PROCESAMIENTO PARA GEOREFERENCIAR INFORMACIÓN DE CAMBIO CLIMÁTICO
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XXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA
AMH AMH
ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012
PROCESAMIENTO PARA GEOREFERENCIAR INFORMACIÓN DE CAMBIO
CLIMÁTICO
Ruiz Morelos Ben-Hur
Patiño Gómez Carlos
Zazueta Acosta Iván
Reza García Norma Ivette
INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA
Paseo Cuauhnáhuac 8532 Col. Progreso, Jiutepec, Morelos, C.P. 62550
ben_morelos@tlaloc.imta.mx, carlos_patino@tlaloc.imta.mx
gia_sistemas@tlaloc.imta.mx, ivette_reza@tlaloc.imta.mx
Resumen Introducción
El cambio climático ha cobrado gran importancia durante las El cambio climático ha cobrado gran importancia durante las
últimas décadas, motivando la preocupación mundial para últimas décadas, motivando la preocupación mundial para
hacer frente a este fenómeno. Por ello, el Instituto Mexicano hacer frente a este fenómeno. De acuerdo con el Panel
de Tecnología del Agua (IMTA) ha contribuido al Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC, 2007),
conocimiento en el tema, mediante el desarrollo del Atlas de la variabilidad futura del clima afectará el ciclo hidrológico y
vulnerabilidad hídrica en México ante el cambio climático como consecuencia se verán comprometidos la disponibilidad,
(2010), que surge por la necesidad de evaluar el efecto del los usos y la gestión del agua. Los incrementos en la
cambio climático en México, particularmente en cinco temas temperatura propiciarán variaciones en los niveles de
relevantes. Uno de los principales resultados fue la generación precipitación, así como una modificación en su distribución
de una gran variedad de datos numéricos y espaciales en espacial y temporal, aunado a una mayor evaporación.
diversos formatos, mismos que tuvieron que ser procesados
para su georeferenciación e inclusión, parte de ellos, en el La disponibilidad del recurso hídrico dependerá en gran
Atlas Nacional de Vulnerabilidad de próxima publicación medida de las condiciones de las fuentes de abastecimiento, en
como parte de la Quinta Comunicación Nacional de México cuanto a calidad y cantidad, así como de la infraestructura
ante el Panel Intergubernamental de Cambio Climático de la hidráulica, que será sometida a eventos extremos más intensos
Organización de las Naciones Unidas. y frecuentes. Actualmente prevalecen zonas donde la
administración del recurso se ve superada ante la variación del
En la elaboración de los mapas contenidos en el Atlas de clima, presentándose severas inundaciones y sequías, las
vulnerabilidad desarrollado por el IMTA, se generaron datos cuales podrán incrementarse de no tomar en cuenta los efectos
geográficos tipo raster para esquematizar el comportamiento que traerá el cambio climático.
futuro de diferentes variables climatológicas, como son:
temperatura, precipitación, escurrimiento, entre otras. Los Por ello, el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua ha
resultados fueron plasmados en mapas temáticos, en formato contribuido al conocimiento en el tema, mediante el desarrollo
de imagen para su visualización y mejor entendimiento. Una del Atlas de vulnerabilidad hídrica en México ante el cambio
vez publicado el documento, se tuvo la necesidad de difundir climático (IMTA, 2010)1, que surge por la necesidad de
los resultados obtenidos como información georeferenciada, evaluar el efecto del cambio climático en México,
siendo necesario uniformizar la información espacial en un particularmente en cinco temas relevantes: en el aspecto
formato común de fácil lectura: shapefile, estándar de facto social, en la temporada de lluvias y ciclones tropicales, en la
para el intercambio de información geográfica. Las disponibilidad de agua superficial, en la agricultura y en la
plataformas comerciales como ArcGIS permiten el uso, calidad del agua. Los trabajos se desarrollaron con base en los
manejo y procesamiento de archivos raster, caso contrario al escenarios climáticos proyectados para el siglo XXI de
usar plataformas open source, las cuales poseen limitaciones precipitación y temperatura, con una mayor resolución que los
en el manejo de este tipo de archivos. planteados por el IPCC.
El presente trabajo describe los procesos de generación de la
Uno de los principales resultados fue la generación de una
información geográfica y las técnicas de adecuación de los
gran variedad de datos numéricos y espaciales en diversos
datos, para tener la información disponible en ambos formatos
formatos, mismos que tuvieron que ser procesados para su
y que ésta pueda ser utilizada en cualquier plataforma de
georeferenciación e inclusión, parte de ellos, en el Atlas
administración de información geográfica.
Nacional de Vulnerabilidad de próxima publicación, como
Palabras clave: Cambio climático, información geográfica, parte de la Quinta Comunicación Nacional de México ante el
raster, shapefile, vulnerabilidad hídrica. IPCC de la Organización de las Naciones Unidas.
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Como un primer paso para la adaptación de largo plazo, se Climático para México (SEDEPECC), el cual ponderó 23
requiere incorporar información sobre la vulnerabilidad de los MCG utilizando el método Reliability Ensemble Averaging
recursos ante la variabilidad climática en los procesos de (REA); los resultados obtenidos permitieron regionalizar los
administración del agua. En la medida que se disponga de datos de precipitación y temperatura de superficie bajo los
información relacionada con la identificación de las zonas más escenarios de cambio climático A1B y A2 hasta finales del
vulnerables, permitirá a los tomadores de decisiones evaluar siglo XXI en una malla regular de 0.5º x 0.5º, con una mayor
acciones prioritarias en cuanto a medidas de adaptación. La resolución que los planteados por el IPCC (1° - 2.5°).
necesidad de información abarca no sólo aspectos técnicos
sino también socio‐económicos. Los archivos que contenían los datos para generar los
escenarios climáticos se encontraban en formato Network
En la elaboración de los mapas contenidos en el Atlas de Common Data Format (NetCDF), y fueron procesados con
vulnerabilidad desarrollado por el IMTA, se generaron datos scripts en NCAR Command Language (NCL), lo que dificultó
geográficos tipo raster para esquematizar el comportamiento el proceso de generación de información geoespacial, debido a
futuro de diferentes variables climatológicas, como son: que este software fue diseñado específicamente para el
temperatura, precipitación, escurrimiento, entre otras. Los procesamiento y visualización de información científica y sólo
resultados fueron plasmados en mapas temáticos, en formato permite graficarla y exportarla como imagen. El formato
de imagen para su visualización y mejor entendimiento. Una NetCDF está conformado por un conjunto de librerías e
vez publicado el documento, se tuvo la necesidad de difundir interfaces disponibles para diversos lenguajes de
los resultados obtenidos como información georeferenciada, programación y un formato de archivo estándar orientado al
siendo necesario uniformizar la información espacial en un manejo de información científica multidimensional. Se utiliza
formato común de fácil lectura: shapefile, estándar de facto comúnmente para el almacenamiento e intercambio de datos
para el intercambio de información geográfica. Una vez climatológicos y meteorológicos por su eficiencia en el
organizada la información en formato shapefile, ésta puede ser manejo de conjuntos de datos muy grandes. Los datos en un
leída en plataformas de código abierto y ser desplegada para archivo NetCDF se estructuran típicamente desde una hasta
su consulta a través de un portal de internet. En las actividades cuatro dimensiones. Por ejemplo: la temperatura o
para la generación y adecuación de la información geoespacial precipitación de un área que varía con el tiempo se almacenan
se utilizó el software ArcGIS-ArcInfo. Las plataformas en un conjunto de tres dimensiones (tiempo, latitud y longitud)
comerciales como ArcGIS permiten el uso, manejo y correspondientes al valor de la variable.
procesamiento de archivos raster, caso contrario al usar
plataformas open source, las cuales poseen limitaciones en el
manejo de este tipo de archivos.
Es de interés nacional desarrollar métodos para procesar y
manejar la información climatológica en forma útil para los
tomadores de decisiones, con el propósito de conocer mejor la
vulnerabilidad ante los efectos causados por el cambio
climático, en especial, la de los eventos extremos (lluvias
intensas y sequías) y sus afectaciones en la disponibilidad del
recurso hídrico en cantidad y calidad.
Figura 1. Representación de un conjunto de datos en tres
El presente trabajo describe los procesos de generación de la dimensiones
información geográfica y las técnicas de adecuación de los
datos, para tener la información disponible en formato raster y Enseguida se describe el procesamiento de los archivos
shapefile y que ésta pueda ser utilizada en cualquier NetCDF para obtener información en formato raster, como
plataforma de administración de información geográfica. ejemplo se describe la generación del mapa 2.2 “Temperatura
Mínima Estacional 1961-1990” contenido en el Atlas de
Metodología vulnerabilidad.
La base de los estudios de vulnerabilidad fueron los escenarios
climáticos de precipitación y temperatura proyectados para el Obtención de archivos shapefile a partir de datos NetCDF
siglo XXI desarrollados por el IMTA (2010)2, se utilizó Una vez identificados los archivos NetCDF que contienen la
información de 23 Modelos de Circulación General (MCG), información histórica se procesaron con scripts NCL y se
los cuales son representaciones numéricas que simulan los seleccionaron las variables y periodos deseados, en este caso
principales procesos físicos que ocurren en la atmósfera y sus la temperatura mínima observada en el periodo de 1961 a
interacciones con los demás componentes del medio ambiente. 1990, para las estaciones de invierno (diciembre, enero y
Consisten en una valiosa herramienta para la investigación del febrero) y verano (junio, julio y agosto). Los datos analizados
clima, sus resultados se presentan mediante una resolución son los contenidos en la base datos internacional del Climate
espacial y temporal en una malla de puntos, que pronostican Research Unit (CRU) ampliamente utilizados por la
un valor de alguna variable atmosférica. comunidad científica. La selección anterior se guardó como un
nuevo archivo NetCDF para su posterior uso en la plataforma
El IMTA (2009) desarrolló el Sistema para la Exhibición de ArcGIS, debido a que es necesario un proceso previo de la
Datos del Ensamble Ponderado de Escenarios de Cambio variable para obtener una versión de dos dimensiones (latitud
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y longitud) que pueda ser representada en un mapa. El código
para llevar a cabo esta selección se muestra a continuación:
cpr = per1(0,:,:)
cpr@lat = lat
cpr@lon = lon
plot(0)= gsn_csm_contour_map(wks,cpr, res)
ncdf1 = addfile("tmn_inv.nc" ,"c") ; abrir archivo de salida
ncdf1->tmn = cpr ; guardar variable temperatura mínima en invierno
cpr = per1(6,:,:)
cpr@lat = lat
cpr@lon = lon
plot(1) = gsn_csm_contour_map(wks,cpr, res)
ncdf2 = addfile("tmn_ver.nc" ,"c") ; abrir archivo de salida
ncdf2->tmn = cpr ; guardar variable temperatura mínima en verano
El resultado fueron los nuevos archivos NetCDF
“tmn_inv.nc” y “tmn_ver.nc”, los cuales fueron el insumo
para la plataforma ArcGIS, al ingresarlos en la herramienta
Make NetCDF Raster Layer ubicada en la caja de
herramientas Multidimension Tools dentro del módulo de
ArcToolbox.
Figura 4. Asignación de simbología y generación del mapa,
(IMTA, 2010)2
Hasta este punto se cuenta con la información en formato
raster, por lo que se realizó un proceso de transformación a
shapefile para tener la información en ambos formatos y poder
ser utilizada por cualquier software manejador de datos
vectoriales. Para mostrar la metodología se utiliza el raster de
temperatura mínima “m2_2_tmn_inv” previamente generado,
el cual presenta valores máximos del orden de los 23°C y
Figura 2. Módulo de ArcToolbox dentro de ArcGIS®
mínimos de -11°C. La simbología publicada en el Atlas de
vulnerabilidad muestra varios rangos de temperatura
En la ventana de diálogo se seleccionó el archivo NetCDF diferenciados por colores, que van de -6 a 24°C.
“tmn_inv.nc” anterior y se seleccionaron las opciones
Variable, X Dimension y Y Dimension de acuerdo con la
El procedimiento común para hacer la conversión de raster a
información contenida en el archivo, dando como resultado un
shapefile no se pudo llevar a cabo de manera directa, debido a
raster de temperatura mínima.
que el raster no contaba con una tabla de atributos con los
valores de cada pixel, ya que era un raster tipo FGDBR
floating point de 32 bits (ESRI, 2012). Para crear la tabla de
atributos y definir los rangos de la variable, se hizo una
reclasificación del raster con la opción SpatialAnalystTools\
Reclass\ Reclassify dentro del módulo de ArcToolbox. Al
ingresar el raster se generaron rangos automáticamente debido
a que la capa de entrada ya contaba con una simbología
definida. Estos rangos se aprecian en la columna Old values y
los nuevos valores para cada rango se agregaron en la columna
New values, de tipo entero.
Figura 3. Generación de archivo raster a partir de datos NetCDF
Este nuevo raster fue generado como un evento, es decir, no es
un archivo definido aún, por lo que se exportó de manera
permanente a un directorio mediante Data Export Data del
menú contextual del archivo. Posteriormente se asignó la
rampa de colores para representar los rangos de la variable, y
el resultado final se ingresó a la plantilla definida para el Atlas
de vulnerabilidad hídrica, como se muestra a continuación: Figura 5. Reclasificación de la variable en el nuevo archivo raster
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El resultado es un nuevo archivo tipo raster con la Para generar el mapa se utilizaron ocho capas, cada una de
característica que en su tabla de atributos tiene definidos los ellas representa un rango de precipitación y tiene un color
rangos de valores al que pertenece cada una de las celdas. Una asignado. La dificultad radicó en que las capas deben
vez que se agregó el raster en la plataforma ArcMap para su mantener cierto orden de colocación entre ellos, ya que al
visualización, éste presentó colores diferentes a los hacer la unión de capas de manera general, se corre el riesgo
establecidos por la simbología. de que la capa más grande se ubique sobre las capas más
pequeñas y no se muestre el mapa deseado. La siguiente
imagen muestra el objetivo que se pretende obtener:
Figura 6. Simbología arbitraria por la reclasificación del raster
El siguiente paso fue la conversión del archivo raster a
formato Shapefile/Featureclass, para lo cual se seleccionó la
herramienta del módulo de ArcToolbox: ConversionTools\
FromRaster\ RasterToPolygon, y se tomó como referencia el
atributo value que indica los rangos de la variable. El
resultado fue un archivo shapefile tipo polígono con una gran
cantidad de elementos con un atributo que define el rango de
la variable al que pertenece, por lo que se realizó un proceso
Figura 8. Mapa temático generado a partir de varias capas
de agrupación (Dissolve) para que todos los polígonos del (IMTA, 2010)3
mismo rango queden unidos en un solo elemento. En este
proceso se generó un archivo shapefile tipo polígono con un
Enseguida se muestra el tamaño de las capas siete y ocho, que
solo elemento geográfico por cada rango de temperatura.
al contener las extensiones más grandes deben ir por debajo
Como paso final se asignó la simbología con base en el mapa
del resto. Fue conveniente agregarles dentro de su tabla de
temático. A continuación se presenta el resultado final del
atributos el orden de colocación de cada capa, para después
proceso de conversión para el “Mapa 2.2, Temperatura
hacer referencia a este campo al generar la simbología. Por
mínima estacional 1961-1990 (Invierno)”:
ejemplo, para la capa Azul2 su número de colocación es 8, y se
le asignó este valor en el campo ZLEVEL.
Figura 7. Archivo shapefile a partir de un archivo raster
Integración de archivos shapefile con el uso de coverages
En la generación de mapas temáticos frecuentemente se
utilizan varias capas para representar cada uno de los rangos
de valores para diferentes variables climatológicas. Esto
representa manejar muchas capas independientes para generar
el mapa, por lo que se requiere integrar todas las capas en un
solo archivo que facilite el manejo de la información, y que
sirva para generar la simbología de manera ágil. Enseguida se
describe la metodología para lograr dicha integración,
tomando como ejemplo la información necesaria para generar
el mapa 3.5 del Atlas de vulnerabilidad hídrica: “Simulaciones
del modelo japonés”, particularmente para el día 16 de
septiembre de 2095 (IMTA, 2010)3. Figura 9. Capas siete y ocho para generar el mapa temático
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Una vez que se definió el orden de colocación de cada capa, se segundo archivo coverage. El resultado del proceso fue la
procedió a convertir los archivos shapefile a formato coverage unión de los dos archivos anteriores y se denominó
(cobertura). Para hacer esta conversión se utilizó la “union1_2”. El siguiente paso fue unir a este archivo
herramienta de ArcGIS: Conversion Tools \ To Coverage\ resultante el archivo coverage número tres siguiendo el mismo
Feature Class To Coverage del módulo de ArcToolbox. En la procedimiento, y el resultado fue la “union1_3”. Se realizó
ventana de diálogo se seleccionó la capa a transformar, se este proceso hasta obtener el archivo coverage “union1_8”, el
especificó la ruta, nombre de salida y el tipo de elemento, en cual es la unión de las ocho capas, tanto de manera espacial
este caso de tipo polígono. Este mismo proceso se realizó para como en la tabla de atributos. El archivo final contiene los
cada una de las ocho capas. atributos de las ocho tablas, por lo que se debe depurar para
dejar en un campo específico, el valor del orden de posición
Posteriormente se llevó a cabo la creación de la topología para de cada elemento.
cada archivo tipo coverage, para tener certeza de que los
polígonos generados no presentan errores en su estructura. El
primer paso fue la creación de etiquetas, para identificar cada
uno de los elementos del archivo coverage. Para esto se utilizó
la herramienta del módulo de ArcToolbox: CoverageTools\
Data Management\ Topology\ CreateLabels, y se aplicó a
cada uno de los archivos.
Enseguida se procedió a crear una nueva coverage corregida
con el proceso Clean, el cual sirve para editar y corregir
errores geométricos de los polígonos debido a intersecciones o Figura 11. Archivo resultante de la unión de las ocho capas tipo
traslapes entre ellos, crea nuevos elementos y asigna datos en coverages (coberturas)
su tabla de atributos. Para realizar este proceso se seleccionó
la herramienta del módulo de ArcToolbox: CoverageTools\
Este archivo en formato coverage se exportó como shapefile
DataManagement\ Topology\ Clean, se agregaron cada uno de
para posteriormente realizar una depuración de los campos
los archivos coverage a corregir, se asignaron nombres de
repetidos y así reducir la tabla de atributos. De esta manera se
salida y se definió el tipo de geometría como tipo polígono.
efectuó la agrupación de las ocho capas en un solo archivo,
que cuenta con un atributo bien definido para establecer la
Después se aplicó el comando Build para crear o actualizar la simbología especificada en el mapa temático.
tabla de atributos de los nuevos polígonos generados en el
paso anterior. Para realizar este proceso se seleccionó la Como paso final se asignaron los colores con base en la
herramienta del módulo ArcToolbox: CoverageTools\
simbología establecida. Para ello, en las propiedades de la
DataManagement\ Topology\ Build. En la ventana de diálogo
capa en la pestaña Simbology se realizó la definición de
se seleccionaron los archivos coverage corregidos en el paso
colores de acuerdo al campo ZLEVEL. Para tener resultados
anterior y se especificó el tipo de geometría como polígono.
lo más cercano posible al documento impreso, se debe contar
con los códigos RGB de cada color y asignarlos manualmente.
A continuación se presenta el resultado final del proceso de
integración de capas para generar el mapa 3.5 (IMTA, 2010)3,
“Simulaciones del modelo Japonés, escenario A1B (16 de
septiembre de 2095)”:
Figura 10. Herramientas en ArcToolbox utilizadas
Para integrar los ocho archivos tipo coverage en uno solo se
aplicó el comando Union. De esta manera se unieron los
elementos geográficos y además se conservaron los atributos
de las tablas correspondientes. Este proceso sólo une dos Figura 12. Archivo shapefile con simbología resultado de la
capas a la vez, por lo que se tuvo que repetir hasta tener un integración de varias capas
solo archivo con todos los elementos. Para realizar el proceso
Resultados
de unión se seleccionó la herramienta del módulo de
ArcToolbox: CoverageTools\ Analysis\ Overlay\ Union. En la Como resultado de los procesos de generación y adecuación
ventana de diálogo se seleccionó el primer archivo coverage realizados a la información que dio origen a la publicación del
como dato de entrada y como archivo a unir se seleccionó el
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Atlas de vulnerabilidad hídrica en México ante el cambio
climático se tiene lo siguiente:
• Una base de datos geográfica (geodatabase, GDB) con seis
FeatureDataSet para organizar la información; cada uno
de ellos representa un capítulo de la publicación. Contiene
información en formato Raster y FeatureClass para
generar cada uno de los 96 mapas publicados. Esta
información sólo es posible visualizarla con plataformas
comerciales como ArcGIS, que cuenten con herramientas
específicas para su despliegue, procesamiento y
Figura 15. Visualización de archivo shapefile en Google Earth
administración.
Conclusiones
La recopilación de datos sobre la situación actual y futura del
recurso hídrico bajo condiciones de cambio climático y el
acceso a los mismos, es un requerimiento fundamental para
llevar a cabo estudios, identificar y replicar medidas de
adaptación concretas en los sectores más vulnerables del país.
Resulta importante profundizar en el análisis de la
vulnerabilidad del recurso hídrico a nivel local, a fin de
incorporar sus efectos en la planeación y la gestión del recurso
para diseñar políticas de prevención y adaptación.
En cuanto a información e investigación en el tema de agua y
cambio climático, y su relación con otros sectores y recursos
Figura 13. Estructura de la GDB y plantillas de mapas sensibles a las variaciones del clima, aún no se cuenta con
• Directorio de archivos Shapefile organizados en carpetas información apropiada para apoyar la toma de decisiones tanto
correspondientes a cada uno de los capítulos de la de organizaciones gubernamentales como de los sectores
publicación. Además cada shapefile tiene su respectivo social y privado. Es importante destacar la necesidad de contar
archivo Layer que contiene la simbología definida. Esta con herramientas y procesos interoperables que faciliten el
información puede ser desplegada en cualquier plataforma intercambio y procesamiento de información.
de administración de datos geográficos, y puede ser
procesada por aquellas que cuenten con herramientas Contar con la información organizada sobre estudios de
básicas de edición, por ejemplo en Google Earth, donde vulnerabilidad, permitirá evaluar medidas de adaptación en
puede ser desplegada de manera ágil y sencilla. aquellas zonas que ya han sido identificadas como las más
vulnerables. En la medida que esta información sea confiable
y esté disponible, será una importante herramienta para un
manejo más apropiado del recurso hídrico y definir estrategias
prioritarias de adaptación.
Referencias
1.- Environmental Systems Research Institute, ESRI (2012). Centro de
recursos de ArcGIS. Biblioteca de ayuda. Enero, 2012.
http://help.arcgis.com/es/arcgisdesktop/10.0/help/index.html#/na/0017000000m2000000/.
2.- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA (2009).
Subcooordinación de Hidrometeorología. Sistema para la Exhibición de
Datos del Ensamble Ponderado de Escenarios de Cambio Climático para
México (SEDEPECC, v1.0). Jiutepec, Morelos, México.
3.- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA (2010)1. Atlas de
vulnerabilidad hídrica en México ante el cambio climático. Jiutepec,
Morelos, México.
4.- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA (2010)2. Atlas de
vulnerabilidad hídrica en México ante el cambio climático. Capítulo 2,
Escenarios climáticos en México proyectados para el siglo XXI. Jiutepec,
Morelos, México.
Figura 14. Directorio de archivos Shapefile y Layer 5.- Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA (2010)3. Atlas de
vulnerabilidad hídrica en México ante el cambio climático. Capítulo 3,
Impacto del cambio climático en la temporada de lluvias y ciclones
La información vectorial actualmente se está utilizando para tropicales en México. Jiutepec, Morelos, México.
desarrollar un portal web empleando software libre, donde se 6.- IPCC (2007). Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático. IV
agregará la localización y descripción de algunas medidas de Intergovernmental Panel Assessment on Climate Change. Fourth assessment.
adaptación al cambio climático que se están realizando en Summary for Policy Makers, WMO Editors. Cambridge University Press.
7.- Jiménez, C.B. (2009). Cambio climático y recurso hídrico: desarrollo
territorio mexicano, para complementar los estudios de de una política nacional de investigación y desarrollo tecnológico.
vulnerabilidad desarrollados por el IMTA. Instituto de Ingeniería, UNAM, México, México.
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