Modelo Bioclimático - app.sni.gob.ecapp.sni.gob.ec/sni-link/sni/PDOT/NIVEL NACIONAL/MAE/ECOSISTEMAS... · directamente en el régimen de las precipitaciones en la época lluviosa;

Modelo Bioclimático

Modelo BioclimáticoModelo Bioclimático

Modelo Bioclimático

CRÉDITOSSra.Mgs. Lorena Tapia NuñezMinistra del Ambiente

Preparado por:Ximena HerreraPablo MeloRaúl Galeas

Colaboradores:Andrea BustosCesar Cisneros

Diseño y Diagramación:Andrés Baroja

Fotos:Archivo MAE (páginas: 5, 23, portada, contraportada)

Fotos complementarias:Finding Species (páginas: 4, 27, 29)

Quito 2013

Modelo BioclimáticoModelo Bioclimático

1. ANTECEDENTE…………………...................………………………………………………………….7 2. INTRODUCCIÓN………….................………………………………………………………….………....8

3. BASE CONCEPTUAL……………….............……………………………......……….................…93.1 Fenología General - Elementos conceptuales…....……………………....……………….…93.2 Métodos de cálculo fenológico a través de información climática……….............….103.2.1 Evapotranspiración real y potencial……………..........................................……..….....….103.2.2 Cálculo de la Evapotranspiración……………..........................................……..….....….123.2.2.1 Método de Thornthwaite……..................……..........................................……..….....….133.2.2.2 Método de Blaney y Criddle……....................……....................................……..….....….143.2.2.3 Método para el cálculo de la ETR anual: fórmulas de Turc…….......……..….....….143.2.3 Índice de concentración de precipitación…………...…............................……..….....….143.2.4 Índice de estacionalidad de Walsh y Lawler…………...…........................……..….....….153.2.5 Fenología a través de índices bioclimáticos…………...…........................……..….....….153.3 Validación través de información de sensores remotos.....................……….............….17

4. METODOLOGIA………..….........…………............................................................................…184.1 Recopilación y revisión de información……………........…………………...........................19 4.2 Modelamiento de los datos............….........………..........……………………………………...194.2.1 Evapotranspiración Real……….................................…...…........................……..….....….194.2.2 Índice de Concentración de Precipitación………..............................……..….....….214.2.3 Índice de Estacionalidad de Walsh y Lewis………..............................……..….....….214.3 Validación de la fenología a partir de análisis de series de tiempo……........………...22

5. RESULTADOS………..….........…………..................................................................................…245.1 Construcción de las capas de fenología a partir de los índices preliminares.............245.1.1 Capa fenológica derivada del ICP y de ETR...................…........................……..….....….255.1.2 Capa fenológica derivada del Índice de estacionalidad de Walsh y Lawler..…..265.1.3 Capa fenológica derivada de los índices bioclimáticos..…......................................27

6. VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN…...…................................................………………………….317. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.........………….................……………........…........328. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS….…..............................................…............……..………….33

CO

NT

EN

IDO

Modelo de Fenología General 6

7 Modelo de Fenología General 7

1. Antecedentes

El Gobierno del Ecuador en su impulso por fortalecer las actividades relacionadas a una mejor planificación, acceso y uso de los recursos naturales ha impulsado una serie de políticas, programas y proyectos que el Ministerio del Ambiente del Ecuador (MAE), ha venido desarrollando. Entre los principales proyectos de inversión pública que el MAE ejecuta, se encuentra el desarrollo del Mapa de Vegetación y Uso de la Tierra del Ecuador Continental desde inicios del año 2010, cuyo objetivo está orientado a disponer de información espacial actualizada de los ecosistemas, su remanencia, su nivel de representatividad en el Sistema Nacional de Áreas Protegidas, además de proveer una identificación de áreas prioritarias para conservación y restauración.

Adicionalmente, este Proyecto contribuye a sentar las bases para la estructuración de un sistema de monitoreo ambiental a futuro que permita identificar trayectorias de cambio de las coberturas de la tierra y analizar el impacto de las políticas nacionales de ordenamiento del territorio sobre el capital natural. Se espera que la construcción del Mapa de Vegetación del Ecuador apoye a su vez procesos de documentación y reporte respecto del estado de la biodiversidad del Ecuador en el marco de los tratados y convenios internacionales de los cuales el país es miembro activo.

Desde inicios del 2010, en el marco del proyecto, se desarrolló la propuesta metodológica para la construcción del mapa de ecosistemas la cual incorpora un modelo de representación cartográfica de los ecosistemas. En ese modelo se identifican una serie de variables diagnósticas que permitan mapear e inferir la ocurrencia de los ecosistemas. Entre las variables diagnósticas priorizadas se incluye el desarrollo de información relacionada con la Fenología General que se presenta a nivel del Ecuador continental.

Desde esa perspectiva la construcción de un modelo que se aproxime a la simulación de las características fenológicas de la vegetación resulta sumamente importante, en un territorio donde su biodiversidad está estrechamente ligada en gran parte a la variación climática y a su biogeografía. Por tal motivo el presente trabajo constituye un esfuerzo por continuar el trabajo realizado dentro del proyecto en lo que se refiere al modelo bioclimático tomando en cuenta todo las variables generadas que de manera muy significativa inciden directamente en la caracterización de la fenología en el Ecuador.

En este esfuerzo se contó con el apoyo de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), en la utilización de herramientas de software libre para el procesamiento de imágenes.


La caracterización del clima en el Ecuador es sumamente compleja (Pourrout et al 1995), donde la interacción de su posicionamiento , la influencia de la cordillera de los Andes y su cercanía al Océano Pacífico determinan un conjunto de variables que afectan las condiciones climáticas generales del país.

Se identifican tres grandes regiones naturales en el Ecuador Continental: Región Litoral, Andes, y Amazónica, las cuales tienen características muy particulares y que se estructuran a partir de la existencia de la Cordillera de los Andes. De alguna manera este accidente geográfico marca la pauta de una primera aproximación a la distribución de las lluvias y de la temperatura en el Ecuador.

Al encontrarse el Ecuador en la zona ecuatorial, es afectado por sistemas atmosféricos de Baja Presión como la Zona de Convergencia Intertropical, los disturbios de la cuenca Occidental de la Amazonía y la denominada Vaguada del Perú, elementos que influyen directamente en el régimen de las precipitaciones en la época lluviosa; así también, influyen los sistemas regionales de Alta Presión Atmosférica como el Alta del Pacífico Sur, la dorsal del Alta del Caribe y la incidencia del Alta troposférica de Bolivia para el período seco. Por esta razón, el régimen pluviométrico y térmico de las regiones naturales del Ecuador se caracterizan por la ocurrencia temporal de estos sistemas atmosféricos (INAMHI, 2011).

A estos sistemas atmosféricos debemos sumar la influencia en la temperatura ambiental de las corrientes marinas de la fría y seca Humboldt y de la cálida y húmeda del Niño que afectan principalmente en la Región Litoral, lo que ha ocasionado que junto a la influencia de los procesos atmosféricos regionales, la vegetación en esta región presente una alta variabilidad en la duración de su follaje a lo largo del año. El conocimiento y la comprensión de los patrones fenológicos de distintas especies en los ecosistemas naturales son de interés básico en estudios ecológicos sobre biodiversidad, productividad y organización de las comunidades y de las interacciones de las plantas con la fauna; además, reviste gran importancia en programas de conservación de recursos genéticos, manejo forestal y planificación de áreas silvestres (Mooney et al. 1980, Huxley 1983).

En ese contexto, la temperatura, la precipitación total anual, y la variación mensual o estacional de ambas variables, son factores que definen en un grado elevado la distribución de los ecosistemas y por lo tanto de manera directa la influencia sobre los patrones fenológicos. Dentro de la perspectiva del proyecto, la utilización de un modelo que permita realizar una caracterización fenológica a partir del uso de información hidrometeorológica consistente, así como a partir del uso de sensores remotos (i.e NDVI), resulta de gran ayuda al poder establecer la estacionalidad de los periodos de crecimiento, foliación y demás parámetros que inciden principalmente en la actividad fotosintética de las plantas.

2. Introducción


La Fenología se define generalmente como el calendario de eventos cíclicos biológicos y sus causas con respecto a algún fenómeno ambiental (Justice et al. 1985, Lloyd 1990), de este modo la Fenolo-gía estudia las reacciones de la vegeta-ción, respecto de la variación climática estacional que se presentan en su entor-no.

Las variaciones estacionales incluyen cambios en la duración de los días y en la disponibilidad de luz solar, de igual ma-nera en las precipitaciones, temperatura y otros factores determinantes del desa-rrollo de la vida. La estacionalidad, por lo general corresponde al período entre el avance y retroceso del verde; este pro-ceso puede ser utilizado para examinar patrones de vegetación regional y glo-bal, tendencias año a año, y la respuesta vegetal frente a los cambios climáticos (Vásquez Beatriz, 2011).

Existe una amplia gama de estudios fe-nológicos realizados por varios autores, de los cuales se pueden distinguir dos lí-neas de tendencia (Braaulio Vilchez et al. 2007); la primera trata a la fenología como un conjunto de eventos biológicos periódicos relacionados con patrones ex-ternos a la vegetación, es decir con las variaciones estacionales de las variables

3. Base Conceptual

3.1 Fenología General - Elementos conceptuales

climáticas (Heuveldop et al. 1986). En cambio, la segunda define a la fenología como la temporalidad de la floración y fructificación derivada de la fisiología de cada especie, en un ciclo anual indepen-dientemente de estacionalidad climática (Terborg 1992).

Independientemente de la tendencia de estudio, las investigaciones fenológicas se centran principalmente en los eventos periódicos del ciclo de vida de las plan-tas, como son floración, fructificación, brotación y senescencia o caída del fo-llaje (Gómez Restrepo 2010, Tiedemann 2011).

Dentro de los eventos periódicos, las hojas representan una unidad de observación muy útil para el análisis del crecimiento de la vegetación, ya que se identifican con facilidad y a veces se pueden contar en un muestreo en campo. En los sistemas de clasificación tanto de ecosistemas como de cobertura de tierra, el conocer la feno-logía foliar ayuda a discriminar diferentes tipos de bosque; es así que en el Sistema de Clasificación de Cobertura de la Tierra (LCCS) desarrollado por la FAO en 1998 uno de sus clasificadores es la fenología de la hoja, que determina el comporta-miento general de las plantas leñosas du-rante el año (DiGregori y Jansen 1998);


3.2 Métodos de cálculo fenológico a través de información climática

La vegetación leñosa se clasifica por la Fenología de la hoja en:

Siempreverde: referida a los tipos de ve-getación en regiones de los trópicos con estaciones secas (períodos de baja o nula precipitación) que duran menos de un mes al año y que mantienen el follaje a lo largo del año;

Siempreverde estacional: aludida a los tipos de vegetación que aunque se mantienen con hojas verdes todo el año, una parte de ellas caen principalmente en época seca, pero son reemplazadas por otras nuevas en breve plazo o casi in-mediatamente, no afectando sustancial-mente al aspecto siempreverde del bos-que (Josse et al. 2009); en estas áreas la vegetación siempreverde es dominante y menos del 25% es decidua.

Semideciduo: en los trópicos estas for-maciones se localizan en zonas donde los períodos secos tienen una duración de entre uno a seis meses al año (Prentice 1990);

generalmente entre el 75 y el 25 % de los individuos de las especies arbóreas o ar-bustivas pierden sus hojas.

Deciduo: referido a zonas donde los pe-ríodos secos tienen una duración entre seis a ocho meses y el 75 % de los indivi-duos de las especies arbóreas o arbusti-vas pierden sus hojas (Prentice 1990)

La primera línea básica de investigación fenológica, trata a la fenología como un conjunto de eventos biológicos periódi-cos relacionados a las variaciones esta-cionales de la precipitación y la tempe-ratura.

Las especies del trópico generalmente deben soportar cambios abruptos en la precipitación y humedad, mientras las va-riaciones en la temperatura son mínimas a lo largo del año (Jackson 1978, Ayoade 1983); por lo que muchos árboles pierden eventualmente las hojas para minimizar los efectos de las diferentes fuentes de es-trés, tales como períodos prolongados de sequía (Gómez Restrepo 2010).

Siguiendo este enfoque, las primeras aproximaciones al modelamiento de la fenología solo por variables climáticas, son aquellas derivas de la evapotranspi-ración, el índice concentrado de preci-pitación, el índice de estacionalidad de Walsh y Lawler y los índices bioclimáticos de Rivas Martínez.

3.2.1 Evapotranspiración real y potencial

Se conoce como evapotranspiración (ET) al conjunto de dos procesos indepen-dientes entre sí, por los que el agua se


pierde a través de la superficie del suelo por evaporación y por la transpiración de la vegetación.

Como Evaporación se entiende al fenó-meno físico en el que el estado líquido del agua se convierte en vapor, de hecho se produce evaporación en el sentido estric-to a partir de:

• La superficie del suelo y el conjunto de vegetación después de un proceso de precipitación.

• La superficie de cuerpos de agua (ríos lagos y embalses)

• De agua infiltrada, que subyace en el subsuelo y que partir de varios proce-sos retorna a la superficie.

La Transpiración, por su parte se constitu-ye en el fenómeno biológico por el que las plantas pierden agua que es ema-nada hacia la atmosfera. Estas toman el agua del suelo a través de sus sistema ra-dicular, la cual una parte la usan para su desarrollo y sus procesos vitales y el resto lo transpiran.

De hecho, al ser la evapotranspiración un proceso en el cual resulta complicado cuantificarlo por separado, y en el cual en la mayoría de los casos se necesita el valor global de agua que se pierde hacia la atmosfera, se introduce el término uni-ficado de evapotranspiración. Términos similares a Evapotranspiración (ET) suelen ser el Déficit de escorrentía, el cual se de-

nomina a la diferencia entre Precipitación y Escorrentía Total, lo cual nos dice que la precipitación que se presenta en un mo-mento dado no genera escorrentía. Desde ese punto de vista, el déficit de es-correntía solo puede ser debido a ET por lo tanto en ese sentido serian conceptos similares. Por otro lado un sinónimo de ET sería el de Uso Consuntivo. En las ciencias agronómicas se hace una cuantificación global lo evapotranspirado, y el agua que las plantas necesitan y mantienen para su desarrollo, la cual es de manera proporcionalmente reducida. Por tanto cuantitativamente la ET resulta un término similar o próximo al uso consuntivo.

La ETR es el límite superior de la cantidad de agua que vuelve a la atmósfera, de manera que para estimarla debe de to-marse en cuenta la cantidad de agua que efectivamente existe para eva-potranspirarse. Aunque la evapotrans-piración real es considerada como un elemento de gran importancia, en la ac-tualidad no existe una metodología para evaluarla a escala de cuenca, por lo que se estima a partir de diferentes modelos empíricos. La dificultad de la modelación de la evapotranspiración real radica en poder representar los complejos procesos y factores que la determinen de una ma-nera simple (Pereyra et al., 2008).

En 1948 Thornwaite denominó Evapo-transpiración Potencial (ETP) al grado de


humedad que se produciría siempre y cuando el suelo y la cobertura vegetal se mantuvieran en condiciones óptimas, es decir corresponderían a condiciones ideales; por otro lado, la Evapotranspi-ración Real (ETR) corresponde a la hu-medad transferida a la atmosfera en las condiciones existentes en cada caso.

Desde esta perspectiva, resulta evidente que ETR va a resultar menor que la ETP, o en su defecto igual. Por ejemplo en lu-gares donde se evidencie estrés hídrico la ETP puede ser de 6 mm/día y la ETR puede resultar de 0, ya que no hay agua dispo-nible para evapotranspirar. Serán iguales siempre y cuando que la humedad del suelo sea óptima y que exista un buen de-sarrollo vegetal. En condiciones naturales sucede en lugares donde existen perio-dos suficientes de precipitaciones.

De hecho resulta preciso indicar que exis-ten ciertos factores que inciden en el proceso de evapotranspiración, cuya re-lación está estrechamente ligada al po-der evaporante de la atmósfera, la cual se define por los siguientes parámetros:

• Radiación Solar• Temperatura: mantiene una estrecha

relación con la radiación solar pero resulta mucho más sencilla de medir.

• Humedad: cabe indicar que a menor humedad más evaporación

• Presión atmosférica• Viento: a más viento, mayor evaporación.

3.2.2 Cálculo de la Evapotranspiración

Para estimar la evapotranspiración at-mosférica de forma precisa resulta nece-sario medirla de manera instrumental ya sea mediante lisímetros u otro instrumen-to; pero debido a la disponibilidad de maquinaria y datos meteorológicos a ni-vel de país, es necesario calcular la eva-potranspiración real en función de otras variables meteorológicas.

En el campo de los estudios hidrológicos, se han desarrollado numerosas investiga-ciones y acercamientos experimentales que nos permiten de alguna manera in-ferir los valores de ETP. De hecho es fac-tible incluso realizar el cálculo a niveles mensuales de ETP y de manera conjunta con valores de precipitación se puede es-tablecer un balance hídrico, mensual del agua en el suelo. De los cuales se obtiene la ETR (déficit hídrico = ETP – ETR) y los ex-cedentes (escorrentía) mensual.

A continuación se cita algunos de los mé-todos para el cálculo de evapotranspira-ción:

Tabla 1. Métodos para el cálculo de evapotranspiración


El método de evapotranspiración de Penman si bien es uno de los más precisos (FAO 2006), requiere variables climáticas que no pudieron ser recopiladas para el modelamiento biocli-mático por lo que no se lo tomo en cuenta.

3.2.2.1 Método de Thornthwaite

Los cálculos de Thornthwaite (1948) están ba-sados en la determinación de la evapotrans-piración en función de la temperatura media, con una corrección en función de la duración astronómica del día y el número de días del mes. El método es muy empleado en Hidro-logía y en la estimación del balance hídrico para Climatología e Hidrología de cuencas, también es empleado en los índices y clasifi-caciones climáticas.

Thornwaite comprobó que la evapotranspira-ción era proporcional a la temperatura media afectada de un coeficiente exponencial a, y propone la fórmula:

El valor de “L” se puede obtener de la tabla valor L del método de Thornthwaite “Coefi-cientes para la corrección de la ETP debida a la duración media de la luz solar”.

Para calcular la ETP de un mes determinado es preciso corregir la ETP sin ajustar “e” me-diante un coeficiente que tenga en cuenta el número de días del mes y horas de luz de cada día, en función de la latitud. Para lo cual se introduce el índice de iluminación mensual en unidades de 12 horas, que deberá multipli-car a la ETP sin ajustar para obtener la ETP se-gún Thornthwaite (mm/mes).

Para valores de temperatura media mensual superiores a 26,5 °C, la ETP sin ajustar se obtiene directamente de la tabla (“Valores de la ETP diaria sin corregir para temperaturas superio-res a los 26,5 °C”) solo hay que considerar que para obtener el valor mensual hay que multi-plicar por el número de días del mes.

I = Σ ij ; j = 1, .W.., 12

Que se calcula a partir del índice de calor mensual, i, como suma de los doce índices de calor mensuales: ij = (tmj/5)* 1,514

a : parámetro que se calcula, en función de I según la expresión:

a = 0,000000675*I3 - 0,0000771*I2 + 0,01792*I + 0,49239


3.2.2.2 Método de Blaney y Criddle

El fundamento de su expresión, es que fue experimentada en zonas áridas y semiári-das, además considera que el consumo de agua de un cultivo, bajo el supuesto de no faltar agua en el suelo, es función de la temperatura, la iluminación y la cu-bierta vegetal. El introducir un factor de consumo K permite la estimación de los consumos de agua para diferentes culti-vos. La fórmula es:

Li = Ni*NdiNdi : número de días del mesNi : duración astronómica del día–h-)I : número de horas del añoI=ΣIi, i= I, ...,XII

El cociente Ii/I puede ser sustituido por el valor “pi”, parámetro que está tabulado en la tabla “Porcentajes mensuales de horas de luz con relación al año para dis-tintas latitudes pi”, dividir por 100 la expre-sión:

3.2.2.3 Método para el cálculo de la ETR anual: fórmulas de Turc

Se trata de fórmulas establecidas empí-ricamente comparando las precipitacio-nes y la escorrentía total de numerosas cuencas.

Fórmula de TURC:

La limitación de ésta fórmula es que para P < 0.31L, daría una ETR mayor a la preci-pitación.

3.2.3 Índice de concentración de precipi-tación

El índice de concentración de las precipi-taciones se obtiene a partir de precipita-ciones mensuales y anuales:


Los valores obtenidos se distribuyen entre un rango mínimo de 8,3 (para situaciones de igual precipitación mensual) y 100 (caso extre-mo de concentración de la lluvia en un único mes), independientemente del volumen de precipitación. Según el propio creador del ín-dice (Oliver, 1980) su principal inconveniente radica en el hecho de que no establece el mes y/o estación de máximas precipitacio-nes; es decir, el período en el que se concen-tran las precipitaciones.

3.2.4 Índice de estacionalidad de Walsh y Lawler

La estacionalidad de lluvia puede ser definida como la distribución irregular de las lluvias du-rante un año, este tipo de distribución significa que la mayor parte de la precipitación se pro-duce en meses específicos; este fenómeno es bastante común en la región Litoral, donde la mayor parte de las precipitaciones se produ-ce en los primeros meses del año. Normalmen-te esta estacionalidad viene acompañada con una distribución irregular de la cantidad de lluvia en cada suceso. La mayor parte de la cantidad de precipitación se contabiliza en unas pocas tormentas violentas.

El Índice de estacionalidad de Walsh y Lawler relaciona las desviaciones estándar acumu-ladas de cada mes frente al valor esperado, dicho valor es el cociente entre el valor anual acumulado por el número de meses del año, y se calcula con la siguiente fórmula:

Los valores más altos del índice indican que el total de precipitación en el año se produce en uno o dos meses, pero valores cercanos cero indican que hay poca o ninguna varia-ción estacional de las precipitaciones.

3.2.5 Fenología a través de índices biocli-máticos

Rivas Martínez en su Sistema de Clasificación Bioclimática de la Tierra (2004) describe algu-nos de los intentos por sistematizar la clasifica-ción de los tipos de bosque siguiendo criterios morfológicos, sucesionales, florísticos, ecológi-cos, fitosociológicos, etc.

En las sistematizaciones ecológicas se hace re-ferencia al conjunto de factores ambientales que determinan el hábitat de los bosques, así el factor Fisonómico-bioclimático en función del aspecto, la estacionalidad y los bioclimas, reconoce en la Tierra formaciones vegetales en etapa clímax y biomas.

A continuación se muestra la corresponden-cia entre los bioclimas, índices ombrotérmicos y la estructura de las etapas maduras de las series de vegetación climatófilas en el Macro-bioclima Tropical en los termotipos infratropical y termotropical, propuesto por Rivas Martínez.


Por lo tanto, la relación entre fenología y bioclima es de dos vías, que permite establecer patrones del primero en función del segundo y viceversa. Esta relación bidireccional implica que la feno-logía puede actuar tanto como un factor diagnóstico que sirva para identificar la distribución de ecosistemas que como un descriptor de las dinámicas de productividad de distintos ecosistemas.

Figura 1. Ejemplo de relación bioclimas - vegetación. Fuente: Rivas-Martínez, 2004


El patrón de variación estacional de la vegetación y sus cambios en la superficie de la tierra pueden ser observadas de a través de sensores remotos (Friedl, M. et al. 2006). Con el uso de análisis de series de tiempo es posible determinar un sin nú-mero de parámetros fenológicos relacio-navdos con el estadio de crecimiento de la vegetación (Lupo, F. et al. 2007).

En los últimos años, la aparición de imá-genes satelitales multiespectrales de re-solución temporal diaria ha facilitado el estudio de los eventos periódicos o fe-nofases del ciclo de vida de las plantas. Las imágenes MODIS actualmente jue-gan un papel importante en el desarro-llo de sistemas de tierras, monitoreo de la deforestación, predicción en el cambio global entre otros, convirtiéndose en un gran aporte para asistir a políticas de pro-tección ambiental. Estas imágenes cubre la superficie de la tierra cada dos días, su ancho de barrido es de 2300 km. tiene 36 bandas espectrales con resoluciones de 250m, 500m y 100m. Además es posible descargarse desde Centro de Archivo Activo de Distribución de los Procesos de la Tierra (LP DAAC de la NASA) productos ya elaborados de índices de vegetación con una resolución espacial de 250m y re-solución temporal de 16 días (MOD13Q1).

La alta resolución temporal del sensor MODIS permite la generación de series de tiempo debido a la posibilidad de ob-servar diariamente cualquier parte de la Tierra (Jean-François Mas 2011). Una se-rie de tiempo es una secuencia observa-ciones o valores medidos en un período tiempo, donde los datos están ordenados

3.3 Validación través de información de sensores remotos

cronológicamente y normalmente están espaciados entre sí de manera uniforme (Figura 2).

Los índices de vegetación (IV) están di-señados para proveer una comparación permanente y consistente de los cambios temporales y espaciales de la vegetación al responder a la cantidad de radiación fotosintéticamente activa en determina-do píxel, al contenido de clorofila, área foliar y a las características estructurales de las plantas. El sistema de imágenes MODIS contiene dos tipos de índices de vegetación: NDVI (normalized differen-ce vegetation index) sensible a la cloro-fila y el EVI (enhanced vegetation index) enfocado a las variaciones estructurales de las plantas, como su fisonomía, tipo o área foliar.

La información que se obtiene (compati-ble con los diferentes software GIS) resulta un set de imágenes separadas de cada banda de NDVI, EVI, MIR reflectance, EVI Quality y NDVI Quality. Estas últimas con-

Figura 2. Series de tiempo de usando la información del NDVI.


El objetivo principal de esta sección es presentar los procesos que se ejecutaron para desarrollar en modelo de fenología general del Ecuador continental y los métodos esta-dísticos necesarios para generar las capas de información.

El esquema metodológico de trabajo se puede observar en la siguiente figura:

Figura 3. Proceso metodológico del Modelo de Fenología General del Ecuador Continental

tienen información adicional sobre nubo-sidad, calidad de aerosol, datos atmosfé-ricos entre otros.

El uso combinado de EVI con otros índices es aplicado principalmente en la mode-lación de cultivos, y la valoración y esti-mación de los efectos de la variabilidad del clima en las cosechas.

4. Metodología

19Modelo de Fenología General 19Modelo de Fenología General

4.1 Recopilación y revisión de información

4.2 Modelamiento de los datos

De la información recopilada y/o gestio-nada en el modelamiento bioclimático del Ecuador continental se generaron:

• Capas de información de precipita-ción anual y mensual de los 12 meses del año, en formato raster con una re-solución de 500 m aproximadamente.

• Capas de información de tempera-tura media anual y mensual de los 12 meses del año, en formato raster con una resolución de 500 m aproximada-mente.

• Capas de índices ombrotérmicos, anual y de los dos meses más secos del año, en formato raster con una re-solución de 500 m aproximadamente.

• Capas de índice de termicidad y de bioclima, en formato raster con una resolución de 500 m aproximadamen-te.

• Además se descargaron de forma # Imágenes MODIS del producto MO-D13Q1 con información de índices de vegetación, y calidad de la toma de la imagen.

• Se utilizaron también los registros pun-tuales de las salidas de campo de calibración y validación del Proyecto Mapa de Vegetación, para el análisis de las series de tiempo en el programa Timesat versión 2.3 desarrollado por Jönsson, P. and Eklundh, L., en el 2004.

4.2.1 Evapotranspiración Real

Con el fin de construir la capa de Evapo-transpiración se utilizó como insumo prin-cipal las capas precipitación y tempera-tura media desarrolladas para el modelo bioclimático correspondientes a la serie 1970 – 2009.

Como punto de partida del análisis es-pacial, se utilizo la fórmula sintetizada de TURC, porque a diferencia de los otros métodos de evapotranspiración está solo necesita para su cálculo de información de temperatura media y de precipitación anual y mensual.

De esta manera mediante un trabajo exhaustivo de algebra de mapas en el software ArcGis versión 9.3 de ESRI, con la ayuda del sistema de Información geo-gráfica se logro consolidar un mapa de Evapotranspiración Real anual y mensual, mapas que se muestran a continuación:

Figura 4. Evapotranspiración anual según Turc


Figura 5. Evapotranspiración mensual del Ecuador Continental según Turc


4.2.2 Índice de Concentración de Pre-cipitación

El desarrollo de este índice se lo realizó a partir de la información de capas con-tinuas de información de precipitación mensual y anual. La base conceptual para el desarrollo de esta información se produce a partir de la Formula de Oliver, 1980, la cual detalla la estacionalidad de las precipitaciones y considera la concen-tración de las mismas en un periodo deter-minado.

Cabe mencionar que para obtener esta capa, se trabajo con la Base de datos de estaciones a nivel mensual y anual de pre-cipitación del modelo bioclimático para el ecuador continental, obteniendo para cada estación el valor del ICP. El índice se interpoló utilizando el método geoestadís-ticos de Cokriging siguiendo los paráme-tros establecidos para la capa rasterizada y se realizaron los cálculos a manera de un algebra de mapas en el software ArcGis versión 9.3 de ESRI.

Una vez obtenida la capa del índice de concentración de precipitación, se proce-dió a reclasificar la capa de acuerdo a los valores que se presentan a continuación:

En la siguiente ilustración se muestra la capa del Índice de Concentrado de Pre-cipitación como resultado de la reclasifi-cación realizada.

4.2.3 Índice de Estacionalidad de Walsh y Lewis

Este índice se elaboró a partir de la infor-mación de capas continuas de informa-ción de precipitación mensual y anual co-rrespondientes a la serie 1970 – 2009.

De esta manera con la ayuda de un sis-tema de información geográfica, se efec-tuó un proceso de algebra de mapas en el software ArcGis versión 9.3 de ESRI y se logro consolidar la capa del Índice de es-

Figura 6. Índice de Concentración de Precipitaciones para el Ecuador Continental según la clasificación de Oliver 1980

Tabla 2. ICP en el Ecuador Continental


En esta etapa se analizaron 135 imágenes MODIS desde 2001 a 2010 del producto MOD13Q, con los scripts desarrollados por la FAO para el tratamiento de imágenes y obtención de curvas de crecimiento de la vegetación. Las bandas que se analizaron de las imágenes MOD13Q fueron la ban-da 1 que contiene el NDVI, la banda 2 que representa el EVI y la banda 12 que contie-ne información de calidad en valores que van de -1 a 3, siendo 0 y 1 los valores que muestran mejor calidad de información.

El análisis preliminar de la calidad de la in-formación de las imágenes se realizó solo en las áreas de vegetación natural identifi-cadas por Mapa de Deforestación Históri-ca, esto expuso que no se cuenta con una distribución de píxeles que tengan una buena calidad, sobretodo en la región Li-toral que es la que mayor variación esta-cional presenta en nuestro país y en la que se dificulta la identificación de los ecosiste-mas, de manera que el análisis se centro en la región Litoral porque la Amazonía y Andes se definen como vegetación siem-preverde. En la Figura 8 se observa el área para realizar el análisis de series de tiempo.

tacionalidad, la que finalmente se reclasi-fico según los criterios que se muestran a continuación:

4.3 Validación de la fenología a partir de análisis de series de tiempo

Figura 7. Índice de estacionalidad para el Ecuador Continental según la clasificación Walsh y Lewis

Tabla 3. Índice de Estacionalidad de Walsh y Lewis


Figura 8. Calidad de la información en las Imágenes MODIS

En esta nueva zona se extrajeron los valo-res de los índices de vegetación y de cali-dad usando los scripts de la FAO y los pun-tos de muestreo florístico y de validación bioclimática, y se graficó las curvas de cre-cimiento a través de software Timesat 2.3


Se identifico la variabilidad temporal de la precipitación a nivel nacional con el fin de establecer los periodos de estrés hídrico de manera general y realizar así una apro-ximación al comportamiento fenológico de las comunidades vegetales.

Así tenemos que en el oriente se presenta un régimen de lluvias homogéneo. Entre las variables meteorológicas más influyen-tes están, la temperatura media del aire que oscila alrededor de los 24 °C con ex-tremas entre 15 y 32 °C como término me-dio anual, un promedio de precipitación anual que bordea los 3500 mm con extre-mas que van desde los 2300 mm (Baeza) hasta más allá de los 6000 mm (Reventa-dor), condiciones que generan un am-biente con alto contenido de humedad en toda la región y consecuentemente un alto contenido de agua en los suelos (Moya & Carvajal, 2007). Bajo estas condi-ciones se determina que la cantidad de precipitación durante el año es mayor al valor de la evapotranspiración real, por tanto, se le asigna la categoría de hume-dad absoluta y un régimen fenológico de siempre verde.

En el caso de la costa ecuatoriana, esta posee características especificas que se ven influenciada directamente por los vientos oceánicos y ocasionalmente por corrientes provenientes del oriente, la dis-tribución temporal de las lluvias se presen-tan durante el periodo diciembre – mayo,

5. Resultados

5.1 Construcción de las capas de fenología a partir de los índices preliminares

en términos generales dando como resul-tado un patrón de comportamiento de las precipitaciones de forma unimodal, pero dependiendo de otros factores como cer-canía al mar, topografía entre otros, este periodo se acorta con seguridad y excep-cionalmente se alarga.(Moya & Carvajal, 2007)

En esta región se registran promedios anuales de temperatura del aire que os-cilan entre los 22 y 25 °C con valores extre-mos que comprenden un rango entre los 18 ° y 36 °C, así mismo las precipitaciones ocupan un rango muy amplio que com-prende entre los 200 y 3380 mm anuales en Puerto López y La Concordia respecti-vamente, si se toma en cuenta zonas de baja pluviosidad ubicadas cerca al mar y otras de mayor valor como las que se en-cuentran en el interior de la región.

Es por ello que áreas circundantes a las localidades de Montecristi, Puerto López y Salinas prácticamente son zonas de es-trés hídrico importante, mientras otro gru-po que se encuentran en este proceso y que se ubican un poco más hacia el inte-rior como Jama, Portoviejo, Jipijapa, Pla-yas entre otras son muy vulnerables a esta adversidad climática y ocasionalmente se presentan como zonas secas.

De acuerdo a la investigación realizada por Moya y Carvajal en 2007, se observa que mientras más se acerca al sur de la re-


gión el número de meses secos es mayor, mientras hacia el norte estos se reducen; así por ejemplo en la provincia de Esmeral-das no registra un panorama agresivo ya que el periodo mayor considerado como secos se sitúa alrededor de la ciudad del mismo nombre, el resto de su territorio no presenta riesgo alguno.

En la provincia de Manabí, la nueva pro-vincia de Santa Elena y Guayas esta si-tuación se acentúa ya que va de menos a más en ese orden, observándose áreas como Manta, Montecristi, Puerto López, Salina, General Villamil entre otros, donde el periodo seco comprende todo el año, lo que quiere decir que ni siquiera durante los meses de mayor precipitación los apor-tes por las lluvias son suficientes para cubrir las pérdidas y demandas hídricas ocasio-nadas por la evapotranspiración.

Según los estudios realizados por el INAMHI y de acuerdo a los modelamientos efec-tuados, los resultados alcanzados indican que, aquellos lugares con mayor influencia del mar, presentan mayor periodo de se-quía, es decir el número de meses secos se incrementa y su variación latitudinal es evi-dente (mayor incremento a nivel local del proceso de aridez del suelo y disminución progresiva de la cantidad de lluvias).

Existen excepciones que se ven asociadas a ramales de las cordilleras costeras que presentan un efecto de barrera de estas condiciones climáticas y que presentan particularidades climáticas. Su incremente

abrupto de altura frente las costas, per-mite que la bruma proveniente del mar, cargada con humedad se concentre en estos macizos y produzca una suerte de microclimas que obviamente tienen un impacto sobre la proliferación de cierto tipo de comunidades vegetales. En ese sentido la estacionalidad si bien es cierto está presente, se ve menos marcada que en las zonas costeras bajas, y la disponibili-dad de agua y nutrientes caracterizan de forma marcada estos paisajes de las cordi-lleras costeras.

Por todos estos razonamientos, se efectua-ron reclasificaciones de cada una de las capas de índices preliminares en función de criterios de asignación de clases feno-lógicas establecidas a priori por la experti-cia del equipo técnico y por fuentes de in-formación existentes de las características de los ecosistemas, con lo que se obtuvo como resultado un conjunto de capas fenológicas preliminares, cuyos valores y distribución serán evaluados a través de varios métodos.

5.1.1 Capa fenológica derivada del ICP y de ETR

A partir de los datos de estacionalidad del ICP y de los datos obtenidos de ETR se realizo un análisis espacial de algebra de mapas que sintetizo en un mapa (Figura 9) la relación entre el ICP y el ETR de manera que se determinara a su vez una aproxi-mación al comportamiento de la fenolo-gía a nivela nacional.


Figura 9. Capa de Fenología a partir del ICP/ETR

Figura 10. Capa de Fenología a partir del IE de Walsh y Lawler

Figura 9. Capa de Fenología a partir del ICP/ETR

En esta figura se observa una distribución distinta a la de Iod2, en la cual los valores se saturan en lo que corresponde a la Sie-rra, pero le da una relevancia mayor a la carcaterizacion fenológica predominante en la costa ecuatoriana, donde la franja correspondiente al siempreverde estacio-nal y a la gradación de los semideciduos hasta los deciduos respeta en gran forma lo que sucede en campo.

5.1.2 Capa fenológica derivada del Índice de estacionalidad de Walsh y Lawler

Se reclasificó la capa de estacionalidad Walsh y Lawler (Tabla 3) en función de las

definiciones de las clases de fenología de la vegetación leñosa, de manera que se determine el comportamiento de la feno-logía a nivela nacional (Figura 10) de la forma más apegada a la realidad .


5.1.3 Capa fenológica derivada de los índices bioclimáticos

A partir del análisis espacial de las capas de bioclima, ombrotipo, termotipo y de los criterios de la relación vegetación-biocli-ma propuestos por Rivas Martínez, se ela-boró una capa de fenología (Tabla 5) en función de las definiciones de las clases de fenología de la vegetación leñosa, de manera que se determine el comporta-miento de la fenología a nivela nacional (Figura 11) de la forma más apegada a la realidad.


Tabla 5. Criterios de reclasificación la fenología derivada de los Índices bioclimáticos


Los datos de cada una de las capa de fenología preliminar corresponden a mo-delamientos que dependiendo de la me-todología y criterios con los que fueron obtenidas, subestiman o sobrestiman la fenología en ciertos sectores, por lo que se realizó un último ejercicio de caracteri-zación fenológica comparando todas las capas preliminares con los puntos de cam-po de florística muestrados y recopilados por el PMV, permitió decidir qué modelo se ajusta mejor a la realidad. El principal des-ajuste de las capas se observo en las cordi-lleras costaneras, esto se debe a que estas zonas están fuertemente influenciadas por la humedad marina que transporta el vien-to y se condensa en sus cimas.

Como resultado de este último análisis se decidió que la capa de fenología que más se acerca a lo observado en el paisa-je es la capa de fenología derivada de los índices bioclimáticos (Figura 11).


Figura 11. Capa final de Fenología a partir de los índices bioclimáticos


6. Validación y calibraciónDesde finales del año 2010 hasta la Diciem-bre de 2012, se ha venido realizado una calibración los primeros ejercicios de mo-delamiento y una validación de las capas finales por parte del equipo de trabajo del proyecto; se han tomado como referen-cia los puntos de las salidas de calibración realizadas en este período, para tener unaidea preliminar de la consistencia y robus-tez del modelo en el sentido estricto de predicción de la caracterización climáti-ca, como una herramienta útil para la dis-criminación de los ecosistemas.

Todas las salidas efectuadas constan en una base de datos específica, en la cual se colecta información vinculada a una

colección de fotografías de la vegeta-ción natural remanente de los lugares ca-librados y validados (Figura 12). En total se tomaron 333 puntos de validación, 211 puntos en el año 2011 y 121 puntos en el año 2012, repartidos en todas las clases de fenología cartografiadas en este modelo fenológico.

En un segundo plano quedó la validación por sensores remotos, ya que el fin de esteestudio es la caracterización fenológica de la vegetación natural y en las zonas que todavía quedan remanentes de ella no se tiene información de calidad que permita analizar los datos de EVI o NDVI.

Figura 12. Registro fotográfico de la validación del Modelo de Fenología General del Ecuador


7. Conclusiones y Recomendaciones

ConclusionesEl modelo de Fenología General para el Ecuador Continental mediante el uso y larepresentación espacial de los índices bioclimáticos propuestos en el sistema de clasificación bioclimática de Rivas Martí-nez es el que mejor se ajusta en términos generales a las condiciones ambientales que determinan los tipos de vegetación en nuestro territorio, por lo que su uso fa-cilitó la discriminación y el mapeo de los ecosistemas.

En el marco amplio de colaboración con-junta con INAMHI, la obtención de los pa-rámetros de Precipitación y temperatura ha permitido realizar una aproximación delcálculo de ETR entre otras variables, que constituyen una medición instrumental ro-busta y una caracterización del comporta-miento climático general a nivel nacional.Es evidente que se necesitan reforzar y ampliar la distribución de estaciones me-teorológicas completas que cuenten con datos de parámetros hidrometerológicos adicionales como radiación solar, veloci-dad del viento, nubosidad, entre otras, lo cual permitiría afinar los productos que se han ejecutado durante el desarrollo del modelo.

Existe una necesidad creciente de infor-mación que sea susceptible de analizar demanera más amplia a través de Sistemas de información Geográfica, como son pa-rámetros hidrometerológicos en vinculo con productos de sensores remotos, lo queimplica que para el procesamiento de

dicha información sea necesario utilizar paquetes de análisis geoestadísticos po-tentes.Hablando en términos de comu-nidades vegetales, el análisis fenológico no ha sido un fuerte en los estudios a nivel nacional, los cuales se han centrado más hacia el lado de los cultivos, de aprender y monitorear la lógica de fenología de cier-tos cultivos, sin embargo se ha dejado de lado la dinámica de este parámetro para la vegetación de los ecosistemas presen-tes en el territorio nacional.

RecomendacionesPara mejorar el modelamiento fenológi-co de la vegetación natural en el futuro a nivel local para discriminar asociaciones o comunidades vegetales, es necesario además de incorporar nuevos datos me-teorológicos, el trabajar con series tempo-rales extraídas de índices de vegetación generados con sensores remotos de ma-yor resolución para identificar mejor las va-riaciones locales.

La información de fenología generada en este modelamiento es un promedio de casi cuarenta años de información, por lo que se recomienda su uso como informa-ción para caracterización general la feno-logía general de la cobertura natural en el país y no como información específica para cálculos de cosechas.


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Modelo Bioclimático - app.sni.gob.ecapp.sni.gob.ec/sni-link/sni/PDOT/NIVEL NACIONAL/MAE/ECOSISTEMAS... · directamente en el régimen de las precipitaciones en la época lluviosa;