Por Peio Oria, delegado territorial de AEMET en Navarra

En esta entrada se listan los episodios de calor más extremos que hemos sufrido en la Cuenca de Pamplona en los últimos 70 años, y se analizan y muestran algunas características térmicas y la evolución temporal de dichos episodios. Para ello se emplean, por un lado, los datos de la estación meteorológica  manual ubicada en el centro de Pamplona propiedad de AEMET y cuya gestión se comparte con el Gobierno de Navarra y, por otro lado, la temperatura máxima anual en el nivel de 850 hPa (aproximadamente 1500 m de altitud), haciendo uso del reanálisis ERA-5 de ECMWF-Copernicus como indicador de la intensidad de las masas de aire cálido que sobrevuelan nuestro territorio en verano. Por último, en base a una interpretación estadística, se analiza la tendencia futura del periodo de retorno de incursiones de masas de aire cálido (que dan lugar a los episodios extremos) haciendo uso de proyecciones regionalizadas obtenidas de modelos climáticos.

Introducción

Es ya un hecho científicamente comprobado que la Tierra se calienta a un ritmo sin precedentes debido a la acción humana. El crecimiento de determinados países, muy en particular los occidentales, basado en la explotación de recursos, la extracción energética a partir de los combustibles fósiles y las alteraciones en los usos de suelo como la quema de biomasa de superficies forestales para la producción agraria se configuran como los mayores contribuidores al origen del problema y a las consecuentes emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera (https://aemetblog.es/2021/08/10/comunicado-de-prensa-del-ipcc-el-cambio-climatico-es-generalizado-rapido-y-se-esta-intensificando/).

Sin embargo, es también cierto que una parte del clima de un determinado lugar experimenta alteraciones por otras causas. Por ejemplo, debido a la propia variabilidad climática natural, en primera instancia independiente del forzamiento climático de origen humano, aunque de manera indirecta pueda interaccionar de forma no lineal con las respuestas al calentamiento inducido por el forzamiento antropogénico. También hay otros factores, a menudo locales, ligados a la configuración del terreno, a elementos del paisaje, al crecimiento urbano o a la variación de los usos de la tierra para la irrigación o el cultivo que, junto con lo anterior, se traducen en que el calentamiento no se experimenta de igual modo en todas las regiones del planeta.

Además de una metodología estadística robusta y bien fundamentada, cualquier análisis de la evolución de variables climáticas como la temperatura en un punto o región debe tener en cuenta los aspectos anteriores. En este caso, la aproximación que se pretende llevar a cabo se centra en los valores climáticos extremos de temperatura durante los meses del verano meteorológico (junio, julio y agosto) en un único punto, la ciudad de Pamplona.

La estación meteorológica de Pamplona ciudad y los eventos extremos de calor en los últimos 70 años.

Recurriendo a los datos climatológicos diarios de la estación meteorológica ubicada en la ciudad de Pamplona y perteneciente a la red manual termopluviométrica  de AEMET, se extraen de un sencillo análisis los días de los episodios de temperaturas más altas desde 1954 a través del registro de temperatura máxima en el termómetro de mercurio. Es preciso señalar que la estación ha cambiado dos veces de ubicación en los últimos 70 años, la primera vez en octubre de 1994 trasladándose desde el torreón noroeste del edificio de la antigua Escuela de Comercio, en la calle Navarrería (actual sede del INAP) al fortín de San Bartolomé, al norte del parque de la Media Luna y, en mayo de 2010, desde este último lugar al vecino Baluarte del Labrit, en el bastión este de la muralla que rodea la zona histórica de la ciudad. Si bien la ubicación actual y la anterior son muy cercanas, e incluso similares en su entorno más local (~30 m), el emplazamiento anterior a 1994 puede no ser especialmente adecuado para una estación meteorológica al situarse en una azotea. Es probable también que el crecimiento urbano y el efecto isla de calor hayan afectado algo, sobre todo al primero de los emplazamientos. A continuación se muestra una fotografía de la estación en su emplazamiento actual y una captura aérea de los tres emplazamientos: inicial (azul), intermedio (naranja) y actual (rojo).

En el periodo analizado (trimestre estival entre 1954 y 2021) la serie está completa al 97.1% (180 días faltantes de 6256). Los datos de partida de temperaturas máximas se han sometido a la aplicación sucesiva de tres tests estadísticos siguiendo recomendaciones del Proyecto ECAD (European Climate Assessment & Dataset, https://www.ecad.eu/): El test SNH, el test de Buishand  y el test de Pettitt. La serie rechaza la hipótesis nula en el intervalo de confianza del 95% en los tres tests por lo que se considera homogénea. En el caso de los registros de episodios extremos se ha comprobado además que estaciones cercanas a la de Pamplona y alejadas del núcleo urbano registran temperaturas similares, siendo además validadas y verificadas por la sección de climatología de la Delegación Territorial de AEMET en Aragón y por el Negociado de Suelos y Climatología del Gobierno de Navarra.

En la tabla debajo se muestran los siguientes parámetros para cada uno de los diez episodios de calor más extremos: Tmax1 hace referencia a la temperatura máxima del episodio, Tmax3 a la media más alta de las máximas durante 3 días consecutivos. La duración y secuencia de temperaturas máximas expresan la persistencia del episodio, siendo los días contabilizados aquellos cuyas temperaturas máximas superen los 35.4 °C, que supone el percentil 95 de la serie de temperaturas máximas para los meses de julio y agosto (referencia 1971-2000).

En la siguiente gráfica se muestran los valores de temperatura por encima del percentil 95 en los días que abarcan los distintos episodios.

Dos consideraciones relativas a la gráfica anterior son las siguientes: No se aprecia suficientemente bien la duración del episodio de 2003, que presenta temperaturas extremas entre el 2 y el 14 de agosto, es decir, durante 13 días consecutivos. Algunas temperaturas máximas se repiten varios días por lo que la representación no captura la persistencia real del episodio. Este evento resultó ser, por otra parte, una de las olas de calor del pasado reciente de mayor alcance geográfico e impacto en el continente europeo, con decenas de miles de muertes reportadas asociadas al episodio.  Por otro lado, el año 2012 presenta dos eventos independientes, aunque separados temporalmente tan solo por una semana. El primero tiene lugar el 9 y 10 de agosto, y el segundo entre el 17 y 21 de agosto, alcanzándose el día 18 los 40.6 °C, efeméride actual de temperatura máxima absoluta del observatorio.

A continuación se mencionan algunas conclusiones relativas a la tabla y gráfica anteriores: Cinco de los diez periodos más cálidos ocurren en el siglo XXI y 4 de ellos en la última década. Destaca asimismo que en la década de 1960 y 1970 no se registra ninguno. Estas décadas son precisamente las más frías en buena parte de Europa durante la segunda mitad del siglo XX.  El episodio más extremo, teniendo únicamente en cuenta la temperatura máxima alcanzada en un día, tiene lugar en la segunda quincena de agosto de 2012. Si atendemos al promedio de tres días consecutivos, es el episodio de 1987 el más extremo, aunque seguido muy de cerca por el de julio de 1982, el segundo de agosto de 2012 y el de agosto de 2003. Teniendo en cuenta la gran duración de este último, probablemente merezca la consideración del más severo del pasado reciente. Por otro lado, destaca el episodio de finales de junio de 2019, por ser extraordinariamente temprano en el transcurso del año, por batir el record de temperatura máxima en el mes de junio con una diferencia de 1.3 °C  respecto a la anterior efeméride y por tratarse de la masa de aire más caliente que ha llegado a la Cuenca de Pamplona en las últimas décadas, como veremos en el siguiente apartado.

Por tanto no sólo hay más episodios en los últimos años sino que también se ha registrado el más largo, el más intenso y el más temprano. De algún modo estas últimas apreciaciones recuerdan a algunas conclusiones expresadas en el 6º informe de evaluación del IPCC, relativas a los cambios en la distribución de eventos extremos, y cuyo capítulo 11 literalmente afirma que a medida que el clima se aleja de sus estados pasados y actuales, experimentaremos eventos extremos en magnitud, frecuencia, tiempo o ubicación.

Análisis térmico en 850 hPa

Es habitual en meteorología caracterizar térmicamente una masa de aire haciendo uso de la temperatura en el nivel de presión atmosférica de 850 hPa, que se corresponde con una altitud aproximada de algo menos de 1500 m. El motivo reside en que en ese nivel está usualmente situado el comienzo de la atmósfera libre, fuera de la capa límite atmosférica, y, por tanto, de algún modo libre de los efectos del contacto del aire con el suelo, aunque en nuestro territorio, con zonas de mesetas y cordilleras elevadas, los efectos del calor del suelo llegan a propagarse hasta ese nivel a partir de mediodía. Para un análisis más generalizado de las masas de aire cálido haciendo uso de la temperatura en el nivel de 850 hPa remitimos al excelente artículo de  José Ángel Núñez Mora, https://aemetblog.es/2019/07/02/analisis-de-la-ola-de-calor-de-junio-de-2019-en-un-contexto-de-crisis-climatica/ , en este mismo blog.

En este caso, y a diferencia de la temperatura máxima medida en la estación de Pamplona que se ha analizado en el apartado previo, se extraen las temperaturas horarias en el nivel de 850 hPa, obtenidas del reanálisis ERA-5 del servicio de Clima C3S de Copernicus. Este servicio está implementado por el Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo (ECMWF), que es cofinanciado a su vez por Servicios Meteorológicos Nacionales. El reanálisis parte de una asimilación de datos 4D-Var haciendo uso de modelos atmosféricos, oceánicos y de tierra además de observaciones en superficie y datos de decenas de satélites. Se han descargado más de 150000 datos entre junio de 1950 y agosto de 2021 (trimestre de verano) para construir la temperatura diaria (promedio horario) en la vertical sobre Pamplona (-1.65, 42.82, coordenadas geográficas, EPSG:4326 WGS 84). Como ya se ha introducido anteriormente la media, captura mejor las características de la masa de aire sin verse tan influenciada por el ciclo diurno asociado al calentamiento de la superficie y de las capas más cercanas al suelo.

En la siguiente gráfica se muestra la evolución de las temperaturas diarias en la vertical sobre Pamplona, desde 1950. Se muestra además la media móvil en 25 días (verde) y se ha ajustado un modelo lineal a los datos, obteniendo una tendencia al alza estadísticamente significativa (rojo). El aumento entre el verano de 1950 y el de 2021 es de casi 2.4 °C, con un aumento decadal de 0.33  +/- 0.03 °C (desviación estándar del ajuste inferior al 10%). Es de destacar que los aumentos encontrados en el periodo referido superan a aquellos en superficie reportados por el Gobierno de Navarra en el marco del proyecto europeo LIFE-IP-NAdapta-CC. Acción C1.1, que para la estación de Pamplona y para el conjunto del año obtienen una tendencia ascendente significativa de 0.17°C/década entre 1961 y 1990, y una tendencia no significativa de 0.27 °C/ década entre 1991 y 2020.

Merece la pena llevar a cabo una aproximación estadística para intentar obtener algunas conclusiones del comportamiento de los extremos de la distribución anterior de datos. Para ello se va a analizar el valor máximo anual de temperatura en 850 hPa, extraído fácilmente de los datos anteriores. En la siguiente gráfica se representan las temperaturas medias diarias más altas para cada año del registro.

Como era de esperar, en la gráfica anterior se observa que los episodios más extremos coinciden con los listados en la sección anterior, en concreto algunos de los más extremos se corresponden con los que la temperatura media diaria en 850 hPa alcanza o supera los 25 °C (línea azul). Destaca muy especialmente el episodio de finales de junio de 2019, con una temperatura cercana a 27 °C el día 29. De algún modo, puede esperarse que una temperatura que rebase los 25 °C  en 850 hPa funcione como predictor de la temperatura en superficie dando una alta probabilidad de alcanzar o superar los 40 °C teniendo en cuenta, por un lado, la gran correlación y, por otro, la estabilidad del gradiente térmico en capas bajas para situaciones de subsidencia y fuerte advección cálida y seca. Todos los eventos por encima de ese umbral (señalados por encima de la línea azul en la gráfica) alcanzan o rebasan ligeramente los 40 °C en Pamplona. De manera similar al caso de los datos diarios de temperatura media, se calcula el ajuste lineal de los datos para obtener la tendencia, que en este caso se sitúa en 2.9 °C  +/- 0.6 °C para los 72 años de datos, siendo también estadísticamente significativa.

En la siguiente figura se representan los datos del reanálisis ERA-5 en rejilla, tanto de la temperatura en 850 hPa como de presión en superficie, para las 12 UTC de los días en los que la temperatura alcanza los valores más altos en las situaciones analizadas (15 de agosto de 1987, 18 de agosto de 2012, 29 de junio de 2019 y 14 de agosto de 2021).

Las características sinópticas de las masas de aire  muestran gran similitud, con una dorsal térmica llegando hasta el norte de la Península Ibérica o interior del continente europeo y marcada advección térmica procedente del norte de África. Además, una baja profunda al oeste de las Islas Británicas potencia el transporte canalizado de aire muy cálido en sentido sur norte. Es el clásico escenario de ola de calor, si la persistencia es suficiente, y en el que, en otros puntos de la Península, especialmente en el valle del Ebro y cuadrante noreste (y, según la intensidad de la dorsal, también en Francia), se registran igualmente temperaturas extremas.

¿Es esperable que este tipo de episodios sean cada vez más frecuentes en el futuro?

Por último se pretende investigar el comportamiento de los periodos de retorno de las temperaturas máximas anuales en superficie correspondientes a los días del trimestre de verano (JJA). Para ello se efectúa un análisis de valores extremos mediante un ajuste la familia de distribuciones GEV a los valores máximos diarios obtenidos en la estación en el periodo entre 1954 y 2021. La función que se emplea para la caracterización estadística del comportamiento de los máximos es

donde los tres parámetros, ξ, μ y σ representan la forma, localización y escala de la función de distribución acumulativa, respectivamente. Un ajuste paramétrico a los datos permite obtener los valores de ξ, μ y σ.

Por otro lado, el período de retorno se traduce en estimar la probabilidad de que el valor de una variable extrema se vea superada en un determinado lapso de recurrencia. En otras palabras el periodo de retorno se relaciona inversamente con la probabilidad ocurrencia de un evento de una magnitud dada, o mayor, en un período. En este caso la probabilidad resulta del propio ajuste anterior a la distribución estadística. El resultado obtenido para el periodo de retorno de las temperaturas máximas anuales en la estación de Pamplona es el siguiente (en puntos, el ajuste; las curvas definen el intervalo de confianza del 90%):

El ajuste conduce a un periodo de retorno de 10 años correspondiente a un valor de 39.6 °C (38.8 °C – 40.2 °C en el intervalo de confianza del 90%). De todos modos, hay que recalcar que el ajuste se hace con los datos del periodo completo en el que se registra una tendencia estadísticamente significativa de la temperatura máxima. Por tanto, idealmente habría que tener en cuenta esa tendencia, substraerla de los datos y trasladar el comportamiento del periodo de retorno para el comienzo y final del periodo (este procedimiento es el que se suele emplear en estudios de detección y atribución al cambio climático). En cualquier caso la representación anterior correspondería al periodo de retorno asociado al clima de la ciudad de Pamplona en el conjunto de la segunda parte del siglo XX y comienzos del siglo XXI.

La cuestión que surge a continuación es si los periodos de retorno van a verse modificados en el clima futuro. Esto es especialmente relevante para el análisis de riesgos llevado a cabo por una multitud de usuarios sectoriales en estudios de adaptación al cambio climático y en áreas como los recursos hídricos y energéticos, la edificación, el impacto de las temperaturas extremas en la salud y los ecosistemas, etc. Para tratar de arrojar luz sobre esta cuestión, se han descargado datos de proyecciones climáticas regionalizadas para la península ibérica en el periodo 1954-2100, en concreto para la temperatura máxima en la estación de Pamplona. Los datos están disponibles libremente en el portal Adaptecca del MITERD (https://www.adaptecca.es/). Se tiene un total de 48 modelos regionalizados con técnicas estadísticas de regresión y análogos. Para el periodo histórico (1954-2021) se calcula la temperatura máxima anual de cada uno de los modelos y se realiza el mismo ajuste que se ha hecho con los datos observados. Este paso tiene la finalidad de verificar si la distribución de las temperaturas extremas anuales observadas guarda alguna relación con la de las temperaturas provenientes del modelo. Este es un paso clave en cualquier estudio, dado que los modelos climáticos tienen dificultades en simular eventos extremos, además de la cadena de incertidumbres asociadas, especialmente a las técnicas de regionalización. El criterio que se sigue para dar un modelo por válido es si los parámetros ajustados de su distribución se encuentran en el margen del intervalo de confianza del 95% de los parámetros de la distribución de los valores observados. Tan sólo 12 modelos satisfacen la anterior premisa. En la siguiente figura se representan los periodos de retorno de tres de estos modelos (MIROC-ESM_SDSM, MIROC5_SDSM, CMCC-CM_SDSM ) para el periodo histórico 1954-2021 (en azul) y para el periodo 2022-2100 (en rojo).

Apréciese que los periodos de retorno correspondientes a alcanzar temperaturas de 40 °C que resultan de estos modelos se reducen de décadas a uno o pocos pocos años en el futuro, es decir, las 7 veces que se han superado los 40 °C en Pamplona entre 1954 y 2021 podrían empezar a ser cada vez más habituales en los veranos de los próximos años y décadas.

Principales conclusiones

En un estudio climático local, siempre hay limitaciones inherentes a los datos e incertidumbres relativas a la observación o derivadas del uso de modelos climáticos. La cuantificación de la incertidumbre no siempre es posible aunque, dado el carácter intrínseco e indisoluble de la misma a cualquier estudio climático, se debe al menos tratar de acotarla. El uso de ensembles en la modelización climática, recurrir a varios orígenes de fuentes de datos,  el tratamiento de errores estadísticos mediante diversos tests o un buen registro de los metadatos de una estación, así como el tratar de garantizar condiciones homogéneas de medida y entorno, resultan cruciales, si bien no siempre pueden asegurarse.

En este sencillo estudio se ha analizado un dataset observacional de aproximadamente 70 años, 1954-2021 para el caso de los registros medidos en el trimestre de verano en la estación meteorológica de Pamplona y 1950-2021 para los datos de temperatura en el nivel de 850 hPa obtenidos del reanálisis ERA-5, del Servicio C3S de Copernicus. Además, se ha hecho uso de datos de proyecciones climáticas, en concreto de varios modelos que reproducen razonablemente bien la distribución de extremos observados en los últimos 70 años, por lo que hay una confianza relativa en que puedan reproducir los periodos de retorno en el clima futuro. Los resultados muestran que los periodos de retorno a la hora de alcanzar temperaturas de 40 °C en superficie estarían en el orden de magnitud de entre uno y diez años. En el clima pasado estos episodios se han repetido en promedio cada 10 años aunque hay evidencias de que en el siglo XX (y especialmente durante la pasada década) aumentan claramente su probabilidad de ocurrencia. Sin ir más lejos, entre el 11 y el 16 de agosto de este mismo año hemos vivido un episodio de ola de calor de seis días de duración a nivel nacional, evento considerado histórico por su intensidad y extensión, y que también afectó a la Comunidad Foral de Navarra, https://aemetblog.es/2021/08/18/la-ola-de-calor-del-puente-de-agosto21-y-los-records-de-temperaturas-en-espana/. De hecho, el día 14 de agosto de 2021 se considera ya el segundo más cálido de la historia reciente en España, prácticamente empatado con el 10 de agosto de 2012 (https://twitter.com/crballesteros/status/1426831264632479748). Por otro lado, en el presente estudio se encuentran tendencias claras en el aumento estival de temperaturas promedio en el nivel de 850 hPa sobre Pamplona, superiores a las registradas en superficie. En el contexto de una cada vez más frecuente e intensa superación de registros máximos, las estrategias de adaptación se tornan prioritarias ante el impacto del calor extremo.