Sensitivity experiments with regional climate models: forcings and spin-up time

Abstract

El objetivo principal de esta tesis es estudiar la sensibilidad del modelo climático regional, WRF, al tiempo de spin-up, a los forzamientos radiativos debido a la concentración de gases de efecto invernadero y a los procesos de interacción de aerosoles. Los objetivos específicos son: • Estudiar la importancia de incluir la variación de la concentración atmosférica de gases de efecto invernadero en los modelos climáticos regionales como un forzamiento externo. • Determinar un tiempo de relajación o spin-up óptimo para nuestras simulaciones regionales. Es decir, el tiempo que necesita el modelo para que las variables atmosféricas y de suelo alcancen un equilibrio físico. • Cuantificar la sensibilidad de la inclusión de la simulación dinámica de aerosoles y su interacción directa e indirecta con la radiación. • Generar una gran base de datos de simulaciones regionales a alta resolución (~50 km) con el dominio de Euro-CORDEX. En el Capítulo 2 se muestra que las tendencias de temperatura se ven significativamente afectadas por 1-2K siglo-1. Teniendo en cuenta el calentamiento global de 1.5ºC sería un impacto no despreciable de hasta 1K de la temperatura a 2 metros en las proyecciones futuras. Las temperaturas máximas y mínimas también se ven afectadas de manera similar. Incluso, en algunos casos, estas diferencias se duplican. Es necesario reconsiderar cuidadosamente las configuraciones de los RCM con respecto a la inclusión de la evolución de las concentraciones de los gases de efecto invernadero como un forzamiento externo. Además, debe de estar claramente documentado en la literatura para poder reproducir y mejorar la confianza en las investigaciones publicadas. En el Capítulo 3 basamos nuestro análisis en simulaciones con WRF sobre un dominio de Euro-CORDEX y descubrimos que la duración óptima es de aproximadamente 6 meses. Es importante comenzar las simulaciones en una fecha alejada del invierno, ya que garantiza una representación más realista de la capa de nieve. Las variables del suelo requieren períodos de spin-up más largos que las atmosféricas. Esta falta de equilibrio puede descuidarse a menos que el objetivo del estudio tenga que ver con la retroalimentación de la atmósfera y el suelo profundo. Los resultados del Capítulo 4 muestran que el promedio de precipitación no varía demasiado aunque sí que ocurre una redistribución espacial al introducir las interacciones ACI y ARI. En Centroeuropa encontramos una disminución de la precipitación y en el Mediterráneo Oriental un aumento. La introducción de estas interacciones mejora las estimaciones de nuestro modelo en ERA5 con respecto a la sobre estimación existente en el escenario BASE. Esta disminución de la precipitación en Europa Central parece que coincide cuando hay eventos de PMratio con gran intensidad y con gran tamaño. Estudiando diferentes regímenes de lluvia y diferentes zonas, se encuentra que los aerosoles contribuyen de forma positiva o negativa a la precipitación dependiendo del lugar y de la intensidad de la precipitación. En la zona del norte, centro y este de Europa, reducen la precipitación en nuestros experimentos pero para el Mediterráneo, la precipitación aumenta. En esta tesis se presentan varios estudios de sensibilidad en simulación del clima regional con modelos climáticos regionales. El valor de esta tesis, además del análisis de los distintos procesos físicos involucrados, viene dado por las distintas recomendaciones que se pueden dar a otros investigadores que vayan a realizar experimentos climáticos de este tipo. Ya que se ha cuantificado la importancia que distintos elementos en el diseño de los experimentos pueda tener sobre la incertidumbre asociada a la generación de climas a nivel regional, así como la importancia de documentar ciertos detalles de las simulaciones que se realicen.

The main objective of the thesis is to study the sensitivity of the regional climate model, WRF, at the time of spin-up, to radiative forcing due to the concentration of greenhouse gases and the interaction processes of aerosols. There are also specific objectives that can be summarized as follows: • Study the importance of including the variation in the atmospheric concentration of greenhouse gases in regional climate models as an external forcing. • Determine an optimal relaxation time or spin-up for our regional simulations. That is, the time the model needs for the atmospheric and soil variables to reach a physical balance. • Quantify the sensitivity of the inclusion of dynamic simulation of aerosols and their direct and indirect interaction with radiation. • Generate a large database of high-resolution regional simulations (~50 km) with the Euro-CORDEX domain. These simulations are published. The results of Chapter 2 show that temperature trends are significantly affected by 1-2K century$^{-1}$. Taking into account global warming of 1.5ºC would be a non-negligible impact of up to 1K of the temperature at 2 meters in future projections. Maximum and minimum temperatures are also affected in a similar way. Even, in some cases, these differences double. It is necessary to carefully reconsider the configurations of the RCMs regarding the inclusion of the evolution of greenhouse gas concentrations as an external forcing. In addition, it must be clearly documented in the literature in order to reproduce and improve confidence in published research. In Chapter 3, we base our analysis on simulations with WRF on a Euro-CORDEX domain and discover that the optimal duration is approximately 6 months. It is important to start the simulations on a date away from winter, as it guarantees a more realistic representation of the snow cover. Soil variables require longer spin-up periods than atmospheric variables. This lack of balance can be neglected unless the objective of the study has to do with feedback from the atmosphere and deep soil. The results of Chapter 4 show that the average precipitation does not vary much although a spatial redistribution occurs when introducing the ACI and ARI interactions. Mainly, in Central Europe we find a decrease in precipitation and in the Eastern Mediterranean an increase. The introduction of these interactions improves our model estimates in ERA5 with respect to the over estimate existing in the BASE scenario. This decrease in precipitation in Central Europe seems to coincide when there are PMratio events with great intensity and large size. Studying different rainfall regimes and different zones, it is found that aerosols contribute positively or negatively to precipitation depending on the place and intensity of precipitation. In the Northern, Central and Eastern parts of Europe, they reduce precipitation in our experiments but for the Mediterranean, precipitation increases. This is because in this last zone, it is the PM10 that has the greatest influence and is what is used as condensation nuclei in the ACI+ARI experiment unlike the other two experiments where these condensation nuclei are prescribed. In this thesis several sensitivity studies are presented in simulation of the regional climate with regional climate models. The value of this thesis, in addition to the analysis of the different physical processes involved, is given by the different recommendations that can be given to other researchers who are going to carry out climatic experiments of this type. Since the importance that different elements in the design of the experiments may have on the uncertainty associated with the generation of climates at the regional level has been quantified, as well as the importance of documenting certain details of the simulations that are carried out.