Linkage between the North Atlantic atmospheric patterns and the long-term changes of winter precipitation in the Iberian Peninsula

Abstract

Las proyecciones climáticas más avanzadas indican, con alta confianza, un incremento de la frecuencia, persistencia y severidad de los periodos secos en el sur de Europa para finales del Siglo XXI. Esa intensificación de las sequías se explica por el descenso de la precipitación, y especialmente por el incremento de la temperatura y ratio de evapotranspiración. En lo que refiere a los cambios de precipitación, en términos absolutos, la mayor reducción es proyectada en invierno. La expansión del cinturón de altas presiones subtropical es proyectada junto al desplazamiento de las tormentas hacia el norte de Europa, donde se proyectan condiciones más húmedas a finales del Siglo XXI. Este patrón de cambios esperados en Europa parece estar siendo observado durante las últimas décadas. Focalizando en la Península Ibérica, una mayor frecuencia e intensidad de los periodos de sequía desde 1980 corrobora la tendencia proyectada por simulaciones. No obstante, esa señal parece ser no tan robusta cuando se revisan periodos más largos de la Era Instrumental. Paralelamente, las proyecciones de precipitaciones continúan mostrando alta incertidumbre entre modelos y simulaciones de cada uno de ellos. Surge por tanto la necesidad de comprender óptimamente la variabilidad climática observada en el largo plazo, así como en qué factores radica la incertidumbre de las proyecciones climáticas.

Bajo ese objetivo principal, esta tesis doctoral intenta aumentar el conocimiento sobre la variabilidad observada de la precipitación en Europa, fundamentalmente en la Península Ibérica, desde el origen de los registros disponibles. Conectando su comportamiento con la dinámica de los modos de variabilidad climática principales en la región, e.g., la Oscilación del Atlántico Norte (NAO). Para, entonces, evaluar si las proyecciones climáticas son capaces de interpretar toda la variabilidad climática que deriva en ciclos decadales y centenales de la precipitación.

Los resultados confirman un comportamiento ciertamente singular en numerosos indicadores climáticos desde 1980. En la Península Ibérica, amplias regiones registran un descenso drástico de las precipitaciones, que se propaga, incluso con más intensidad, en las series hidrológicas. Esta tendencia es conectada principalmente con la intensificación de NAO hacia fases positivas, que se resume en una mayor frecuencia de altas presiones sobre las Azores. Al menos en la Era Industrial, nuestros resultados evidencian su comportamiento anómalo desde 1980 en base a varios indicadores como su rol más predominante, explicando más varianza que en décadas anteriores; siendo más intenso, algo sin precedentes; y mostrando un patrón espacial con ciertas particularidades. Aunque otros factores parecen jugar un papel importante, nuestros hallazgos muestran con alta confianza que el descenso de la precipitación invernal es el desencadenante principal de la intensificación de las sequías desde 1980 en la mayor parte del territorio de la Península Ibérica, y probablemente, en otras regiones del Mediterráneo Occidental. Dado que las proyecciones climáticas prevén la persistencia de la intensificación de NAO+ (e.g., expansión de la Célula de Hadley, intensificación del cinturón subtropical), estas condiciones más secas podrían extenderse durante las próximas décadas, e incluso agravarse, constituyendo una amenaza ambiental clave para la disponibilidad de recursos hídricos. No obstante, la magnitud de los cambios esperados difiere considerablemente entre modelos capaces de reproducir long-term variaciones en la circulación de larga escala, y aquellos modelos, demasiado rígidos, que no pueden. Esto abre un horizonte muy ilusionante en el que mejorar la habilidad de las simulaciones capturando completamente la variabilidad natural observada del sistema climático es una prioridad. Jamás podremos conocer con exactitud que depara al clima a escala regional, y sus impactos a los seres vivos en esos territorios, si los modelos climáticos continúan expresando cualquier sesgo intrínseco al capturar indicadores tan fundamentales como las condiciones sinópticas en el Atlántico Norte.

The most advanced climate projections indicate, with high confidence, an increase in the frequency, persistence, and severity of dry periods in southern Europe by the end of the 21st century. This intensification of droughts is explained by a decrease in precipitation, and especially the rise temperatures and evapotranspiration rates. In terms of precipitation changes, the largest reduction is projected for winter. The expansion of the subtropical high-pressure belt is projected, along with the northward movement of storms into northern Europe, where wetter conditions are projected by the end of the 21st century. This pattern of expected changes in Europe appears to have been observed over the last few decades. Focusing on the Iberian Peninsula, a higher frequency and intensity of drought periods since 1980 corroborate the trend projected by simulations. However, this signal seems less robust when examining longer periods of the Instrumental Era. Additionally, precipitation projections continue to exhibit high uncertainty among models and their simulations. Therefore, there is a need to gain a comprehensive understanding of the long-term observed climatic variability, as well as the factors contributing to the uncertainty in climate projections.

With this primary objective in mind, this doctoral thesis aims to enhance knowledge about observed precipitation variability in Europe, primarily in the Iberian Peninsula, from the beginning of available records. It seeks to connect this behavior with the dynamics of the major climate variability modes in the region, such as the North Atlantic Oscillation (NAO). The goal is to evaluate whether climate projections can effectively interpret all the climatic variability that results in decadal and centennial precipitation cycles.

The results confirm a notably unique behavior in numerous climate indicators since 1980. In the Iberian Peninsula, extensive regions experience a significant decline in precipitation, which propagates, with even greater intensity, in hydrological series. This trend is primarily linked to the intensification of NAO into positive phases, resulting in a higher frequency of high-pressure systems over the Azores. At least during the Industrial Era, our results highlight its anomalous behavior since the 1980s based on several indicators, such as its more dominant role, explaining more variance than in previous decades, being more intense, something unprecedented, and showing a spatial pattern with certain particularities. Although other factors appear to play a significant role, our findings show with high confidence that the decrease in winter precipitation is the primary trigger for the intensification of droughts since 1980 in most of the territory of the Iberian Peninsula, and likely in other regions of the Western Mediterranean. Given that climate projections anticipate the persistence of NAO+ intensification (e.g., expansion of the Hadley Cell, intensification of the subtropical belt), these drier conditions could extend over the next decades, and even worsen, constituting a key environmental threat to water resource availability. However, the magnitude of the expected changes differs considerably between models capable of reproducing long-term variations in large-scale circulation and those models that are too rigid. This opens up an exciting horizon in which improving the ability of simulations to capture fully the observed natural variability of the climatic system is a priority. We will never be able to accurately predict what the climate holds at a regional scale, and its impacts on living beings in those territories, if climate models continue to exhibit inherent biases in capturing such fundamental indicators as synoptic conditions in the North Atlantic.