Influencia de la meteorología en las concentraciones polínicas en la atmósfera de Cartagena. Aplicación de modelos estadísticos predictivos

Abstract

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Se ha llevado a cabo un estudio sobre las concentraciones polínicas en la atmósfera de la ciudad de Cartagena (España), situada en la costa mediterránea, en el sureste de la Península Ibérica, en la Comunidad Autónoma de la Región de Murcia. Aunque se han estudiado, y clasificado, 62 categorías polínicas en la base de datos aerobiológica para el periodo 1993-2016 (24 años), el estudio se ha centrado en el análisis de la floración de Olea por tratase del tipo polínico con mayor prevalencia en las sensibilizaciones cutáneas, ser la principal causa de alergias en la Región de Murcia y superar su índice polínico anual los 500 granos/m3. Las muestras aerobiológicas han sido procesadas de acuerdo con la metodología propuesta por Hirst y desarrollada por la Red Española de Aerobiología. La base de datos aerobiológicos obtenida se ha completado con los datos meteorológicos suministrados por AEMET (Agencia Estatal de Meteorología). A partir de las bases de datos, se han definido las características del periodo principal de polinización (MPS, Main Pollen Season), el comportamiento de las variables meteorológicas y los valores umbrales para el tipo polínico Olea en la ciudad de Cartagena. En concreto, se ha descrito la evolución de los índices polínicos Olea_MPS y Olea_peak a lo largo de los 24 años analizados, así como de las variables meteorológicas. La serie de concentración del polen de Olea se utilizó para caracterizar el MPS. De la caracterización del MPS de Olea se apreció un aumento en la duración del MPS y la cantidad de granos de polen de Olea, tanto en el MPS como en el día pico. En consecuencia, se han ajustado las categorías de exposición polínica local para mejorar las medidas preventivas. Se ha desarrollado un modelo predictivo al objeto de evaluar por adelantado la intensidad de la floración y la caracterización del MPS, siendo uno de los objetivos realizar predicciones para obtener una estimación de los dos índices de polen considerados para la próxima temporada de polen, con al menos un mes de anticipación. Serían también necesarias estimaciones adicionales durante el MPS para mejorar la precisión. Las estimaciones de polen de Olea en el MPS y en el día pico se han obtenido utilizando Métodos de Regresión y factores climáticos. El análisis revela que el método Bagging for Regression Trees (BRT) es una buena alternativa predictiva ya que además establece la importancia de cada variable meteorológica. Se han estudiado las concentraciones de polen de Olea en relación con la tipología de masas de aire, fuentes de grano de polen y naturaleza marina de las masas de aire durante las advecciones en el enclave costero de Cartagena. Habida cuenta que España es el primer productor mundial de aceituna y el cultivo del olivo se extiende por toda la cuenca mediterránea, la ubicación es idónea para el estudio de eventos de transporte de larga distancia (LDT). Las masas de aire se han clasificado utilizando el cálculo de retrotrayectorias de 48 h a 250, 500 y 750 m sobre el nivel del suelo utilizando el modelo HYSPLIT. Una vez clasificadas se ha encontrado que la frecuencia de eventos LDT desde África y Europa era del 8,7 % de los días del MPS. En contraste, se han encontrado masas de aire regionales en el 38,6 % de los días del MPS. En consonancia, se han detectado concentraciones de polen significativamente más altas (p-valor < 0,05) en los días con masas de aire regionales que en días con masas de aire de procedencia europea. En cuanto a las zonas de origen, se ha confirmado la importancia de regiones cercanas con intenso olivar, como es el caso de Andalucía. La revisión conjunta de las tipologías de masas de aire, las áreas de origen y las concentraciones de polen han permitido contextualizar las fechas del día pico de la concentración de granos de Olea y la detección de LDT asociado con estas fechas. Las distorsiones de las retrotrayectorias típicas han explicado alteraciones de las concentraciones en días consecutivos. La recirculación y los bucles de las retrotrayectorias de la masa de aire han modificado la carga de polen que cada tipo de masa de aire podía contener originalmente. El estudio se ha llevado a cabo mediante la aplicación del Modelo Lineal Análisis de la Varianza de un Factor (ANOVA I) a partir de la base de datos aerobiológicos que cubre el periodo 1993-2014, completándose con datos meteorológicos e incorporando la información obtenida sobre el origen de las masas de aire y las fuentes de polen de Olea. Finalmente, se ha investigado si entre 2010 y 2019 los terremotos pudieran haber tenido impacto en las concentraciones de polen en aire ambiente monitorizadas por la Red Aerobiológica de la Región de Murcia (REAREMUR). Para ello, se han estudiado las concentraciones de polen atmosférico en relación con la ocurrencia de terremotos de magnitud de momento hasta Mw= 5,1 e intensidad hasta el grado VII en la Escala Macrosísmica Europea (EMS). Se han estudiado las concentraciones de polen de Olea y polen total durante el MPS de Olea en las tres ciudades de la REAREMUR: Cartagena, Lorca y Murcia, detectándose terremotos en 100 de los 4457 días del MPS de Olea en las tres ciudades, siendo 12 de los 1535 días del MPS de Olea en Cartagena, 49 de los 1481 días del MPS de Olea en Lorca y 39 de los 1441 días del MPS de Olea en Murcia. El terremoto de máxima intensidad, grado VII en la EMS, sentido en Lorca el 11 de mayo de 2011, no provocó un impacto inmediato en las concentraciones de polen de la ciudad, posiblemente debido a la simultaneidad con una intrusión de polvo africano. Sin embargo, en Lorca se observó que las concentraciones de Olea fueron estadísticamente más altas en los días en que tuvo lugar un terremoto que en los días en que no se sintió ningún terremoto (p-valor < 0,05). Aunque se han constatado mayores concentraciones de polen asociadas a una mayor intensidad sísmica, las limitaciones de la serie temporal y la relativa escasez de eventos sísmicos obligan a tomar estos hallazgos con cautela, por lo que se deben ratificar recopilando más datos que permitan ampliar la serie temporal y estudiando otros lugares con actividad sísmica. Los análisis estadísticos de las concentraciones de polen y de las variables meteorológicas y sismológicas llevados a cabo ha permitido subrayar la preponderancia de la fenología sobre los movimientos sísmicos en cuanto a las concentraciones de polen en el aire. Además, la presencia de intrusiones de polvo africano se asoció claramente con concentraciones de polen más bajas tanto para Olea como para todos los tipos de polen en el MPS de Olea en las tres ciudades de la REAREMUR.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. A study has been carried out on pollen concentrations in the atmosphere of the city of Cartagena (Spain), located on the south-eastern Mediterranean coast of the Iberian Peninsula, in the Region of Murcia. Although 62 pollen types have been studied and classified in the aerobiological database for the period 1993-2016 (24 years), this study focuses on the flowering of Olea. This pollen type has the highest prevalence of skin sensitisations and is the main cause of allergies in the Region of Murcia, where its annual pollen index exceeds 500 grains/m3. The aerobiological samples have been processed following Hirst’s methodology and developed by the Spanish Network of Aerobiology. The aerobiological database has been complemented with meteorological data provided by AEMET (Spanish Meteorological Agency). The characteristics of the Main Pollen Season (MPS), the behaviour of the meteorological variables and the threshold values for the Olea pollen type in the city of Cartagena have been defined from the databases. The evolution of the Olea_MPS and Olea_peak indices have been described over the 24 years analysed, together with the meteorological variables. The Olea pollen concentration series has been used to characterise the MPS. From the characterisation of the Olea MPS, a longer MPS and an increased amount of Olea pollen grains have been observed both in the MPS and on the peak day. Accordingly, the categories Olea pollen exposure have been adjusted to improve preventive measures. A predictive model has been developed to evaluate the intensity of flowering and the characterisation of the MPS in advance. One of the objectives has been to estimate the two pollen indices for the next pollen season at least one month in advance. Additional estimates are also needed during the MPS to improve accuracy. Estimates of Olea pollen in its MPS and on its peak day have been obtained using regression methods and climate factors. The analysis reveals that the Bagging for Regression Trees (BRT) method is a good predictive alternative since it also establishes the importance of each meteorological variable. Olea Pollen concentrations have been studied in relation to the typology of air masses, pollen grain sources and the marine nature of air masses during advections in the coastal enclave of Cartagena. Given that Spain is the world’s leading olive producer and olive cultivation extends throughout the Mediterranean basin, this location is ideal for studying long-distance transport events (LDT). Air masses have been classified using the back trajectory calculation for 48 h at 250, 500 and 750 m above ground level using the HYSPLIT model. Once classified, the frequency of LDT events from Africa and Europe was 8.7 % of the MPS. In contrast, regional air masses have been found in 38.6 % of the MPS. Accordingly, significantly higher pollen concentrations (p-value < 0.05) have been detected on days with regional air masses than on days with air masses originating in Europe. The importance of air masses coming from nearby regions with dense olive groves, such as Andalusia, has been confirmed. The joint review of air masses, source areas and pollen concentrations has allowed the peak day dates of Olea grain concentration and the LDT associated with these dates to be contextualised. The distortions caused by back trajectories have explained alterations in the pollen concentrations on consecutive days. Recirculation and air mass back trajectory loops have modified the pollen load that each type of air mass originally contained. The study was carried out by applying a Linear Model Analysis of the Variance of one Factor (ANOVA I) to the aerobiological database covering the period 1993-2014. Meteorological data were added and information on the origin of air masses and Olea pollen sources was incorporated. Finally, the study has investigated whether earthquakes occurring between 2010 and 2019 had an impact on the pollen concentrations in ambient air monitored by the Aerobiological Network of the Region of Murcia (REAREMUR). To this end, atmospheric pollen concentrations have been studied coinciding with earthquakes of magnitudes up to Mw = 5.1 and intensities up to grade VII on the European Macroseismic Scale (EMS). Olea pollen concentrations and the total pollen recorded during the Olea_MPS have been studied in the three cities of REAREMUR: Cartagena, Lorca and Murcia. Earthquakes were detected on 100 of the 4,457 days of the Olea_MPS in the three cities: 12 of the 1,535 days in Cartagena, 49 of the 1,481 days in Lorca and 39 of the 1,441 days in Murcia. The maximum-intensity earthquake (EMS grade VII) during the period under study was in Lorca, on May 11th 2011. It did not cause an immediate impact on pollen concentrations in the city, possibly because an African dust outbreak also occurred on this day. However, Olea concentrations were statistically higher on days when an earthquake occurred than on days when no earthquake was felt in Lorca (p-value < 0.05). Although higher pollen concentrations associated with increased seismic intensity have been found, the limitations of the time series and the relative scarcity of seismic events force us to take these findings with caution. Therefore, they should be ratified by collecting more data to extend the time series and by studying other sites with seismic activity. Statistical analyses of pollen concentrations and meteorological and seismic variables have highlighted the preponderance of phenology over seismic movement in air pollen concentrations. In addition, African dust outbreaks have clearly been associated with lower pollen concentrations of Olea and all the pollen types in the Olea_MPS in the three cities of REAREMUR.