Avances en las proyecciones climáticas de ciclones con características tropicales en El Mediterráneouso de modelos con acoplamiento atmósfera-océano y optimización del método de detección

Laburpena

El estudio y caracterización de ciclones en la cuenca mediterránea ha experimentado un auge en los últimos años. El impacto de medicanes (del inglés “Mediterranean hurricanes”) intensos sobre zonas de la costa mediterránea ha impulsado la investigación de los posibles efectos que puedan tener estos ciclones bajo condiciones de calentamiento global. A pesar del pequeño tamaño de los medicanes, el avance de las técnicas computacionales en los últimos años ha permitido el uso de modelos climáticos de alta resolución que posibilitan la detección y simulación de medicanes en condiciones de clima futuro. Los principales resultados de estos estudios muestran que es esperable una disminución de la frecuencia de medicanes y un posible aumento de su intensidad a finales del siglo XXI. Estas proyecciones se han realizado con modelos climáticos sin acoplamiento atmósfera-océano, y por ello están afectadas por la incertidumbre de los posibles efectos de dicho acoplamiento. Por tanto, es en el estudio de las proyecciones climáticas mediante modelos climáticos con acoplamiento atmósfera-océano donde encontramos uno de los aspectos principales de esta tesis. Con el incremento de las mejoras informáticas y por lo tanto de la resolución espacial de los modelos climáticos, está aumentando fuertemente el volumen de datos de salida a almacenar. El método del espacio de fases de ciclones (CPS, del inglés “Cyclone Phase Space”) es una de las herramientas más utilizadas hoy en día para identificar y categorizar ciclones en base a su estructura térmica. Por tal razón, es uno de los métodos más empleados para detectar medicanes con modelos climáticos, aunque su cálculo hace necesario de la utilización de gran cantidad de datos. En consecuencia, otra cuestión tratada en esta tesis es la optimización del volumen de datos necesarios para la implementación del método del CPS, permitiendo un posible ahorro de recursos informáticos. El presente trabajo aborda el estudio de proyecciones climáticas de medicanes mediante el uso de modelos acoplados atmósfera-océano, así como una optimización del método del CPS. En esta tesis se dan respuestas a preguntas concretas en cada uno de los tres capítulos del apartado de resultados. Los objetivos de cada capítulo pueden resumirse de la siguiente forma: 1. Evaluación del cambio de intensidad de medicanes en clima futuro mediante el uso de un modelo global de alta resolución con acoplamiento atmósfera-océano parcial 2. Análisis del impacto del uso de modelos con acoplamiento atmósfera-océano pleno en proyecciones de clima futuro de medicanes 3. Caracterización de medicanes con el menor número posible de niveles de geopotencial. En el primer trabajo se analiza la simulación climática de medicanes en clima futuro a partir de un modelo global parcialmente acoplado de alta resolución, bajo el escenario intermedio de emisiones RCP4.5. El modelo utilizado para este trabajo (HiFLOR) ha demostrado ser capaz de simular bien ciclones tropicales intensos en otras cuencas, lo que es una característica muy apropiada debido a que la mayoría de los modelos climáticos utilizados previamente en proyecciones de medicanes subestimaban su intensidad. Además, este trabajo supone una importante novedad al ser el primer estudio climático de medicanes realizado con un modelo global acoplado de alta resolución. Los resultados de este estudio muestran que en condiciones de cambio climático es esperable una disminución de la frecuencia total de medicanes, a causa de un aumento de las condiciones de estabilidad en gran parte de la cuenca mediterránea. No obstante, aunque haya un menor número de ciclones en el futuro, es esperable que estos puedan ser más intensos y tener características tropicales más duraderas, sobre todo durante los meses de otoño. Entre los resultados más destacados de este estudio sobresale un aumento de la peligrosidad que pueden tener los medicanes en condiciones de cambio climático, en particular en zonas de la costa mediterránea altamente pobladas. En el segundo trabajo, se ha realizado un estudio para analizar la influencia del acoplamiento atmósfera-océano pleno en proyecciones de medicanes con respecto a simulaciones realizadas con modelos no acoplados. Para ello, se ha llevado a cabo la comparación de un modelo regional acoplado pleno (ROM) con su componente regional atmosférica con condiciones oceánicas prescritas (REMO), que en este trabajo actúa como modelo no acoplado. La motivación principal para realizar este estudio se encuentra en la posible existencia de retroalimentaciones negativas entre vientos fuertes (como los asociados a medicanes) y la temperatura superficial del mar. La principal hipótesis de este trabajo es que los modelos acoplados pueden ser capaces de simular dichas retroalimentaciones, a diferencia de los modelos no acoplados, dando lugar a una simulación más realista de medicanes. Los principales resultados de este trabajo muestran que tanto el modelo no acoplado como el acoplado proyectan una disminución significativa del número de medicanes en clima futuro, bajo el escenario de máximas emisiones del quinto informe del IPCC (RCP8.5). No obstante, las mayores diferencias entre modelos acoplados y no acoplados se encuentran en el estudio de la intensidad de estos ciclones, donde se puede ver que el modelo acoplado experimenta un aumento de la frecuencia relativa de los medicanes más intensos, mientras que el modelo no acoplado no muestra cambios significativos. En este estudio, encontramos que el uso del modelo acoplado (ROM) parece ser que podría ser capaz de simular las retroalimentaciones negativas entre vientos fuertes y temperatura superficial del mar, evitando la simulación de ciclones intensos (no observados) en verano. Este trabajo puede servir de base a futuras investigaciones de medicanes con conjuntos de varios modelos acoplados, con el fin de ver si los resultados pueden ser extrapolados a otros modelos acoplados. El tercer problema estudiado en este documento se centra en el efecto de reducir la cantidad de niveles de geopotencial utilizados en la caracterización de ciclones mediante el uso del método del espacio de fases de ciclones (CPS). Este método es usado en muchos trabajos de climatología de ciclones para clasificarlos en base a su estructura térmica, aunque uno de los principales problemas que tiene este método es la gran cantidad de datos necesarios para su cálculo. La novedad de este trabajo es intentar reducir la cantidad de datos de entrada que son utilizados para aplicar el método CPS. A fin de resolver esta cuestión, se han utilizado datos del reanálisis ERA5 (1979-2018) para realizar un análisis comparativo entre el método original del CPS, que utiliza 13 niveles de geopotencial, y distintas configuraciones modificadas usando menor número de niveles de geopotencial. El análisis de sensibilidad realizado para detectar diferencias entre la frecuencia anual y mensual, la distribución espacial y la intensidad de medicanes muestra que las mejores configuraciones optimizadas son la configuración de cinco niveles y la de cuatro niveles que incluye el nivel de 600 hPa. Dada la menor cantidad de datos necesarios, es recomendable el uso de la configuración optimizada de cuatro niveles que incluye el nivel de 600 hPa. Este trabajo aporta una herramienta eficiente para poder detectar medicanes con el método CPS en simulaciones de alta resolución espacial ahorrando altos costes computacionales.