Análisis de las posibles variaciones climáticas y bioclimáticas en california (EEUU) y su relación con la vegetación
- Autores: Alejandro González Pérez
- Directores de la Tesis: Sara del Río González (dir. tes.), Ángel Penas Merino (dir. tes.), Gemma Ansola González (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad de León ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Número de páginas: 376
- Títulos paralelos:
- Analysis of possible climatic and bioclimatic variations in California (US) and their relationship with vegetation
- Tribunal Calificador de la Tesis: Tomás Emilio Díaz González (presid.), Raquel Alonso Redondo (secret.), Carlos José Pinto-Gomes (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ecología Funcional y Aplicada por la Universidad de León
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: BULERIA
- Resumen
- español
La temperatura media global en la superficie ha mostrado un aumento perceptible desde finales del siglo XIX. Sin embargo, este incremento no ha sido constante ni en el espacio ni en el tiempo, y no se conocen muchos estudios que hayan profundizado en esta peculiaridad en el Estado de California. Además, la sequía, un fenómeno natural en todo el mundo, se ha visto exacerbada por el calentamiento global, lo que ha provocado una expansión de las zonas afectadas. El estudio de la sequía conlleva el análisis de diversos indicadores e índices que permiten conocer los cambios en el ciclo hidrológico de una determinada región.
El aumento de las temperaturas y los cambios en los patrones de precipitación en los escenarios de cambio climático, están acelerando el agotamiento del agua del suelo y aumentando el riesgo de sequía, alterando las condiciones que muchas especies vegetales necesitan para sobrevivir. En este sentido, la Bioclimatología es una disciplina científica interdisciplinar que explica las complejas relaciones entre las condiciones climáticas y los patrones de distribución de los organismos vivos y sus comunidades en todo el planeta, especialmente las comunidades vegetales. En este contexto, la evaluación de los parámetros e índices climáticos y bioclimáticos en lugares específicos, puede servir de base para los procesos de toma de decisiones relacionados con los posibles impactos del cambio climático.
Uno de los objetivos de esta Memoria Doctoral es profundizar en el conocimiento de la evolución espaciotemporal de las temperaturas medias y precipitaciones en California a escala mensual, estacional y anual. Además, persigue analizar las relaciones existentes entre los patrones de teleconexión atmosférica con influencia en California y las variables anteriormente mencionadas. Otro objetivo de esta investigación es estudiar las tendencias ocurridas en los parámetros e índices bioclimáticos en el periodo 1980-2019. Además, realizamos por vez primera la caracterización cualitativa y cuantitativa de taxones de coníferas nativas con interés económico, científico y cultural en California. Como último de los objetivos, nos planteamos analizar posibles cambios en la idoneidad de hábitat de los taxones estudiados en un escenario futuro de cambio climático.
Para la consecución de los objetivos mencionados, se realizó inicialmente un análisis pormenorizado de los datos de temperatura media y precipitación de 350 estaciones meteorológicas con un periodo de observación que abarca desde 1980 hasta 2019. Para garantizar la fiabilidad de los resultados, se verificó la homogeneidad de los datos y se aplicaron a cada estación meteorológica técnicas estadísticas avanzadas, como la pendiente de Sen modificada y las pruebas de Mann-Kendall, para determinar la dirección y magnitud de las tendencias, así como su significación estadística. La distribución espacial de las tendencias mensuales, estacionales y anuales se analizó mediante la técnica geoestadística Kriging Bayesiano Empírico (KBE). Con el fin de establecer relaciones entre las variables climáticas y los patrones de teleconexión, se hizo un análisis de correlación robusto utilizando la prueba no paramétrica parcial de Spearman con un nivel de confianza del 95%.
La regionalización de las correlaciones existentes entre los patrones de teleconexión atmosférica y las variables climáticas, se llevó a cabo aplicando un análisis de componentes principales (ACP) y un análisis aglomerativo jerárquico de conglomerados (ACJ).
Para el establecimiento de las diagnosis cualitativas y cuantitativas de las coníferas estudiadas se realizó una búsqueda exhaustiva de puntos de presencia en la base de datos Gbif y se siguió la propuesta bioclimática de Rivas-Martínez et al. (2011).
Con el objetivo de conocer el clima de California en el futuro (año 2050) se aplicaron modelos de regresión lineal robusta. También se utilizó la lógica booleana, concretamente el operador lógico condicional (CON), para establecer la posible presencia (1) o ausencia (0) de cada especie para cada una de las 15 variables analizadas y determinar la idoneidad de hábitat de los taxones objeto de estudio. De este modo, se definieron áreas aptas (basadas en los valores máximos y mínimos de cada especie para cada una de las variables bioclimáticas calculadas) y áreas óptimas (derivadas de los valores comprendidos entre el primer cuartil (Q1) y el tercer cuartil (Q3) de cada especie y para cada variable) para el momento actual (1980-2019) y su proyección futura (2050). También se realizaron análisis de ganancias, pérdidas y mantenimientos de idoneidad de hábitat comparando las áreas actuales y las derivadas de proyecciones futuras.
Los resultados de los análisis de tendencias se ilustran principalmente en mapas de contorno y revelan que las temperaturas locales mostraron aumentos estadísticamente significativos, siendo mayores en el sur que en el norte de California. Se observaron incrementos en la precipitación en las zonas montañosas de Klamath, y disminuciones principalmente en las áreas meridionales de Sierra Nevada. Además, se observaron tendencias negativas en los índices ombrotérmicos (Io, Ios2, Ios3, Ios4) en el sur y el centro y se detectaron aumentos de la sequía bioclimática en todo el territorio. Estos fueron particularmente notables en verano y primavera, en las regiones central y sur del Estado.
Hemos observado correlaciones significativas entre las temperaturas de febrero, marzo, abril y mayo y la mayoría de los patrones de teleconexión estudiados. En particular, el patrón de teleconexión del Pacífico Oeste (WPO) mostró la mayor correlación negativa. Además, la regionalización del Estado de California basada en los valores de correlación entre la precipitación y los patrones de teleconexión ha mostrado 4 áreas bien diferenciadas.
Las diagnosis bioclimáticas cualitativas y cuantitativas a nivel de isobioclima, pusieron de manifiesto que la mayoría de las especies estudiadas se desarrollan en el macrobioclima Mediterráneo. Los resultados de los análisis de idoneidad de hábitat revelaron que la totalidad de especies experimentan una reducción de su área de distribución en California debido al cambio climático, así como un desplazamiento de las mismas hacia zonas más septentrionales y/o con mayor altitud. Abies magnifica y Pinus albicaulis serían los taxones menos afectados en lo que a pérdida de idoneidad de hábitat se refiere, en 2050.
Finalmente, el desarrollo de esta Memoria Doctoral ha puesto una vez más de manifiesto la utilidad y carácter predictivo de la Bioclimatología, pudiendo servir de ayuda a los gestores para aplicar medidas estratégicas y así mitigar los posibles impactos del cambio climático en la flora y vegetación.
- English
The global mean surface temperature has shown a perceptible increase since the late 19th century. However, this increase has not been constant in space or time, and not many studies are known to have delved into this peculiarity in the State of California.
In addition, drought, a natural phenomenon worldwide, has been exacerbated by global warming, which has led to an increase in affected areas. The study of drought involves the analysis of various indicators and indices that provide insight into changes in the hydrological cycle of a given region. Rising temperatures and changes in precipitation patterns in climate change scenarios are accelerating soil water depletion and increasing the risk of drought. This, in turn, alters the conditions that many plant species need to survive. In this sense, Bioclimatology is an interdisciplinary scientific discipline that explains the complex relationships between climatic conditions and the distribution patterns of living organisms and their communities across the planet, especially in plant communities. In this context, the assessment of climatic and bioclimatic parameters and indices at specific locations can serve as a basis for decision-making processes related to the potential impacts of climate change.
One of the objectives of this doctoral thesis is to deepen our knowledge of the spatiotemporal evolution of mean temperatures and precipitation in California on monthly, seasonal and annual scales. In addition, it aims to analyse the relationships between the atmospheric teleconnection patterns which influence California and the aforementioned variables. Another objective of this research is to study trends in bioclimatic parameters and indices over the period 1980-2019. In addition, we conducted, for the first time, the qualitative and quantitative characterisation of native conifer taxa which are of economic, scientific and cultural interest in California. As a final objective, we set out to analyse possible changes in habitat suitability for the taxa studied under a future climate change scenario.
To achieve these objectives, we initially conducted a detailed analysis of data from 350 weather stations with an observation period spanning from 1980 to 2019. To ensure the reliability of the results, the homogeneity of the data was verified and advanced statistical techniques, such as modified Sen’s slope and Mann-Kendall tests, were applied to each weather station to determine the direction and magnitude of the trends, as well as their statistical significance. The spatial distribution of monthly, seasonal and annual trends was analysed using the geostatistical Empirical Bayesian Kriging (EBK) technique. In order to establish relationships between climate variables and teleconnection patterns, a robust correlation analysis was performed using Spearman’s partial non-parametric test with a 95% confidence level. Regionalisation of the correlations between atmospheric teleconnection patterns and climate variables was carried out by applying principal component analysis (PCA) and agglomerative hierarchical cluster analysis (HCA).
For the establishment of the qualitative and quantitative diagnoses of the conifers studied, an exhaustive search of points of presence in the Gbif database was carried out and the bioclimatic proposal by Rivas-Martínez et al (2011) was followed.
Robust linear regression models were applied to determine the future climate of California (year 2050). Boolean logic, specifically the conditional logical operator (CON), was also used to establish the possible presence (1) or absence (0) of each species for the 15 variables analysed and to determine habitat suitability for the taxa under study. In this way, suitable areas (based on the maximum and minimum values of each species for the bioclimatic variables calculated) and optimal areas (derived from the values between the first quartile (Q1) and the third quartile (Q3) of each species and for each variable) were defined for the present time (1980-2019) and their future projection (2050). Analyses of gains, losses and maintenance of habitat suitability were also carried out comparing current areas and those derived from future projections.
The results of the trend analyses are illustrated mainly on contour maps and reveal that local temperatures showed statistically significant increases, being higher in southern California than in northern areas. Increases in precipitation were observed in the mountainous areas of Klamath and decreases mainly in the southern areas of the Sierra Nevada. In addition, negative trends in ombrothermal indices (Io, Ios2, Ios3, Ios4) were observed in the south and centre, and increases in bioclimatic drought were detected throughout the territory. These were particularly noticeable in summer and spring, in the central and southern regions of the State.
We observed significant correlations between temperatures in February, March, April and May in most of the teleconnection patterns studied. In particular, the Western Pacific Oscillation (WPO) teleconnection pattern showed the highest negative correlation.
Furthermore, regionalisation of the State of California based on the correlation values between precipitation and teleconnection patterns has shown 4 distinct areas.
Qualitative bioclimatic diagnoses at the isobioclimatic level showed that most of the studied species develop in the Mediterranean macro-bioclimate. The results of the habitat suitability analyses revealed that all species are experiencing a reduction of their range in California due to climate change, as well as a shift to more northerly and/or higher altitudes. Abies magnifica and Pinus albicaulis would be the least affected taxa in terms of loss of habitat suitability in 2050.
Finally, the research undertaken in this Doctoral Thesis has once again demonstrated the usefulness and predictive nature of Bioclimatology, which can help managers to apply strategic measures to mitigate the possible impacts of climate change on flora and vegetation.
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