Uncertainties in convective precipitation: from satellite observations to modelling. Empirical values in the convection schemes of numerical models and precise quantification of the hydrological cycle with data from the GPM mission

Abstract

Las proyecciones climáticas para las próximas décadas sugieren una escalada del cambio climático. Esto conducirá a temperaturas más altas y cambios en los patrones de precipitación en todo el mundo que afectarán no solo al clima y al medio ambiente, sino que también representarán un riesgo para las vidas humanas. Si bien las temperaturas son fáciles de medir, los datos precisos de precipitación son difíciles de obtener debido a errores inherentes en los instrumentos, escasa cobertura espacial o el uso de observaciones indirectas, por ejemplo. Entre las fuentes de datos disponibles, las estimaciones de precipitación por satélite tienen la ventaja de proporcionar mediciones a escala mundial, aunque estos datos se obtienen indirectamente de sensores infrarrojos y/o de microondas pasivos a bordo de los satélites. Con el lanzamiento de la misión central del satélite GPM en 2014 por parte de la NASA y JAXA es posible una cuantificación más precisa del ciclo hidrológico. Sin embargo, los problemas aún persisten. En ese sentido, veremos que GPM IMERG presenta algunas carencias. Los análisis de una tormenta de nieve sin precedentes sobre Madrid (España) ilustran las fuentes de incertidumbre tanto en los algoritmos de estimación de la precipitación como en el procedimiento de medida y combinación de las diferentes fuentes. Medir la precipitación es difícil, pero predecir tampoco es una tarea fácil. Los modelos actuales muestran deficiencias para capturar la ubicación, la intensidad y la cantidad correctas de precipitación. Las partes del modelo responsables de la representación de la precipitación son la microfísica, los esquemas de capa límite planetaria y las parametrizaciones de la convección. Con el aumento de la potencia computacional, los modelos pueden aumentar su resolución espacial y pueden deshacerse de las para- metrizaciones de convección, ya que esos procesos pueden resolverse explícitamente. Sin embargo, las simulaciones centenarias del cambio climático global tienen un alto costo computacional y, por lo tanto, todavía necesitan utilizar este tipo de parametrización. El problema principal es que las principales fuentes de error en los modelos provienen de los esquemas de convección. Por lo tanto, la comunidad científica no debe dejar de lado las parametrizaciones de convección. Por el contrario, se necesita un ajuste preciso de los esquemas y más estudios de sensibilidad para lograr predicciones más precisas que conduzcan a pronósticos más confiables. Pero el ajuste debe hacerse con cuidado para evitar enmascarar problemas fundamentales dentro de la parametrización. Para ello, es importante profundizar en las diferentes parametrizaciones de convección para comprender la física detrás de estos procesos. Por lo tanto, uno de los objetivos principales de esta tesis es revisar exhaustivamente y resaltar los valores empíricos y las asunciones utilizadas en las parametrizaciones de convección en los modelos. Teniendo en cuenta el estado actual en la ciencia de la precipitación y el aumento esperado en el poder computacional en las próximas décadas, concluimos esta tesis con una perspectiva del futuro de la ciencia de la precipitación, comenzando con mediciones en tierra, pasando a técnicas de teledetección y finalizando con modelos y parametrizaciones.