Cambio climático e ingeniería. Implicaciones para el diseño de estructuras marítimas

Los últimos informes del Panel Intergubernamental de Cambio Climático de las Naciones Unidas indican que el calentamiento global, resultado de la actividad antropogénica, está generando un aumento en la frecuencia de eventos climáticos extremos con efectos adversos y daños alrededor del mundo. Ante este panorama es imperativo realizar una transición hacia energías limpias y reducir el consumo energético para mitigar la emisión de gases de efecto invernadero. Debemos implementar medidas de adaptación y mitigación para afrontar eventos extremos que ya vivimos, como sequías, incendios, olas de calor e inundaciones, entre otros peligros. Reconociendo el impacto de la humanidad sobre el medio ambiente, las respuestas van desde la ingeniería tradicional hacia las soluciones basadas en la naturaleza. Un ejemplo de ellas es la restauración de lagunas costeras, incluyendo la cobertura de manglar, que por un lado promueve la absorción de carbono y por otro protege a las comunidades humanas ante eventos extremos como las inundaciones costeras. Este tipo de estrategias ayuda a adaptarnos a un clima cambiante y a aumentar la resiliencia socioecosistémica. Aun así, en muchas ocasiones es necesario aplicar la ingeniería tradicional, como en el caso de las plataformas costa afuera o las estructuras de protección en instalaciones portuarias; en ambas es necesario contar con estructuras que resistan el embate de las fuerzas de la naturaleza, en particular las fuerzas del oleaje.

El oleaje extremo es uno de los parámetros principales en el diseño de estructuras marítimas, utilizado para determinar las cargas y fuerzas que estas deben resistir, así como el tipo de materiales y dimensiones que se deben utilizar. En el caso de los mares mexicanos, los ciclones tropicales determinan el oleaje extremo en la mayor parte del país. En este sentido, el calentamiento global representa un reto para el diseño de estructuras dado que se espera que en el futuro aumente la probabilidad de que se presenten eventos de mayor intensidad (Knutson et al., 2022) y, por lo tanto, de tener oleaje de mayores dimensiones que en la actualidad (Appendini et al., 2017). Dado que aún no existen soluciones basadas en la naturaleza para plataformas o rompeolas que generen zonas de calma y protejan a los recintos portuarios ante el embate del oleaje, se continuará empleando la ingeniería tradicional para su diseño.

La forma tradicional para determinar el oleaje de diseño utilizando eventos históricos no debe persistir ya que su uso no garantiza una correcta caracterización de los parámetros de diseño ante un clima cambiante. Por ello, en el Laboratorio de Ingeniería y Procesos Costeros de la Unidad Académica Sisal del Instituto de Ingeniería de la UNAM, realizamos estudios para evaluar cómo el cambio climático modificará la climatología de los ciclones tropicales y su oleaje asociado, para así proponer nuevas metodologías para determinar parámetros de diseño usando climas de oleaje no estacionarios. 

Una metodología de generación de ciclones sintéticos 
Para estudiar el efecto del cambio climático sobre los ciclones tropicales utilizamos una metodología basada en la generación numérica de ciclones tropicales sintéticos propuesta por Emanuel et al. (2008), cuyas ventajas y desventajas se presentan en Emanuel (2021). Esta metodología supera las limitaciones impuestas por el uso de los ciclones tropicales generados en los modelos de circulación general (MCG), usados habitualmente en los estudios de cambio climático, pero que subestiman tanto la frecuencia como la intensidad de los ciclones tropicales. Por otro lado, con esta metodología es posible generar un gran número de ciclones tropicales, lo que permite realizar estadísticas robustas. Los eventos sintéticos se derivan de la física de los ciclones tropicales a través de la siembra aleatoria de vórtices de baja intensidad, los cuales pueden disiparse o evolucionar para convertirse en ciclones tropicales, dependiendo de las condiciones oceánicas y atmosféricas derivadas de modelos de océano-atmósfera, como los de reanálisis y los MCG. En este estudio utilizamos eventos sintéticos derivados de reanálisis para el sur del Golfo de México y para el Pacífico mexicano; estos eventos se usan para contrastar la climatología derivada de eventos sintéticos al compararla con los eventos históricos. Para analizar los efectos del cambio climático utilizamos eventos sintéticos derivados de las condiciones de mesoescala obtenidas de seis MCG, considerando el clima actual (1975-2005) y el clima futuro (2070-2100) bajo distintos escenarios de emisiones de gases de invernadero.

Debido a que la técnica usada permite generar un gran número de eventos sintéticos, es posible tener ciclones tropicales en zonas donde no hay información histórica. Esta característica de los eventos sintéticos nos permite evaluar zonas con poca incidencia de eventos históricos y dar solidez a las estadísticas. Por ejemplo, si utilizamos información de eventos históricos para realizar los estudios de inundaciones en la refinería de Dos Bocas, Tabasco, encontramos que en un área circular con radio de cien kilómetros alrededor de la refinería solamente han pasado cinco tormentas (desde 1970 a la actualidad, ya que antes de la era satelital los datos no son fiables). Este bajo número de eventos impide realizar un análisis de valores extremos para determinar las condiciones de diseño, pero los eventos sintéticos sí lo permiten dado que podemos tener el número de eventos que nosotros predeterminemos, conteniendo incluso eventos con categorías de huracán que son físicamente posibles en el área, a pesar de tener una baja probabilidad. Así, con los eventos sintéticos podemos realizar estadísticas robustas para el diseño de nuestra refinería, así como considerar los efectos del cambio climático sobre los ciclones tropicales, lo cual sería imposible con eventos históricos.

Para evaluar el desempeño de los eventos sintéticos derivados de los MCG bajo el clima actual, utilizamos eventos sintéticos derivados de reanálisis y eventos históricos. De esta manera tenemos una base de datos validada para comparar los eventos sintéticos derivados de MCG bajo el clima actual con los eventos del clima futuro. De este modo podemos usar los eventos sintéticos para evaluar los ciclones tropicales que afectan los mares mexicanos, así como el efecto del cambio climático sobre ellos. En la figura 1 se muestra una regionalización de las zonas para las cuales evaluamos la incidencia de ciclones tropicales y el oleaje asociado, considerando que son zonas en las cuales existen instalaciones portuarias importantes de carga (Pacífico mexicano y Golfo de México) y/o turismo (Pacífico y Caribe), así como plataformas fuera de la costa (Golfo de México). En la figura 2 presentamos una evaluación de la probabilidad en forma de periodos de retorno para la velocidad del viento en las dos regiones del Pacífico mexicano, el Golfo de México y el Caribe. Los puntos en la figura representan los eventos históricos (negros) y las medias de los ensambles para los eventos derivados de reanálisis (verdes), y MGC en el clima actual (azules) y el clima futuro (rojos), con su incertidumbre representada por la envolvente del color correspondiente.

Figura 1. Áreas analizadas propensas a ciclones tropicales

A) Caribe mexicano, B) Golfo de México sur, C) Pacífico central sur, D) Pacífico central norte
Elaboración propia.

Figura 2. Periodo de retorno de la intensidad del viento de ciclones tropicales

a) Caribe mexicano, b) Golfo de México sur, c) Pacífico central sur, d) Pacífico central norte.
Elaboración propia.

Los resultados muestran que los eventos históricos están representados adecuadamente por los eventos sintéticos derivados de reanálisis, y quedan en la incertidumbre de los eventos derivados de MCG bajo el clima actual, validando el uso de eventos sintéticos. La excepción es en el área D (Pacífico mexicano central norte), donde la media de los eventos derivados de MCG en clima actual sobreestima lo mostrado por los eventos históricos y los reanálisis. Estas desviaciones entre los MCG y los reanálisis son comúnmente corregidas mediante métodos de corrección de sesgos. Ahora bien, en este caso podemos esperar que el mismo sesgo se presente para los eventos derivados de MCG para el clima futuro, y por lo tanto el cambio relativo no es afectado. Aun así, es recomendable hacer la corrección del sesgo cuando se realice un estudio para diseño.

Si consideramos la incertidumbre entre el clima actual y el futuro, no es posible asegurar de manera categórica que existirá un aumento en la probabilidad de eventos más intensos en el futuro, ya que las envolventes de incertidumbre se traslapan. No obstante, la media de los ensambles busca representar un escenario más probable, donde los sesgos entre modelos se compensan. Así, podemos decir que el clima futuro aumentará las probabilidades de que se presenten los eventos más intensos, ya que la media de los ensambles así lo indica. Es interesante hacer notar que en el área sur del Pacífico mexicano, el huracán Patricia de 2015, con su velocidad máxima de noventa y cinco metros por segundo (ver la figura 2c, punto negro resaltado en un círculo), representa un evento con un periodo mayor de mil años bajo el clima actual y aproximadamente de ciento veinticinco años en el clima futuro.

Utilizando las características de los eventos sintéticos procedimos a generar los campos de viento de cada uno, para posteriormente forzar un modelo de oleaje y obtener los campos de oleaje máximo correspondiente a cada evento. Con esta información podemos analizar las características del oleaje extremo en cada una de estas regiones y evaluar cómo serán modificados los parámetros de oleaje para el diseño de estructuras. La figura 3 muestra los periodos de retorno de oleaje para cada una de las regiones, donde las medias de los ensambles indican nuevamente un aumento en la probabilidad de los eventos más extremos bajo el escenario de cambio climático. En relación con el periodo de retorno de cien años comúnmente utilizado en diseño, se muestran incrementos en la altura de ola de aproximadamente 23 % en el Golfo de México y el Caribe, y de entre 14 y 18  % en el Pacífico mexicano norte y sur, respectivamente.

Figura 3. Periodo de retorno de la altura de ola (Hs) derivada de ciclones tropicales

a) Caribe mexicano, b) Golfo de México sur, c) Pacífico central sur, d) Pacífico central norte. En la figura 3b las flechas indican la altura de ola de 19.2 metros y su periodo de retorno correspondiente en el clima actual (azul) y clima futuro (rojo).
Elaboración propia.

Puede parecer que este aumento no es muy alto, pero hagamos la siguiente reflexión: si utilizamos el periodo de retorno de cien años en el área del Golfo de México para diseñar una estructura costa fuera, la ola de diseño será de 19.2 metros; sin embargo, conforme transitamos al clima futuro, esa misma altura de oleaje comienza a representar un periodo de retorno de catorce años (ver la figura 3b, altura de ola y periodo de retorno mostrado con flechas). Esto se traduce en un aumento en la probabilidad de que la ola de diseño se presente durante la vida útil de las estructuras y, por lo tanto, de que esa estructura sea dañada y tenga consecuencias graves sobre su funcionamiento. Como ejemplo, consideremos una estructura con vida útil de treinta años en el Golfo de México (figura 4), calculada con una ola de diseño con periodo de retorno de cien años. El periodo de retorno disminuye conforme se transita al clima futuro, aumentando la probabilidad de que el evento se presente de 26 % en el clima actual (2005) a 89 % en el clima futuro (2070). Este aumento en la probabilidad de que se presente el evento de diseño incrementa considerablemente las probabilidades de que la estructura resulte dañada o incluso destruida (fallo total).

Figura 4. Evolución de la probabilidad de ocurrencia del oleaje de diseño

La línea punteada negra representa la probabilidad de ocurrencia de oleaje de diseño para una estructura con vida útil de 30 años de acuerdo al cambio en el periodo de retorno (línea roja) conforme transitamos del clima actual al clima futuro. PR es el período de retorno y % OC es la probabilidad de ocurrencia.
Elaboración propia.

Con base en lo anterior podemos decir que el uso de eventos sintéticos ayuda a prepararnos para el futuro al permitir evaluar ciclones tropicales y sus peligros asociados bajo un clima cambiante. En este caso nos enfocamos en el oleaje centrado en el diseño de estructuras marítimas; ahora bien, es posible realizar estudios de vientos, mareas de tormenta y precipitación asociados a los ciclones tropicales. Además de poder aplicar estos trabajos al diseño de instalaciones por medio de la ingeniería tradicional, es posible incorporar los resultados para implementar diseños de soluciones basadas en la naturaleza, estudios de peligro y riesgo, hacer planes de manejo y elaborar estrategias de adaptación. Esperamos que con este trabajo se incentive la aplicación de esta metodología en otras áreas que permitan incrementar nuestra resiliencia ante los efectos del cambio climático.

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