modelación Agronómica con escenarios de cambio climáticop. 225
- Modelo Aquacropp. 208
- Modelo Cropsyst en BioMap. 212
- Ensamble de modelos de cultivop. 232
- Discusión de Resultadosp. 235
- Ciclo Diurno y tendenciasp. 84
- Brillo y radiación solarp. 235
- Humedad relativap. 64
- Temperaturasp. 100
- Vientop. 111
- Precipitaciónp. 64
- Escenarios de cambio climáticop. 133
- Aptitud climáticap. 74
- Modelación hidrológicap. 47
- Efectos de variabilidad y cambio climático en la productividad cafeterap. 257
- Influencia de la variabilidad climáticap. 257
- Efectos del cambio climático por modelación de cultivosp. 259
- Productividad y calidadp. 261
- Vulnerabilidad y adaptaciónp. 263
- 10. Anexosp. 269
- Tablasp. 269
- Figurasp. 282
- Bibliografíap. 290
- Figura 1.1. Cambios en el sistema climático globalp. 24
- Figura 1.2. Mapa Cafetero del Departamento de Caldasp. 28
- Figura 3.1. Impactos del cambio climático en algunos sectoresp. 33
- Figura 3.2. Trayectorias de emisiones de GEIp. 37
- Figura 3.3. Variación diaria de la tasa de energía y de la temperatura del airep. 44
- Figura 3.4. Impactos en cascada de una mayor concentración de GEIp. 46
- Figura 3.5. Efectos e impactos del cambio climático en los recursos hídricosp. 46
- Figura 3.6. Modelos hidrológicos para la evaluación de las respuestas al cambio climáticop. 48
- Figura 3.7. Efectos e impactos del cambio climático en la agricultura y la seguridad alimentariap. 52
- Figura 3.8. Enfoque proyecto VACEAp. 54
- Figura 3.9. Aplicación del modelo DPSIR para evaluar el impacto de cambio climático en la agriculturap. 55
- Figura 3.10. Componentes del sistema de cultivo agrícolap. 56
- Figura 3.11. Jerarquía de factores de crecimiento y niveles de producción asociadosp. 57
- Figura 3.12. Estadísticas de producción de café a nivel global 1990-2016p. 58
- Figura 3.13. Ecotopos Cafeteros en Colombiap. 60
- Figura 3.14. Fases fenológicas del cultivo del cafetop. 61
- Figura 3.15. Fases fenológicas del cultivo del cafeto en los primeros tres añosp. 63
- Figura 3.16. Factores que afectan el potencial de producción de un cultivop. 64
- Figura 3.17. Balance hídrico y efectos en la floración del cafép. 67
- Figura 4.1. Localización de la zona de estudiop. 72
- Figura 4.2. Localización cuencas hidrográficas del departamento de Caldasp. 73
- Figura 4.3. Esquema metodológicop. 74
- Figura 4.4. Localización de estacionesp. 75
- Figura 4.5. Esquema conceptual del modelo Tetisp. 79
- Figura 4.6. Factores que inciden en la productividad cafeterap. 80
- Figura 4.7. Esquema Simplificado del modelo SIMPROCp. 81
- Figura 4.8. Marco Conceptual de la Plataforma BioMap. 82
- Figura 4.9. Esquema conceptual del modelo Aquacropp. 83
- Figura 5.1. Tendencias en el brillo solar diariop. 85
- Figura 5.2. Periodograma del brillo solar diariop. 86
- Figura 5.3. Variación trimestral del Ciclo diurno del brillo solarp. 87
- Figura 5.4. Ciclo diurno del brillo solar en estaciones de Caldasp. 87
- Figura 5.5. Ciclo diurno del brillo solarp. 88
- Figura 5.6. Alteraciones ciclo diurno del brillo solar por ENSOp. 88
- Figura 5.7. Comportamiento estacional del brillo solar mensual 1981-2010p. 89
- Figura 5.8. Mapa de brillo solar diario y alteraciones por variabilidad climáticap. 90
- Figura 5.9. Comportamiento estacional de la radiación 1981-2010p. 91
- Figura 5.10. Mapa de radiación solar línea basep. 91
- Figura 5.11. Ciclo diurno de la radiación solar en la estación Posgradosp. 92
- Figura 5.12. Ciclo diurno de la radiación solar y efectos del ENSO en la estación Posgradosp. 93
- Figura 5.13. Tendencias en humedad relativap. 94
- Figura 5.14. Periodograma de la humedad relativap. 94
- Figura 5.15. Variación diaria de la humedad relativap. 95
- Figura 5.16. Comparación de la variación diaria de la humedad relativa en estaciones de Cenicafép. 96
- Figura 5.17. Análisis de tendencias registros horarios de humedad relativa estación Cenicafép. 97
- Figura 5.18. Periodograma registros horarios de humedad relativa estación Cenicafép. 97
- Figura 5.19. Efectos del ENSO en la humedad relativa estación Cenicafép. 98
- Figura 5.20. Ciclo diurno de la HR y efectos del ENSO. Estación posgradosp. 99
- Figura 5.21. Humedad relativa para la línea base y efectos del ENSOp. 100
- Figura 5.22. Tendencias en temperatura mediap. 101
- Figura 5.23. Periodograma temperatura mediap. 102
- Figura 5.24. Variación horaria de temperatura en estación Agronomíap. 102
- Figura 5.25. Comparación de la variación diaria de la temperatura en estaciones de Cenicafép. 104
- Figura 5.26. Efectos del ENSO en la temperatura diurna en la estación Cenicafép. 105
- Figura 5.27. Ciclo diurno de la temperatura en la estación Posgradosp. 106
- Figura 5.28. Efectos del ENSO en el ciclo diurno de la temperatura en Posgradosp. 107
- Figura 5.29. Temperatura media línea base 1981-2010 y efectos del ENSOp. 107
- Figura 5.30. Temperatura media línea base 1981-2010 y efectos del ENSOp. 108
- Figura 5.31. Tendencias en la amplitud térmicap. 109
- Figura 5.32. Ciclo anual de la velocidad del viento para la estación Cenicafép. 112
- Figura 5.33. Efectos del ENSO en la velocidad del viento para la estación Cenicafép. 112
- Figura 5.34. Ciclo diurno de la velocidad del viento para la estación Cenicafép. 113
- Figura 5.35. Índice relativo de velocidad del viento para la estación Cenicafép. 113
- Figura 5.36. Distribución espacial de la Velocidad del vientop. 114
- Figura 5.37. Ciclo diurno de la dirección del viento para la estación Cenicafép. 114
- Figura 5.38. Ciclo anual de la precipitaciónp. 116
- Figura 5.39. Anomalías en la precipitación por efecto del ENSOp. 118
- Figura 5.40. Tendencias en la precipitación anualp. 119
- Figura 5.41. Periodograma de la precipitación diariap. 120
- Figura 5.42. Precipitación histórica 1959-2000p. 121
- Figura 5.43. Precipitación media Anual 1981-2010p. 121
- Elaboración propiap. 122
- Figura 5.45. Ciclo diurno de la precipitaciónp. 125
- Figura 5.46. Índice relativo del ciclo diurno de la precipitaciónp. 128
- Figura 5.47. Alteración del ciclo diurno de la precipitación por ENSOp. 129
- Figura 5.48. Anomalías en la precipitación diurna por ENSOp. 130
- Figura 5.49. Anomalías en la precipitación nocturna por ENSOp. 131
- Figura 5.50. Precipitación máxima promedio horariap. 131
- Comunicación Nacional para el período 2011-2040p. 134
- Figura 6.2. Anomalías en las proyecciones de precipitación 2011-2040 por rango de altitudp. 135
- Figura 6.3. Anomalías en las proyecciones de precipitación por trimestre y rango altitudinalp. 135
- Figura 6.4. Registros y proyecciones de precipitación anual en estacionesp. 136
- Figura 6.5. Anomalías en las proyecciones de temperatura 2011-2040 por rango de altitudp. 137
- Figura 6.6. Registros y proyecciones de temperatura media anual en estacionesp. 137
- RCP 2.6. Ensamble simple multimodelop. 138
- RCP 2.6. Ensamble multimodelo 2020-2049p. 139
- RCP 4.5. Ensamble simple multimodelop. 139
- RCP 4.5. Ensamble multimodelo 2020-2049p. 140
- RCP 6.0. Ensamble simple multimodelop. 140
- Ensamble multimodelo 2020-2049p. 141
- RCP 8.5. Ensamble simple multimodelop. 285
- RCP 8.5. Ensamble multimodelo 2020-2049p. 142
- Figura 6.15. Distribución espacial de la precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 2.6p. 142
- RCP 2.6. Ensamble multimodelo 2020-2049p. 143
- Figura 6.17. Distribución espacial de la precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 4.5p. 143
- cafeteros RCP 4.5 Ensamble multimodelo 2020-2049p. 144
- Figura 6.19. Distribución espacial de la precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 6.0p. 144
- cafeteros RCP 6.0 Ensamble multimodelo 2020-2049p. 145
- Figura 6.21. Distribución espacial de la precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 8.5p. 145
- cafeteros RCP 8.5. Ensamble multimodelo 2020-2049p. 142
- proyecciones de temperatura y precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 2.6p. 147
- proyecciones de temperatura y precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 8.5p. 147
- precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 2.6p. 148
- precipitación para el periodo 2020-2049. RCP 8.5p. 149
- Figura 6.28. Desempeño de los modelos para reproducir el ciclo anual de la precipitaciónp. 150
- Figura 6.29. Desempeño de los modelos para reproducir el periodograma de la precipitaciónp. 151
- Figura 6.30. Desempeño de los modelos para reproducir valores extremos de la precipitación diariap. 152
- Figura 6.31. Registros y proyecciones de precipitación media anual en estaciones cafeterasp. 153
- Figura 6.32. Incertidumbres en escenarios de precipitación media anual en estaciones cafeterasp. 154
- Figura 6.33. Ciclo anual para los escenarios de precipitación en estaciones cafeterasp. 155
- Figura 6.34. Incertidumbres en los escenarios de precipitación mensual en estaciones cafeterasp. 156
- Figura 6.35. Anomalías en la precipitación mensual en las estaciones cafeteras por rango altitudinalp. 157
- Figura 6.36. Anomalías en la precipitación promedio anual para el departamento de Caldasp. 158
- Figura 6.37. Desempeño para reproducir el registro histórico de la temperatura media anualp. 159
- Figura 6.38. Registros y proyecciones de temperatura media anual en estaciones cafeterasp. 160
- Figura 6.39. Incertidumbres en escenarios de temperatura media anual en estaciones cafeterasp. 161
- Figura 6.40. Ciclo anual para los escenarios de temperatura media en estaciones cafeterasp. 162
- Figura 6.41. Incertidumbres en los escenarios de temperatura media en estaciones cafeterasp. 163
- Figura 6.42. Anomalías en la temperatura media en estaciones del departamento de Caldasp. 164
- Figura 6.43. Anomalías en la temperatura media en estaciones cafeteras de Caldasp. 165
- Figura 6.44. Distribución espacial de las anomalías en la temperatura media mensual 2020-2049p. 166
- Figura 6.45. Distribución espacial de la temperatura media anual 1981-2010p. 167
- Figura 6.46. Distribución espacial de los escenarios de temperatura media anual 2020-2049p. 168
- Figura 6.47. Distribución espacial de la precipitación media anual 1981-2010p. 169
- Figura 6.48. Distribución espacial de los escenarios de precipitación media anual 2020-2049p. 170
- Figura 6.49. Aptitud climática 1981-2010 y con escenarios de cambio climático 2020-2049 RCP 8.5p. 172
- RCP 8.5p. 174
- para el municipio de Manizalesp. 175
- Figura 7.1. Cuencas hidrográficas del departamento de Caldas y ecotopos cafeterosp. 176
- Figura 7.2. Cuencas y subcuencas hidrográficas analizadasp. 179
- Figura 7.3. Hidrogramas obtenidos del modelo hidrológico calibrado y validadop. 180
- Figura 7.4. Curvas de duración de caudales obtenidas del modelo hidrológico calibrado y validadop. 181
- Figura 7.5. Resultados modelación hidrológica en cuencas de Caldas 1981-2010p. 183
- Figura 7.6. Indicadores del régimen hidrológico en cuencs de Caldasp. 186
- Figura 7.7. Alteraciones en el balance hídrico por ENSO en cuencas de Caldasp. 187
- Figura 7.8. Efectos del ENSO en el brillo solar diario en cuencas de Caldasp. 190
- Figura 7.9. Efectos del ENSO en la temperatura media en cuencas de Caldasp. 192
- Figura 7.10. Efectos del ENSO en la acumulación térmica en cuencas de Caldasp. 194
- Figura 7.11. Anomalías en variables según escenarios de cambio climático cuenca del río Armap. 195
- Ensamble multimodelo 2020-2040p. 196
- del cambio climático 2020-2040p. 197
- Figura 8.1. Tendencias en la producción nacional y departamental 1905-1965p. 200
- Figura 8.2. Producción nacional de café y áreas cultivadasp. 201
- Figura 8.3. Relación productividad de café nacional y ONIp. 201
- Figura 8.4. Incidencia del ENSO en la producción Nacionalp. 202
- Figura 8.5. Incidencia del ENSO en la producción Nacionalp. 203
- Figura 8.6. Producción cafetera de los municipios de Caldasp. 205
- Figura 8.7. Productividad cafetera de los municipios de Caldasp. 206
- Figura 8.8. Relación productividad cafetera departamental y ONIp. 206
- Figura 8.9. Anomalías en la producción cafetera por ENSOp. 207
- Figura 8.10. Anomalías en la productividad cafetera por ENSOp. 207
- Figura 8.11. Pantalla de inicio del modelo AquaCropp. 208
- Figura 8.12. Calibración del modelo Aquacrop en Chinchináp. 209
- Figura 8.13. Validación del modelo Aquacrop en Estaciones Cafeterasp. 210
- Figura 8.14. Validación del modelo Aquacrop en las cuencas de Caldasp. 211
- Figura 8.15. Selección de las grillas en BIOMAp. 212
- Figura 8.16. Calibración del modelo Cropsyst en BioMa para Chinchináp. 214
- Figura 8.17. Validación del modelo Cropsyst en BioMa para los municipiosp. 214
- Figura 8.18. Variación diurna de la temperatura en el modelo Simfrutp. 215
- Figura 8.19. Modelos de producción de café según la edad y densidad de siembrap. 216
- Figura 8.20. Calibración del modelo Simfrut en Chinchináp. 216
- Figura 8.21. Validación del modelo Simfrut en Chinchináp. 217
- Figura 8.22. Modelación hidrológica línea base 1989-2010- Estación Naranjalp. 217
- Figura 8.23. Resultados de la modelación hidrológica y efectos del ENSOp. 218
- Figura 8.24. Comportamiento de la fotosíntesis acumulada con la humedad volumétricap. 219
- Figura 8.25. Relación producción relativa con el ONIp. 220
- Figura 8.26. Relación producción relativa con lluvia antecedentep. 220
- Figura 8.27. Corrección en las salidas de Aquacrop por efectos del ENSOp. 221
- Figura 8.28. Corrección en las salidas de BioMa por efectos del ENSOp. 222
- Figura 8.29. Comparación de resultados de la modelación de cultivosp. 224
- Figura 8.30. Comparación resultados Aquacrop ajustado con escenarios de cambio climáticop. 227
- Figura 8.31. Incertidumbres en las proyecciones de modelos de cultivos según resultados Aquacropp. 228
- Figura 8.32. Comparación resultados BioMa ajustado con escenarios de cambio climáticop. 230
- Figura 8.33. Incertidumbres en las proyecciones de modelos de cultivos según resultados BioMap. 231
- Figura 9.1. Alteraciones ciclo diurno del brillo solar por ENSOp. 237
- Figura 9.2. Incertidumbres en las proyecciones climáticasp. 248
- Figura 10.1. Indicadores climáticos asociados con temperaturas extremasp. 282
- Figura 10.2. Tendencias en Índices de precipitación extrema RClimdexp. 283
- RCP 8.5. Ensamble simple multimodelop. 285
- Figura 10.4. Distribución espacial de la precipitación mensual para el periodo 2020-2049. RCP 8.5p. 286
- Figura 10.5. Anomalías en la temperatura media mensual en estaciones cafeteras de Caldasp. 288