Cuantificación de diferentes fuentes de incertidumbre en un modelo climático regional
- Autores: Álvaro Lavín Gullón
- Directores de la Tesis: Jesús Fernández Fernández (dir. tes.)
, José Manuel Gutiérrez Llorente (codir. tes.) - Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Quantification of different sources of uncertainty in a regional climate model
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Laura Bettolli (presid.) , Antonio Santiago Cofiño González (secret.) , Sonia Jerez Rodríguez (voc.)
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- Resumen
- español
A pesar del creciente interés en la modelización climática regional a muy alta resolución, aún permanecen sin explicar múltiples incertidumbres, entendidas como las discrepancias que surgen entre los diferentes modelos a la hora de simular un proceso o variable física. Estas fuentes de incertidumbre, bien sea relacionadas con la propia configuración del modelo, el dominio o producidas por las propias condiciones iniciales, entre otras, son cruciales a la hora de interpretar los resultados.
Una fuente de incertidumbre destacada en un Modelo Climático Regional es la variabilidad interna. Esta incertidumbre puede ser definida como las diferentes soluciones producidas por el modelo al usar las mismas condiciones de contorno pero con una perturbación en las condiciones iniciales, la cual debido a la naturaleza caótica y no lineal del sistema climático da lugar a diferentes trayectorias en el espacio.
Durante años, y aún actualmente, diferentes iniciativas internacionales han abordado esta y otras fuentes de incertidumbre mediante la coordinación de ensembles multi-modelo. En este sentido, la iniciativa "Coordinated Regional Downscaling Experiment" (CORDEX) adquiere un papel central en esta tesis, y en particular, los estudios piloto derivados de ella ”Extreme precipitation events in Southeastern South America" (FPS-SESA) y "Convective phenomena at high resolution over Europe and the Mediterranean" (FPS-Convection). Estos marcos de trabajo coordinaron varios experimentos con simulaciones a muy alta resolución en los que la parametrización de convección está desactivada (convection-permitting), poniendo el foco en áreas de ocurrencia de convección profunda.
El principal objetivo de esta tesis es contribuir a los diferentes planteamientos de la iniciativa CORDEX, desde la generación de simulaciones a muy alta resolución hasta la cooperación con los distintos grupos participantes, y así de esta manera evaluar y cuantificar el papel de diferentes fuentes de incertidumbre. Los objetivos específicos pueden ser resumidos en:
Simular el clima regional de áreas de ocurrencia de eventos de precipitación extrema a muy alta resolución mediante el uso de convection-permitting en Modelos Climáticos Regionales.
Cuantificar el papel de diferentes fuentes de incertidumbre, principalmente la resolución horizontal, la incertidumbre en el dominio, la variabilidad interna y las incertidumbre multi-modelo y multi-física.
Explorar la incertidumbre asociada a la inicialización de variables lentas, así como su impacto en simulaciones computacionalmente costosas y que han sido partidas en varias tramos de tiempo.
Mejorar el entendimiento de los mecanismos sinópticos que llevan a la generación de eventos de precipitación extrema.
Gran parte del trabajo se ha llevado a cabo bajo el paraguas de FPS-Convection y FPS-SESA con simulaciones convection-permitting a muy alta resolución cubriendo Europa y América del Sur, respectivamente, con un foco en los Alpes y el sureste de América del Sur. Estos dominios ofrecen diferentes condiciones climáticas y mecanismos sinópticos. Además, los diseños experimentales de estos estudios piloto permiten cubrir la mayoría de fuentes de incertidumbre que pretendemos explorar. Las simulaciones del clima regional a muy alta resolución se han llevado a cabo mediante el modelo Weather Research and Forecasting (WRF). Debido a los altos costes computacionales de simular el clima regional a una escala espacial de pocos km y un periodo temporal de años, se vio la necesidad de partir las simulaciones en tramos de tiempo, los cuales se solapan en periodos de al menos un año para cubrir un tiempo de spin-up mínimo. Aunque los solapamiento son descartados en el postproceso final, en este trabajo son empleados para estudiar el comportamiento del spin-up.
El tema global de esta tesis es la cuantificación de incertidumbres en la modelización del clima regional, con un especial hincapié en la variabilidad interna como contexto para evaluar el tamaño relativo de otras fuentes de incertidumbre. En este trabajo, la variabilidad interna es calculada mediante ensembles multi-condiciones-iniciales en los que cada miembro del ensemble es inicializado con un día de diferencia respecto al anterior (un día antes, dos días antes y así sucesivamente), manteniendo en todos la misma configuración física. De esta forma, el ensemble es un conjunto de simulaciones con condiciones iniciales ligeramente perturbadas.
Otras fuentes de incertidumbre estudiadas son la relativa a la resolución horizontal, con un rango de resoluciones de ~50 km a ~3 km, y la incertidumbre en el dominio, con dominios sobre Europa y América del Sur. La incertidumbre multi-fisica es cuantificada a la luz de la variabilidad interna para evaluar la respuesta de una selección de eventos de precipitación extrema a las parametrizaciones físicas. De manera similar se explora la incertidumbre multi-modelo.
Además de estas incertidumbres, se estudian diferentes inicializaciones y periodos de spin-up. Por un lado, se explora la habilidad de los modelos de representar eventos de precipitación extrema con dos inicializaciones: unos días antes de cada evento ("weather-like") y en "climate mode", inicializando uno o más meses antes. Por otro lado, el análisis se extiende a periodos de spin-up más largos pero haciendo uso de simulaciones que han sido partidas en tramos de tiempo.
Por último, se evalúa la habilidad de las simulaciones convection-permitting a la hora de representar eventos de precipitación extrema en Europa y América del Sur. En esta última región se exploran los mecanismos sinópticos que llevan a la generación de estos eventos, identificando un precursor de los mismos.
Con respecto al primer objetivo específico de esta tesis, se ha contribuido con simulaciones propias en todos los experimentos de evaluación de FPS-Convection y FPS-SESA, siguiendo los protocolos establecidos. Las resultados de estos experimentos muestran que los mecanismos sinópticos que favorecen la convección profunda están bien representados en los dominios de alta resolución. Sin embargo, algunas discrepancias surgen en cuanto a su localización, las cuales dan lugar a discrepancias en la reproducción de los eventos en los dominios convection-permitting. Estos comportamiento es observado en ambos modos de simulación ("weather-like" y "climate mode") en el dominio de América del Sur, pero no en el de Europa donde solo se presenta en "climate mode".
La cuantificación de diferentes fuentes de incertidumbre ha revelado la importancia que tiene la variabilidad interna en variables atmosféricas, en las que la incertidumbre multi-física puede ser de igual magnitud que la variabilidad interna. En estos casos, la incertidumbre que surge de las perturbaciones de la física del modelo son vistas como perturbaciones en las condiciones iniciales. En cambio, para variables en superficie esta incertidumbre es menos relevante. De acuerdo a otros estudios de variabilidad interna en Modelos Climáticos Regionales, esta incertidumbre presenta valores más altos (bajos) en verano (invierno) y un patrón espacial con valores más bajos según nos acercamos a los bordes del dominio. Los resultados tienen una clara dependencia con el dominio, ya que el destacado papel de la variabilidad interna en el dominio sobre Europa no parece repetirse en el dominio sobre América del Sur. Por otro lado, se ha observado que la variabilidad interna no es sensible a la resolución horizontal y a su vez, que la resolución horizontal no parece jugar ningún papel destacado en el spin-up del modelo ni en las inhomogeneidades de simulaciones que han sido partidas en tramos.
Por otro lado, los resultados confirman que partir las simulaciones en tramos de tiempo es un método válido para mejorar la eficiencia de simulaciones computacionalmente costosas. No obstante, al analizar climatologías regionales se encontró un potencial efecto de usar este procedimiento en variables relacionadas con el suelo, aunque atribuidas a la variabilidad interna. El análisis mostró que estas variables, que tienen un tiempo de respuesta largo, presentan las mayores discontinuidades meteorológicas en las uniones entre los diferentes tramos. El momento óptimo para unir entre dos tramos de tiempo, y con ello reducir las discontinuidades, depende de la estación y las condiciones atmosféricas de la región. Además, los resultados muestran que la variabilidad inter-anual es también un factor importante ya que el spin-up puede depender de las condiciones atmosféricas dadas en el año de inicialización.
Finalmente, con respecto al último objetivo, los diseños experimentales de tanto FPS-Convection como de FPS-SESA permitiron estudiar cómo los modelos reproducen eventos de precipitación extrema bajo diferentes condiciones sinópticas. Los mecanismos que llevan a estos eventos extremos fueron analizados en el sureste de América del Sur, donde se encontró que los valores más altos de convergencia del flujo de humedad verticalmente integrado se correspondían con máximos de precipitación 6 horas más tarde. Esto llevó a identificar la convergencia del flujo de humedad verticalmente integrado como un importante precursor de la convección profunda en la región. No obstante, este precursor viene determinado por las condiciones climáticas del sureste de América del Sur por lo que la generalización a otros dominios debe ser tomada con cautela.
- English
This thesis deepens on quantifying different sources of uncertainty that may arase in a Regional Climate Model. The investigation is carried out with multi-physics, multi-model and multi-initial conditions ensembles at different timescales, generated by following the coordinated protocols in two Flagship Pilot Studies of the international initiative “Coordinated Regional Downscaling Experiment” (CORDEX) in Europe and South America. Internal variability plays a leading role as a background to assess the relative size of other sources of uncertainty, such as those associated to the horizontal resolution and the domain. For slow-varying variables, the study evaluates the uncertainty related to the spin-up and the initialization of these variables in simulations that have been divided into time slicings. Finally, as part of the CORDEX Flagship Pilot Studies, the analysis emphasizes on extreme precipitation events, as well as the synoptic mechanisms that lead to them.
- español
