Modelización regional de la evolución climática del último milenio y proyecciones de futuro

Zusammenfassung

Actualmente existe una fuerte evidencia de que la Tierra está sufriendo un proceso de Cambio Climático que carece de antecedentes en los últimos milenios. Así mismo, todo parece indicar que las actividades humanas (cambios en los usos de suelo, deforestación, emisión de gases de efecto invernadero, etc.) están jugando un papel importante en este proceso. Sin embargo, pese a que los mecanismos físicos que relacionan el incremento en el nivel de los gases de efecto invernadero con el aumento en la temperatura son bien conocidos desde hace décadas, es difícil establecer una relación causal directa, puesto que el sistema climático es un complejo conjunto de subsistemas interrelacionado a diversas escalas espaciales y temporales, de manera que su comportamiento no es deducible a partir de sus partes por separado. En este sentido, el estudio del clima ha experimentado un enorme paso hacia delante propiciado por el enorme aumento de la capacidad computacional, que ha hecho posible la introducción de modelos computacionales que simulan el sistema climático. Estos modelos permiten, dentro de las limitaciones de un modelo, que es una mera simplificación de la realidad, hacer experimentos controlados donde diversos parámetros pueden ser modificados para analizar su impacto en el sistema climático. En particular se pueden utilizar tanto para realizar proyecciones de Cambio Climático, basadas en ciertas hipótesis sobre la evolución de factores socio económicos, como para reconstruir la variabilidad climática en el pasado en función de la estimación de ciertos forzamientos externos. Existen diversos tipos de modelos climáticos en la actualidad. Durante estos cuatro años se ha desarrollado un trabajo que se concentra en el uso de los denominados Modelos Climáticos Regionales. Al contrario que un Modelo de Circulación General, los modelos regionales simulan sólo un área limitada, con unas fronteras bien definidas. La ventaja de este tipo de modelos es su menor coste computacional, que permite su implementación a alta resolución (del orden de decenas de kilómetros). Para la realización de esta tesis se han realizado una serie de simulaciones climáticas regionales para el futuro y el pasado con una versión climática propia de nuestro grupo del modelo regional MM5 acoplado a diversos modelos globales (ECHO-G y ECHAM5). El dominio de estudio es la Península Ibérica, un área con una compleja diversidad climática que no puede ser reproducida con la baja resolución de los modelos globales, y que por tanto la hace óptima para llevar a cabo experimentos regionales que permitan evaluar el valor añadido de éstos. Así mismo se encuentra en el área mediterránea, que ha sido identificada como especialmente sensible ante la problemática del Cambio Climático. La resolución espacial del modelo es 30 km, lo que permite una mejor representación espacial, conllevando a poder resolver distinos procesos físicos relacionados con la interacción con los principales sistemas montañosos peninsulares y la caractezación de las superficies. Por otro lado, hay una parte de la tesis dedicada a una ambiciosa simulación efectuada sobre un domino que abarca toda Europa con una resolución de 45 km durante los últimos cinco siglos. El potencial de esta simulación radica en la mejora en las comparaciones entre simulaciones y las reconstrucciones de gran calidad disponibles para Europa. Se han llevado a cabo cuatro proyecciones de Cambio Climático. Para ello se han utilizado dos modelos globales (ECHO-G y ECHAM5) como condiciones de contorno, así como dos diferentes escenarios para cada uno de ellos (A2 y B2 para ECHO-G y A2 y B1 para ECHAM5). El análisis conjunto de estas cuatro proyecciones permite analizar características comunes y específicas, lo que a su vez permite acotar las incertidumbres. Para ello se ha evitado la utilización del comparaciones directas entre futuro y presente. En lugar de ello se han utilizado técnicas estadístias basas en el Análisis de Componentes Principales. Por otro lado se han llevado a cabo dos simulacines sobre la Península Ibérica del último milenio acoplada al modelo global ECHO-G. Estas simulaciones han sido conducidas mediante la reconstrucción de tres tipos de factores externos: variaciones en la intensidad de radiación solar, en la concentración de gases de efecto invernadero y efectos estimados en el balance radiativo de la actividad de grandes volcanes. La tesis desarrollada también analiza el papel de la variabilidad interna en simulaciones regionales. La comparación de dos simulaciones que comparten los forzamientos externos, pero parten de condiciones iniciales diferentes, permite evaluar el papel de la variabilidad interna con respecto a estos últimos. Para llevar a cabo este enfoque, se han realizado dos simulaciones de 1000 años sobre la Península Ibérica con una resolución de 30 km, lo cual supone un reto técnico en sí mismo debido a su enorme costo computacional. Por último, se ha llevado a cabo una simulación para toda Europa con una resolución espacial de 45 km durante el periodo 1500-1990. Se ha valorado la capacidad de simular un clima consistente, para lo cual se ha comparado con observaciones reales, que comienzan a principios del siglo XX. Así mismo se han comparados los resultados de esta simulación con diversas reconstrucciones climáticas de temperatura y precipitación que hay disponiblas para el áera de Europa. - Resultados: Esta tesis ha generado resultados tanto en cuanto a proyecciones de cambio climático como en simulaciones del pasado que permiten estudiar la evolución del clima en escalas de tiempo más allá del corto periodo instrumental. En cuanto a proyecciones de cambio climático, se ha encontrado que la estructura de los patrones de calentamiento durante el siglo XXI es consistente para la Península Ibérica, y que la diferencia entre diversos escenarios se limita a la intensidad del calentamiento. Se ha identificado que la estación más sensible al calentamiento es verano, lo cual tiene como consecuencia una continentalización del clima. Así mismo se ha distinguido entre la evolución de temperaturas máximas y mínimas, lo que ha permitido identificar un incremento del rango diario de temperaturas, que es así mismo característico de climas continentales, y que está relacionado con los efectos de realimentación positiva entre el suelo y la atmósfera. Con respecto al último milenio, se ha evaluado la capacidad del sistema ECHO-G-MM5 para reproducir de manera realista la relación entre la Oscilación del Atlántico Norte (NAO por sus siglas en inglés) y la precipitación sobre la península. Esto ha servido para estudiar esta relación a lo largo del último milenio, que a su vez permite conectar reconstrucciones independientes basadas en datos proxy de precipitación y este índice climático durante el último milenio. Se ha llevado a cabo una comparación entre los resultados de la simulación y dos reconstrucciones ajustadas a una malla de temperatura y precipitación. Desde un punto de vista más teórico, el análisis de la variabilidad interna ha permitido determinar que la evolución de la temperatura está en gran parte determinada por la evolución de los forzamientos externos, mientras que la precipitación está dominada por la variabilidad natural. Esto explica una parte importante de la diversidad de resultados que se obtienen en proyecciones de cambios en la precipitación durante el siglo XXI. Un resultado inesperado de este estudio es que, pese a la influencia generalizada de la variabilidad natural en la precipitación, hay ciertas áreas en donde su efecto es menor, por lo que esta variable responde de manera consistente frente a los forzamientos. La identificación de estas áreas es fundamental porque son en ellas donde una comparación entre los resultados de la simulación y las reconstrucciones presenta un mayor potencial. Finalmente, se han explorado algunas aplicaciones de las simulaciones llevadas acabo para la realización de esta tesis en colaboración con la comunidad de reconstrucciones paleoclimáticas. Se ha utilizado la pseudorealidad del modelo para validar un método de reconstrucción basado en el análisis de periodos extremos, para obtener una reconstrucción de la media y la varianza de las distribuciones de probabilidad de estas dos variables. Así mismo, se han evaludao en el entorno de la simulación las teleconexiones que se establecen entre un nuevo índice climático basado en la zonalidad del viento en el área del Canal de la Mancha con campos como temperatura y precipitación en el área de Europa. Esta tesis constituye un paso adelante en cuanto a la utilización de modelos de alta resolución en un contexto paleoclimático. Se han simulado aproximadamente 3000 años con alta resolución, lo que ha permitido abordar cuestiones antes inaccesibles, como el valor añadido de este tipo de modelos en paleoclima o el papel de la variabilidad interna. Así mismo, se ha generado una enorme base de datos, desde proyecciones de Cambio Climático a simulaciones del último milenio. Estos datos están actualmente siendo utilizados por diversos investigadores, desde la comunidad de reconstrucciones climáticas hasta estudios de Impacto Ambiental. Como fruto de estas colaboraciones se están llevando a cabo actualmente varios estudios de diversa índole. Algunas de ellos ya han sido publicados o enviados a publicación, mientras que otros lo serán a lo largo de los próximos meses.