Análisis de la variabilidad espaciotemporal de la composición isotópica de la precipitación en las regiones Caribe, Pacífico y Andina en Colombia usando aprendizaje automático
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Resumen
Los isótopos estables del agua se emplean como trazadores naturales para caracterizar procesos del ciclo hidrológico, en particular, la composición isotópica de la precipitación (δ¹⁸O y δ²H) permite analizar el origen y transporte de la humedad, la mezcla de fuentes y la evolución de la lluvia. En Colombia no existen productos isotópicos mensuales que integren de forma conjunta la variabilidad espacial y temporal de la precipitación, lo que limita aplicaciones hidrológicas, hidrogeológicas y ambientales basadas en trazabilidad isotópica. El objetivo de esta tesis es analizar los patrones de variabilidad espaciotemporal de δ¹⁸O y δ²H en la precipitación de las regiones Caribe, Pacífico y Andina mediante modelación con aprendizaje automático. Para ello, se consolidó una base de datos regional de δ¹⁸O y δ²H en precipitación, integrando registros heterogéneos en conjuntos de entrenamiento, seguimiento y prueba. Con esta información, se entrenaron modelos tipo XGBoost con predictores climáticos, de superficie, topográficos, de localización y de teleconexión para estimar series mensuales de δ¹⁸O, δ²H y dxs en coordenadas puntuales (latitud y longitud) y, adicionalmente, generar mapas isotópicos (isoscapes) mensuales en una malla de 0,5° × 0,5° para el periodo 1971–2024. En cuanto al desempeño, en prueba (test) se obtuvieron RMSE de 2,3‰ para δ¹⁸O, 16,3‰ para δ²H y 3,9‰ para dxs, no obstante, en dxs se observó menor capacidad para reproducir valores extremos. Además, los isoscapes resultantes reproducen gradientes altitudinales y diferencias entre la vertiente Pacífica (asociada a mayores acumulados de precipitación), el Caribe (régimen monomodal) y las cuencas andinas controladas por la orografía, así como variaciones asociadas a fases El Niño/La Niña. Las líneas meteóricas locales derivadas de las series estimadas son coherentes con las observadas. En conjunto, las series y los mapas mensuales generados constituyen un insumo para estudios de recarga, balance hídrico y trazabilidad isotópica en regiones con monitoreo limitado y complementan, sin sustituir, la observación directa. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Stable water isotopes are used as natural tracers to characterize hydrological-cycle processes; in particular, the isotopic composition of precipitation (δ¹⁸O and δ²H) enables the analysis of moisture origin and transport, source mixing, and rainfall evolution. In Colombia, there are no monthly isotope products that jointly integrate the spatial and temporal variability of precipitation, which limits hydrological, hydrogeological, and environmental applications based on isotope tracing. This thesis aims to analyze spatiotemporal variability patterns of precipitation δ¹⁸O and δ²H across the Caribbean, Pacific, and Andean regions using machine-learning modeling. To this end, a regional database of precipitation δ¹⁸O and δ²H was consolidated by integrating heterogeneous records into training, monitoring, and test datasets. Using this information, XGBoost-based models were trained with climatic, surface, topographic, locational, and teleconnection predictors to estimate monthly time series of δ¹⁸O, δ²H, and d-excess (dxs) at point coordinates (latitude and longitude) and, additionally, to generate monthly isotopic maps (isoscapes) on a 0.5° × 0.5° grid for the 1971–2024 period. Regarding performance, RMSE values of 2.3‰ for δ¹⁸O, 16.3‰ for δ²H, and 3.9‰ for dxs were obtained on the test dataset; however, dxs showed reduced ability to reproduce extreme values. Furthermore, the resulting isoscapes reproduce altitudinal gradients and differences among the Pacific slope (associated with higher precipitation totals), the Caribbean region (monomodal regime), and Andean basins controlled by orography, as well as variations associated with El Niño/La Niña phases. Local meteoric water lines derived from the estimated series are consistent with those derived from observations. Overall, the generated monthly series and maps provide an input for recharge, water-balance, and isotope-tracing studies in regions with limited monitoring and complement, rather than replace, direct observations.
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Descripción
ilustraciones, diagramas, fotografías, mapas, tablas