Simulaciones climáticas regionales sobre la Península Ibéricaestudio sobre el papel de los esquemas de parametrizaciones y caracterización de los patrones de cambio

Resumen

Uno de los mayores problemas que debe afrontar nuestra sociedad es el cambio climático. Sus implicaciones sociales, medioambientales, económicas e incluso de salud pública reclaman el desarrollo de estrategias de adaptación y mitigación. Para llevar a cabo esta tarea de forma eficaz y con garantías, es necesario un conocimiento profundo del funcionamiento del sistema climático. Y esto supone un enorme reto científico. Los modelos de simulación del clima son una poderosa herramienta para diseñar y realizar experimentos de manera más o menos sencilla, no invasiva, reproducible, y que pueden ser tan extremos o específicos como se requiera. Estos modelos resuelven numéricamente las ecuaciones físicas que gobiernan el estado y evolución del sistema climático, bajo ciertas aproximaciones que reduzcan la enorme dimensión del problema y permitan afrontarlo. Probablemente, uno de los componentes más importantes de los modelos de simulación del clima sean las parametrizaciones físicas, que dan cuenta, de forma aproximada, de los procesos que se desarrollan en escalas espaciales inferiores a las resueltas por sus núcleos dinámicos. Los procesos parametrizados son la generación de cúmulos, la radiación, las interacciones tierra-atmósfera, la microfísica y la capa límite planetaria (PBL). En esta tesis se lleva a cabo un estudio comparativo de simulaciones climáticas regionales realizadas empleando diferentes parametrizaciones físicas implementadas en un mismo modelo climático regional. Utilizamos una versión climática propia del modelo MM5, un modelo cuya habilidad para reproducir circulaciones mesoescalares ha sido ampliamente probada y que cuenta con un numeroso espectro de opciones físicas. La región de estudio es la Península Ibérica. Una región muy heterogénea climáticamente y que presenta una gran sensibilidad al cambio climático. Estas razones, y el hecho de que los modelos de simulación globales no sean capaces de captar su riqueza climática, hacen que sea un buen dominio para aplicar y testear modelos climáticos regionales. El objetivo de este trabajo es examinar el papel de los esquemas de parametrización tanto en la reproducción de la climatología observada, como en las proyecciones de cambio climático. La primera parte de la tesis se dedica a evaluar el papel del modelo de suelo y la importancia de las interacciones tierra-atmósfera. En la segunda parte se estudian las características de un conjunto de simulaciones entre las que varían las parametrizaciones físicas de PBL, cúmulos y microfísica. El análisis se realiza para medias estacionales de temperatura y precipitación, evaluando tanto promedios temporales como variabilidad interanual. Las mayores diferencias entre las simulaciones realizadas con los distintos modelos de suelo se obtienen para el verano, cuando las circulaciones locales ganan relevancia en comparación con el flujo de gran escala, y cuando el contenido de humedad del suelo está sometido a mayor estrés y variabilidad. La comparación de las simulaciones del periodo presente con datos observacionales nos permite identificar el modelo de suelo más conveniente para reproducir el clima de la Península Ibérica, que coincide con el modelo de mayor complejidad y que simula dinámicamente el contenido de humedad del suelo. Su uso reduce la infraestimación tanto de la temperatura media como de su variabilidad internual. En el análisis de las proyecciones de futuro encontramos que dicha modelización dinámica de la humedad del suelo conlleva un calentamiento más intenso para el futuro, más significativo para las temperaturas máximas (que se ven más afectadas por la realimentación positiva que se da entre la humedad del suelo y la temperatura del aire superficial) que para las mínimas, y un mayor aumento de la variabilidad. Estos resultados están ligados a la reducción del contenido de humedad del suelo y el consiguiente desplazamiento de las zonas de transición (húmedas-secas) hacia el norte. Las proyecciones para la precipitación también muestran sensibilidad al modelo de suelo, tanto en el caso de precipitación convectiva como no convectiva, aunque la interacción entre la humedad del suelo y la precipitación no es tan directa y local como en el caso de temperatura. Las proyecciones de futuro prevén un descenso de la precipitación dado por un descenso tanto de la intensidad como de la frecuencia de los eventos tanto convectivos como no convectivos, salvo en el caso de la precipitación convectiva en verano, para la que se proyecta un ligero aumento. En este escenario, el uso de un modelo de suelo más realista hace que se obtengan señales negativas (de descenso) más intensas y señales positivas más suaves. Estos cambios se atribuyen tanto a la modificación de las propiedades superficiales del suelo (fundamentalmente humedad) como a las modificaciones que éstas introducen en la circulación regional, tales como una intensificación de la baja térmica ibérica. La segunda parte de esta tesis se desarrolla en base a conjuntos de simulaciones multi-física. Cada conjunto cuenta con ocho miembros que resultan de combinar dos de los posibles esquemas de parametrización para los procesos antes mencionados. Hasta ahora existen escasos estudios basados en conjuntos multi-física de simulaciones climáticas regionales. Sin embargo, la dispersión (máxima diferencia entre las distintas simulaciones) que encontramos en nuestros experimentos, tanto a la hora de reproducir el clima presente como en las proyecciones de futuro, es de una magnitud comparable a la que se obtiene en conjuntos de simulaciones multi-modelo. Esto sugiere que gran parte de la dispersión en estos últimos puede ser atribuida a las distintas físicas que implementan los distintos modelos. La evaluación del conjunto de simulaciones multifísica para la reproducción del clima peninsular muestra que ninguna de las configuraciones físicas empleadas es superior a las demás, no en todas las zonas, no para todas las variables y no en todas las estaciones del año. No obstante se han identificado algunas parametrizaciones que, en general, son más adecuadas. Por ejemplo, el esquema de PBL es el que más influye en los patrones de temperatura, siendo la opción que simula capas de mezcla más altas y mayor mezcla vertical dentro de la capa límite la más ventajosa ya que reduce considerablemente el sesgo frío. Sin embargo, el análisis de la precipitación y de la variabilidad interanual de temperatura y precipitación no revela liderazgos claros entre los distintos esquemas puestos en juego. El análisis de las proyecciones de futuro desvela dos hechos especialmente interesantes. Por un lado, los esquemas que son más influyentes a la hora de reproducir la climatología observada no lo son, en general, a la hora de hacer proyecciones de cambio climático. Es decir, en el escenario de futuro hay procesos que pierden relevancia mientras que otros la ganan. Más aún, los resultados indican que no existe una relación clara entre los sesgos que aparecen en la reproducción del clima presente y los cambios proyectados por los distintos experimentos. Por otro lado, las dispersión en las climatologías simuladas tiende a intensificarse en el periodo futuro. Por lo tanto, los patrones de cambio climático tienen asociada una gran incertidumbre que afecta incluso al signo del cambio. Esta tesis contribuye al conocimiento sobre la influencia de varios procesos físicos que gobiernan el clima de una región compleja como la Península Ibérica, desvelando interacciones importantes, respuestas asociadas e incertidumbres relacionadas.