Incorporación de los efectos de erupciones volcánicas en modelos estocásticos de precipitación en cuencas hidrográficas. Caso del volcán Tungurahua en la microcuenca del río Ambato

Abstract

[EN] Summary Water is a determining factor in all aspects of human life and the balance and integrity of the natural environment. Water is a vital natural resource and it is imperative to deepen research that allow us to understand what factors could affect its availability on the planet. In particular, we considered through this thesis, identify the direct relationship between the effects of a volcanic eruption process and behavior of rainfall in a watershed and, from these data, construct a stochastic time series methodology precipitation to incorporate the variable effects of the volcanic eruption. Historical references and specialized studies raise preliminary findings on the effects of large volcanic eruptions and even global impacts at regional level as a result of the expulsion of large ash plumes on the atmosphere that achieve change not only the temperature but also cause variations in the precipitation patterns. Locally, however, there are few studies that suggest the relationship between these two natural phenomena. Cordillera of the Andes has a great influence of Ecuador's climate and geographic diversity, as well as the the availability of the water resources. Within the Andes, several volcanoes that exist and have constant activity, has been affecting people lives health and causing significant effects on the environment and weather conditions of the territory. As a specific case, Tungurahua volcano restarted its volcanic activity in 1993 after 80 years of rest. This natural phenomenon marks a milestone in the field of volcanology and geology in Ecuador for the information and discoveries achieved that have been used for evacuation alerts of the citizens living near the regions. The continuous process of eruption of Tungurahua volcano reflects a good case-scenario for this research to assess the relationship between precipitation and the effects of volcanic activity levels. The constant activity allowed the ability to monitor Tungurahua over more than fifteen years, and also to provide enough data to perform statistical analysis of both rainfall series and sulfur dioxide SO2 concentration levels series. This research consists of six chapters describing the two natural phenomena, precipitation and volcanic eruption. A method is proposed to assess a relationship between variable volcanic eruption stochastic models from a precipitation time series.

[ES] Resumen El agua es un factor determinante en todos los aspectos de la vida del ser humano y en el equilibrio e integridad del entorno natural. El agua es un recurso natural vital y resulta imperativo profundizar en investigaciones que nos permitan comprender qué factores pueden afectar su disponibilidad en el planeta. Particularmente, nos planteamos a través de la presente tesis doctoral, identificar la relación directa entre los efectos del proceso eruptivo de un volcán y el comportamiento de las precipitaciones en una cuenca hidrográfica y, a partir de estos datos, construir una metodología estocástica de series temporales de precipitación que incorpore la variable de efectos de la erupción volcánica. Referencias históricas y estudios especializados plantean conclusiones preliminares sobre los efectos de grandes erupciones volcánicas a nivel global e incluso impactos a nivel regional como resultado de la expulsión de extensas plumas de ceniza sobre la atmósfera que logran modificar no solo su temperatura sino que provocan variaciones en los patrones de precipitación. A nivel local, sin embargo, existen pocos estudios que plantean la relación entre estos dos fenómenos naturales. En el Ecuador, su diversidad climática, geográfica y disponibilidad de recursos hídricos recibe una influencia directa de la Cordillera de los Andes que constituye un factor determinante en su topografía y el clima en las tres regiones. En la cordillera coexisten varios volcanes que han presentado actividad eventual o continua afectando no solo la vida de la población, sino provocando efectos importantes para el entorno y para las condiciones meteorológicas del territorio. En el caso concreto del volcán Tungurahua, su actividad se reinicia en 1993, luego de 80 años de reposo. Este fenómeno natural marca un hito histórico en el campo de la vulcanología y la geología ecuatoriana, por la información y resultados técnicos alcanzados y que son utilizados para precautelar vidas humanas a través de las respectivas alertas de evacuación. El proceso continuo de erupción del Tungurahua se convierte en el escenario ideal para la aplicación de una investigación sobre la relación entre precipitación y efectos de actividad volcánica, pues permite contar con abundantes registros de monitoreo generados a lo largo de más de quince años de actividad permanente, lo que proporciona validez al análisis estadístico, tanto de las series pluviométricas como las series de concentración de SO2. La presente investigación se desarrolla en seis capítulos que describen los dos fenómenos naturales y plantea una metodología para identificar una relación a través de un modelo estocástico de series de precipitación que incorpore la variable del efecto de erupción volcánica.

[CA] Resum L'aigua és un factor determinant en tots els aspectes de la vida del ser humà i en l'equilibri i integritat de l'entorn natural. L'aigua és un recurs natural vital i resulta imperatiu aprofundir en investigacions que ens permeten comprendre quins factors poden afectar la seua disponibilitat en el planeta. Particularment, ens plantegem a través de la present tesi doctoral, identificar la relació directa entre els efectes del procés eruptiu d'un volcà i el comportament de les precipitacions en una conca hidrogràfica i, a partir d'estes dades, construir una metodologia estocástica de sèries temporals de precipitació que incorpore la variable d'efectes de l'erupció volcánica. Referències històriques i estudis especialitzats plantegen conclusions preliminars sobre els efectes de grans erupcions volcàniques a nivell global i inclús impactes a nivell regional com resultat de l'expulsió d'extenses plomes de cendra sobre l'atmosfera que aconseguixen modificar no sols la seua temperatura sinó que provoquen variacions en els patrons de precipitació. A nivell local, no obstant això, hi ha pocs estudis que plantegen la relació entre estos dos fenòmens naturals. En l'Equador, la seua diversitat climàtica, geogràfica i disponibilitat de recursos hídrics rep una influència directa de la Serralada dels Andes que constituïx un factor determinant en la seua topografia i el clima en les tres regions. En la serralada coexistixen uns quants volcans que han presentat activitat eventual o contínua afectant no sols la vida de la població, sinó provocant efectes importants per a l'entorn i per a les condicions meteorològiques del territori. En el cas concret del volcà Tungurahua, la seua activitat es reinicia en 1993, després de 80 anys de repòs. Este fenomen natural marca una fita històrica en el camp de la vulcanologia i la geologia equatoriana, per la informació i resultats tècnics aconseguits i que són utilitzats per a precaucionar vides humanes a través de les respectives alertes d'evacuació. El procés continu d'erupció del Tungurahua es convertix en l'escenari ideal per a l'aplicació d'una investigació sobre la relació entre precipitació i efectes d'activitat volcànica, perquè permet comptar amb abundants registres de monitoreo generats al llarg de més de quinze anys d'activitat permanent, la qual cosa proporciona validesa a l'anàlisi estadística, tant de les sèries pluviomètriques com les sèries de concentració de SO2. La present investigació es desenrotlla en sis capítols que descriuen els dos fenòmens naturals i planteja una metodologia per a identificar una relació a través d'un model estocástico de sèries de precipitació que incorpore la variable de l'efecte d'erupció volcànica.