Proyecciones de cambio climático de los eventos extremos de precipitación en Andalucía mediante modelización regional a muy alta resolución

• Autores: Feliciano Solano Farias
• Directores de la Tesis: Matilde María del Valle García-Valdecasas Ojeda (codir. tes.) , Sonia Raquel Gámiz Fortis (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2025
• Idioma: español
• ISBN: 9791370150570
• Número de páginas: 245
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  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen

  • La presente Tesis desarrolla y evalúa proyecciones de cambio climático a muy alta resolución espacial (1 km) en Andalucía para el estudio de los cambios en los eventos extremos de precipitación a finales del siglo XXI bajo el escenario SSP5-8.5 del CMIP6. Para ello se ha usado el modelo climático regional (RCM) Weather research and Forecasting (WRF) con resolución explicita de la convección (convection-permitting model, CPM) aplicando un enfoque Pseudo- Global Warming (PGW). Esta Tesis pone especial énfasis en la escala subdiaria, por ser uno de los potenciales beneficios de las simulaciones CPMs y de especial interés para la gestión contra el riesgo de inundaciones y la planificación de recursos hídricos. Para la realización de las simulaciones se implementó una estrategia de downscaling dinámico en dos etapas. Primero, se realiza una simulación de 32 años (1991–2022) con el núcleo dinámico Advanced Research (ARW) de WRF en su versión 4.3.3, mediante el uso de dos dominios anidados. Un primer dominio, o dominio padre (d01), cubriendo la Península Ibérica (PI) a 5 km de resolución espacial (con convección parametrizada), en el cual se anida un segundo domino (d02), sobre Andalucía, a una resolución de 1 km (con convección desactivada). La configuración final de WRF se determinó tras la selección de los esquemas físicos del modelo, que se ha basado en un análisis de sensibilidad a combinaciones de esquemas de convección (CU) en d01 y microfísica (MP) en ambos dominios. Dentro de los esquemas CU se analizaron las parametrizaciones de Grell 3D (G3), Grell-Freitas (GF), Kain-Fritsch (KF) y convección desactivada (OFF). De MP se utilizaron el esquema WRF de momento simple de 6 clases (WSM6), el esquema WRF de momento simple de 7 clases (WSM7) y THOMPSON. En el análisis de sensibilidad se fijaron los esquemas de radiación de onda corta y larga, usando en ambos casos el del modelo climático global Community Atmospehre Model 3.0 (CAM3), el modelo Asymmetrical Convective Model version 2 (ACM2) para la capa límite planetaria y el Noah-MP como modelo de superficie. Como resultado de este análisis se seleccionó la combinación de parametrizaciones MU-CU como WSM7-GF, con el esquema WSM7 de microfísica seleccionado para ambos dominios y GF para el dominio d01. Adicionalmente, los resultaron indicaron que desactivar la convección en el dominio padre, configurado a 5 km de resolución, también puede reproducir con gran fidelidad patrones de precipitación. Una vez seleccionada la configuración del modelo, y tras la realización de la simulación en clima presenta, se evaluó la capacidad del modelo WRF para representar la precipitación anual, estacional, diaria y horaria en Andalucía mediante la comparación con bases de datos de referencia de estaciones meteorológicas in situ y los datos observacionales en rejilla de ROCIO_IBEB. Adicionalmente, y para ver el potencial beneficio del aumento de la resolución, se compararon los resultados obtenidos con otros productos de precipitación en rejilla de diferente naturaleza (datos de modelos, reanálisis, satélites, etc.) como son los datos un ensemble de EURO-CORDEX, ERA5-Land, CERRA-Land, GPM IMERG, CMORPH y CHIRPS. Los resultados de la comparación muestran que WRF a 1 km de resolución (01-WRF) posee una gran habilidad para reproducir el patrón espacial de precipitación anual y estacional, con correlaciones espaciales con las estaciones meteorológicas in situ que alcanzan valores similares a los alcanzados por ROCIO_IBEB (r = 0.73 para 01-WRF frente a ROCIO_IBEB que toma valores cercanos a 0.81), mostrándose, en general, mejoras del dominio de 1 km (01-WRF) respecto al de 5 km (05-WRF) y a EURO-CORDEX. En términos de extremos del Expert Team on Climate Change Detection and Indices (ETCCDI), el modelo reproduce de manera realista índices de intensidad (p. ej., Rx5day) y de duración (CWD), si bien el índice de días secos consecutivos (CDD) muestra sobreestimación, particularmente en 05-WRF, y que se reducida con 01-WRF. Simultáneamente, 01-WRF presenta correlaciones más altas y menores errores relativos con los datos observacionales, evidenciando el beneficio de la mayor resolución (1 km) para reproducir las rachas secas y húmedas, así como en la representación de extremos sobre topografía compleja. En el caso de CWD, 01-WRF logra sesgos leves (-7 %) con errores moderados y una correlación espacial con las observaciones de 0.80, destacando su capacidad para reproducir rachas húmedas prolongadas en áreas montañosas, donde la orografía modula la persistencia de la lluvia. A escala horaria, el modelo WRF captura el ciclo diario de las observaciones de estaciones meteorológicas in situ en los meses de otoño a invierno (SONDEF), de forma aceptable, con máximos observados alrededor de las 06 UTC y un segundo máximo más tenue, proporcionando un beneficio con respecto a otros productos de precipitación analizados como el ensemble de EURO-CORDEX o los datos de reanálisis de ERA5-Land. Ambas configuraciones de WRF reproducen adecuadamente la precipitación horaria de Andalucía, incluyendo la frecuencia, intensidad y eventos extremos subdiarios (p. ej., p99.9, RxNh), capturando los efectos orográficos y costero, y representan adecuadamente la distribución conjunta de duración e intensidad de los eventos, así como las pseudo-PDFs de precipitación horaria. 01-WRF destaca por su alta correlación espacial, mientras que 05-WRF reproduce con mayor exactitud la magnitud de los extremos. En conjunto, WRF se muestra como una herramienta adecuada para capturar las características de la precipitación horaria en Andalucía. Una vez evaluada la capacidad de WRF como CPM en la región de Andalucía se generaron proyecciones de cambio climático mediante el enfoque Pseudo-global warming (PGW) para la precipitación. Para ello se incorporó la señal de cambio climático promedio para el periodo 2070- 2099 en comparación al periodo 1985-2014 bajo el escenario SSP5-8.5 de 24 modelos climáticos globales (GCMs) del CMIP6 a las salidas de ERA5 en el periodo 1991–2020, para usarlo como condiciones de laterales de contorno (LBCs) de WRF. Las pseudo-proyecciones así generadas se han comparado con un ensemble de simulaciones regionales de EURO-CORDEX (con resolución espacial de 12 km) obtenido para el periodo 2071-2099 bajo el escenario RCP8.5. Los resultados para el futuro revelan que, para finales de siglo bajo el escenario de cambio climático más pesimista, la precipitación anual disminuirá de forma generalizada y estadísticamente significativa en toda Andalucía. Mientras EURO-CORDEX sugiere descensos de aproximadamente una quinta parte de la precipitación, WRF proyecta reducciones superiores al 40 % en amplias zonas del interior y occidente, mientras que en áreas con altitudes por debajo de 500 m la precipitación podría verse reducida a la mitad, con la implicación de un avance hacia condiciones de aridez en áreas hoy semiáridas. En conjunto, el futuro apunta a menos precipitación total concentrada en un menor número de días y con episodios prolongados menos frecuentes, debilitando el papel de las lluvias sostenidas en la recarga de acuíferos. Resultados similares en la disminución de la precipitación se encontraron en la temporada de SONDEF en el análisis de extremos diarios. Los índices del ETCCDI indican que para el futuro habrá una reducción en el valor máximo de la precipitación acumulada en 5 días consecutivos (Rx5day) así como una menor frecuencia de días con precipitaciones intensas (R20mm), especialmente en la región occidental, con reducciones proyectadas del 20 al 40 % en Rx5day y por encima del 50 % en R20mm, incluso en áreas tradicionalmente húmedas como Grazalema. Los resultados también muestran una reducción del índice CWD entre el 15 % y el 45 %. A escala subdiaria, se proyectan menos horas con precipitación mientras que la intensidad de los eventos más extremos por hora (p99.9) aumenta de forma clara en el centro-sur y este andaluz, con intensificaciones generalizadas alcanzando valores de hasta el 60 % en la costa mediterránea y en cotas por encima de los 1000 m. Por lo tanto, extremos horarios observados hoy entre los 30 y 35 mm/h podrían alcanzar valores de hasta 50 mm/h en un contexto de calentamiento global bajo el escenario más pesimista, elevando así el riesgo de inundaciones urbanas y crecidas repentinas, pese al descenso del total anual y estacional de la precipitación. La combinación de menos frecuencia y mayor intensidad refuerza la necesidad de estrategias de adaptación y alerta temprana a escala horaria.