Evolución temporal de la vegetación en el Sahel mediante el NDVI y su relación con la precipitación en el periodo 1983-2012

Abstract

The development and population prosperity in the transition zone between the Sahara desert in the north and the tropical humid savannah in the south, known as Sahel, depends to a great extent on the rainfall regime. The climate is defined by a long and dry season and a short season with rains between the months of June and September. Rainfalls are determined by a strong north to south gradient with small and variable precipitation in the north, which translates into continuous change of vegetation species and life forms that range from sparse thorny shrubs in between grass in the north to a greater amount of vegetal cover and ligneous species in the south. The vegetation growth shows a considerable inter-annual fluctuation that generates a generalized concern in the predominantly rural population, since their way of life is mainly based on dry land agriculture and pasturing. The severe droughts that happened during the 1970¿s, which were extended until the middle of the following decade, have been widely studied because of their serious consequences on the population, and because it is considered as one of the first signs of global climatic changes. Sahel is the region that has shown greater precipitation and vegetation variations in the last three to four decades. Technological advances in remote sensing have allowed constant monitoring of ecosystems, mainly because of the availability of improved spatial, time and spectral data. The present thesis investigates the time and spatial vegetation patterns and the precipitation variability in Sahel through interrelations based on the analysis of temporary series from the normalized vegetation difference index (NDVI) for the period 1983-2012 and rainfall satellite estimations. Whereas the precipitation emerges as a dominant cause from the increase of the vegetation, there is evidence of other anthropogenic factors overlapping the climatologic trend. Measuring rainfall in the semi-arid regions continues to be a pivoting point because of great spatial and weather variability. On top of this, note that the number of available weather stations in Sahel is quite limited. Satellite data, along with meteorological stations measurements, are currently the best source of information with regards to spatial-temporary precipitation in Sahel. Three temporary series of precipitation have been analyzed to cover the period between 1983 and 2012: GPCC, ARC2 and TAMSAT. These series have been compared with more recent ones to provide better quality estimations: RFE2, TRMM 3B42 and GPCP-1dd. The result shows a good correlation between series GPCC, ARC2, RFE2 and TRMM 3B42. The analysis of 30 years of precipitation data shows a recovering of the annual precipitation, although the trends in the annual temporary distribution have changed: nowadays it rains more but during less time. There are NDVI data available coming from the AVHRR sensor since 1981, as well as from its newer GIMMS3g version. Nevertheless, there are aspects in the design and processing of the sensor data that result in noise. There are data sets of the most recent NDVI coming from the sensors VEGETATION and MODIS installed in the SPOT and Terra satellites respectively, which are considered to be an improvement on the AVHRR GIMMS3g data. These sensors provide the possibility of evaluating the accuracy of the tendency analysis of the series of time of the AVHRR GIMMS3g in the period of time in which data overlap, from 2001 to 2012. This evaluation shows that the AVHRR GIMMS3g data set is correct in temporary studies of the vegetation in areas that do not record rainfalls greater than 1,000 mm, whereas the temporary tendencies in more humid zones should be interpreted with reservations.

Al Sahel, la zona de transició entre el desert del Sàhara al nord i la sabana humida tropical al sud, el desenvolupament i la prosperitat de la població depenen en gran mesura del règim de pluges. El clima es caracteritza per una estació seca i llarga i una temporada curta de pluges entre els mesos de juny i setembre. La precipitació està determinada per un fort gradient de nord a sud amb pluges escasses i variables al nord, cosa que es tradueix en una gran diversitat d'espècies de vegetació i formes de vida: des d'arbustos espinosos de cobertura molt escassa intercalats entre pastures al nord a més quantitat de cobertura vegetal i espècies llenyoses al sud. El creixement de la vegetació mostra fluctuacions interanuals considerables, la qual cosa suscita una preocupació generalitzada en la població -predominantment rural-, ja que el seu modus vivendi es basa principalment en l'agricultura de secà i el pasturatge. Les greus sequeres que van tenir lloc durant la dècada de 1970 i que es van allargar fins a mitja dècada de 1980, han estat àmpliament estudiades no només per les greus conseqüències sobre la població, sinó perquè es consideren un dels primers signes de canvi climàtic global. El Sahel és la regió on s'han evidenciat les grans variacions de precipitació i vegetació al llarg de les últimes tres o quatre dècades. Els avenços tecnològics en el camp de la teledetecció han permès la vigilància dels ecosistemes gràcies a la disponibilitat de dades amb resolucions espacials, temporals i espectrals cada vegada més acurades. En aquesta tesi s'investiguen els patrons temporals i espacials de la vegetació i la variabilitat de les precipitacions al Sahel a partir de les interrelacions basades en l'anàlisi de sèries temporals de l'índex de vegetació normalitzat (NDVI) en el període 1983-2012 i de les estimacions de precipitació procedents de satèl·lit. Mentre que la precipitació emergeix com una causa dominant de l'augment de la vegetació, hi ha evidències d'altres factors de caràcter antropogènic superposats a la tendència del clima. Mesurar la precipitació en les regions semiàrides continua sent una feina crítica a causa de la seva gran variabilitat espacial i temporal; d'altra banda, cal afegir que al Sahel el nombre d'estacions meteorològiques disponibles és molt escàs. Les dades de satèl·lit, en combinació amb els mesuraments de les estacions meteorològiques, són actualment el millor mitjà per adquirir informació espaciotemporal de la precipitació a la regió. S'han analitzat tres sèries temporals de precipitació que cobreixen el període comprès entre 1983 i 2012: GPCC, ARC2, TAMSAT. Aquestes sèries s'han comparat amb altres de més recents i que proporcionen estimacions de més qualitat: RFE2, TRMM 3B42 i GPCP-1dd. El resultat mostra una bona correspondència entre les sèries GPCC, ARC2, RFE2 i TRMM 3B42. L'anàlisi de 30 anys de precipitació mostra que la precipitació anual s'ha recuperat, tot i que la tendència en la distribució temporal anual ha canviat: ara plou més però durant menys temps. Des de 1981 es disposa de dades del NDVI procedents del sensor AVHRR en la seva versió GIMMS3g. No obstant això, hi ha aspectes en el disseny i processament de les dades del sensor que hi introdueixen soroll. Hi ha conjunts de dades del NDVI més recents procedents dels sensors VEGETATION i MODIS -embarcats en els satèl·lits SPOT i Terra, respectivament- que es consideren una versió millorada respecte de les dades AVHRR GIMMS3g. A més, aquests productes ofereixen la possibilitat d'avaluar l'exactitud en l'anàlisi de la tendència de les sèries temporals de l'AVHRR GIMMS3g en el període de temps en què les dades se solapen, de 2001 a 2012, i a partir d'això s'observa que el conjunt de dades AVHRR GIMMS3g és adequat en estudis temporals de la vegetació en àrees que no reben més de 1.000 mm de precipitació, mentre que la interpretació de les tendències temporals en les zones més humides s'ha de fer amb certes reserves.

En el Sahel, la zona de transición entre el desierto del Sahara en el norte y la sabana húmeda tropical en el sur, el desarrollo y la prosperidad de la población depende en gran medida del régimen de lluvias. El clima se caracteriza por una estación seca y larga y una corta temporada de lluvias entre los meses de junio y septiembre. La lluvia está determinada por un fuerte gradiente de norte a sur con una precipitación escasa y variable en el norte, que se traduce en un continuo cambio de especies de vegetación y formas de vida que van desde arbustos espinosos de cobertura muy escasa intercalados entre pastos en el norte a una mayor cantidad de cobertura vegetal y especies leñosas en el sur. El crecimiento de la vegetación muestra fluctuaciones interanuales considerables que generan una preocupación generalizada en la población, predominantemente rural, ya que su modo de vida se basa principalmente en la agricultura de secano y el pastoreo. Las graves sequías ocurridas durante la década de 1970, que se alargaron hasta mediados de la década siguiente, han sido ampliamente estudiadas tanto por sus graves consecuencias sobre la población, como porque se considera uno de los primeros signos de cambio climático global. El Sahel es la región donde se han evidenciado las mayores variaciones de precipitación y vegetación en las últimas tres o cuatro décadas. Los avances tecnológicos en el campo de la teledetección han permitido la vigilancia de los ecosistemas gracias a la disponibilidad de datos con resoluciones espaciales, temporales y espectrales cada vez mejores. En esta tesis se investigan los patrones temporales y espaciales de la vegetación y la variabilidad de las precipitaciones en el Sahel a través de las interrelaciones basadas en el análisis de series temporales del índice de vegetación normalizado (NDVI) en el periodo 1983-2012 y las estimaciones de precipitación procedentes de satélite. Mientras que la precipitación emerge como una causa dominante del aumento de la vegetación, hay evidencias de otros factores de carácter antropogénico superpuestos a la tendencia del clima. Medir la precipitación en las regiones semiáridas sigue siendo un punto crítico por la gran variabilidad espacial y temporal de la misma, a esto hay que añadir que el número de estaciones meteorológicas disponibles es muy escaso en el Sahel. Los datos de satélite, en combinación con las mediciones de las estaciones meteorológicas, son actualmente el mejor medio de adquisición de información espacio-temporal de la precipitación en el Sahel. Se han analizado tres series temporales de precipitación que cubren el periodo comprendido entre 1983 y 2012: GPCC, ARC2, TAMSAT. Estas series se han comparado con otras más recientes y que proporcionan estimaciones de mejor calidad: RFE2, TRMM 3B42 y GPCP-1dd. El resultado muestra una buena correspondencia entre las series GPCC, ARC2, RFE2 y TRMM 3B42. El análisis de 30 años de precipitación muestra que la precipitación anual se ha recuperado, aunque la tendencia en la distribución temporal anual ha cambiado: ahora llueve más pero durante menos tiempo. Desde 1981 se dispone de datos del NDVI procedentes del sensor AVHRR y en su versión GIMMS3g. Sin embargo, hay aspectos en el diseño y procesado de los datos del sensor que introducen ruido en los datos. Existen conjuntos de datos del NDVI más recientes procedentes de los sensores VEGETATION y MODIS embarcados en los satélites SPOT y Terra, respectivamente, que se consideran una mejora sobre los datos AVHRR GIMMS3g, y estos productos ofrecen la posibilidad de evaluar la exactitud en el análisis de la tendencia de las series de tiempo del AVHRR GIMMS3g en el periodo de tiempo en el que los datos se solapan, de 2001 a 2012, a partir de lo cual se observa que el conjunto de datos AVHRR GIMMS3g es adecuado en estudios temporales de la vegetación en áreas que no reciben más de 1.000 mm de precipitación, mientras que en la interpretación de las tendencias temporales en las zonas más húmedas debe de hacerse con ciertas reservas.