A medida que el cambio climático altera nuestras condiciones meteorológicas, los modelos climáticos precisos son fundamentales para que continentes como Europa se preparen ante fenómenos meteorológicos extremos.
Modelos nuevos, más detallados y precisos podrían ayudar a los países a desarrollar resiliencia y a planificar eventos futuros.
Los científicos prevén que la frecuencia y la intensidad de las tormentas convectivas cambiarán a medida que el clima se caliente. Y comprender estos cambios es crucial para garantizar la resiliencia de las infraestructuras críticas ante fenómenos meteorológicos extremos.
No obstante, las proyecciones precisas del tiempo convectivo requieren “alta resolución” modelos climáticos. Sin embargo, los servicios climáticos suelen carecer de datos tan detallados y se basan en los resultados gruesos de los modelos climáticos disponibles.
Como resultado, la planificación de la adaptación –por ejemplo, en materia de gestión de inundaciones urbanas, daños por granizo en paneles solares y cultivos, e impacto de los rayos en las redes eléctricas– se basa a menudo en supuestos rudimentarios.
Afortunadamente, una nueva generación de modelos climáticos –conocidos como “modelos que permiten la convección” (CPM, por sus siglas en inglés)– supone un cambio notable en nuestra capacidad para proyectar cambios en los fenómenos meteorológicos extremos de alto impacto.
En un par de nuevos artículos, publicados en Climate Dynamics, demostramos cómo los avances recientes en el uso de los CPM están produciendo un cambio notable en la información disponible para la evaluación de riesgos del cambio climático en Europa.
Modelos de alta resolución
Para simular el clima de la Tierra, un modelo divide la superficie terrestre y la atmósfera que la recubre en una enorme cuadrícula. A continuación, el modelo calcula las variables climáticas, como la temperatura, la humedad y la precipitación, para cada celda de la cuadrícula.
Los modelos globales suelen tener un espaciado de cuadrícula del orden de 10-100 km. Los modeladores deben encontrar un equilibrio entre el mayor detalle de las celdas más pequeñas y la mayor potencia de cálculo que requieren los modelos de mayor resolución para ejecutarse.
Los «modelos que permiten la convección» (CPM) son modelos del clima terrestre de muy alta resolución que tienen un espaciado de cuadrícula inferior a 5 km. Los CPM representan mejor los procesos de pequeña escala en la atmósfera. Como su nombre indica, esto incluye la convección, un proceso clave en muchos fenómenos meteorológicos extremos dañinos. (Puede leer más sobre la convección y los CPM en el artículo previo de la Dra. Lizzie Kendon publicado en Carbon Brief artículo de colaboración invitada.)
Esta mayor precisión se ilustra en los mapas siguientes. Muestran la región de Londres cubierta por una celda de cuadrícula de 12 km, que representa un modelo climático regional típico (izquierda), en comparación con una celda de cuadrícula de 2,2 km, como la que se utiliza en los CPM (derecha).
Los CPM se utilizan ampliamente en la predicción meteorológica, pero el aumento de la potencia de supercomputación hace que sean cada vez más asequibles para proyecciones climáticas a largo plazo, como los proyectos proyecciones climáticas del Reino Unido (UKCP) y el sistema europeo de predicción climática (EUCP).
UKCP y EUCP proporcionan simulaciones climáticas de alta resolución, para el Reino Unido y Europa respectivamente, para las próximas décadas, que pueden utilizarse para la planificación basada en el riesgo.
Por ejemplo, las inundaciones repentinas –causadas principalmente por lluvias intensas en escalas de tiempo subdiarias– tienen probabilidades de volverse más frecuentes en Europa en el futuro. Las ciudades presentan una vulnerabilidad especialmente alta, con riesgos de inundaciones urbanas y un número de personas expuestas que se prevé que aumente.
Los CPM proporcionan, por primera vez, proyecciones sólidas de cambios futuros en los extremos de precipitación de corta duración. Nuestra investigación muestra que la lluvia horaria en verano se está intensificando más de lo que se pensaba anteriormente y ha mostrado cambios significativos en la frecuencia de superación de los umbrales clave de alerta de inundación.
Los CPM también indican que los modelos climáticos tradicionales podrían subestimar los cambios medios de precipitación en invierno, cuando los chubascos convectivos invernales son un factor clave.
Gracias a su representación más detallada de los procesos, los CPM logran imitar de cerca los procesos físicos clave de las tormentas convectivas severas. Esto incluye la representación de las corrientes de aire dentro de las tormentas –conocidas como corrientes ascendentes y descendentes– y una mejor representación del granizo, el granizo blando (“graupel”) y los rayos.
La simulación precisa de los procesos basados en hielo es importante para representar correctamente las cargas eléctricas dentro de las tormentas. Por ejemplo, estudios recientes sugieren que incluir estos procesos puede dar lugar a proyecciones de cambios en los rayos de signo opuesto al observado en trabajos anteriores.
Los CPM también aportan nueva información sobre los cambios futuros en los fenómenos extremos de viento y “sting-jets”. Los sting-jets son núcleos de velocidades de viento muy altas que se encuentran en algunos ciclones y requieren modelos de alta resolución para representarse adecuadamente. Son responsables de algunas de las más dañinas rachas de viento en superficie, como la Gran Tormenta de 1987 del Reino Unido.
Comprender la incertidumbre en torno a las proyecciones de CPM
Gran parte de lo que hemos aprendido de las proyecciones de CPM hasta la fecha se ha basado en simulaciones de un único CPM para una región determinada. Pero, al ejecutar varios CPM distintos para la misma región –cada uno desarrollado por un centro de modelización climática diferente–, podemos comprobar la solidez de nuestros resultados y conocer mejor la incertidumbre de los futuros fenómenos meteorológicos de alto impacto.
Un nuevo conjunto de proyecciones de CPM multimodelo para Europa nos permite evaluar esta incertidumbre por primera vez y ofrece un primer vistazo a una nueva generación de proyecciones climáticas que se utilizarán en la evaluación de riesgos.
Estas nuevas proyecciones son el resultado de un esfuerzo conjunto entre dos proyectos: EUCP, mencionado anteriormente, y el CORDEX-FPSCONV, que es el “Estudio piloto emblemático sobre fenómenos convectivos en Europa y el Mediterráneo”, dentro del marco del “Experimento Coordinado de Reducción de Escala Climática Regional”.
El equipo conjunto, formado por 22 grupos de modelización climática distintos, ejecutó diferentes modelos de CPM para una única región común sobre los Alpes, que también abarca parte del mar Mediterráneo y algunas regiones terrestres adyacentes que a menudo se ven afectadas por precipitaciones extremas de corta duración. Estos extremos pueden dar lugar a inundaciones devastadoras, especialmente cuando se producen en cuencas fluviales pequeñas y empinadas, típicas de la zona.
Esta región se caracteriza por una geografía muy compleja, que incluye un mar casi cerrado rodeado de litorales urbanizados y sistemas montañosos complejos. Esto la hace especialmente difícil de representar en modelos climáticos de escala más gruesa y constituye un buen caso de prueba para los CPM.
Estudio de caso alpino
La primera parte del estudio evaluó el grado de realismo con que los CPM multimodelo representan el clima de la región alpina en la actualidad.
Estudios previos con modelos individuales ya han demostrado las notables mejoras que los CPM ofrecen en la representación de la precipitación, en particular en lo relativo a su momento de aparición y la intensidad de los extremos.
Nuestro estudio multimodelo ha confirmado que muchas de estas mejoras son coherentes entre los distintos CPM, lo que nos da confianza en los resultados. En particular, los CPM representan de forma sistemática mejor la aparición de precipitaciones y la intensidad de los eventos extremos de alto impacto, lo que resuelve problemas de larga data de los modelos de resolución gruesa.
Los mapas siguientes muestran cómo los CPM a escala de 3 km captan claramente la intensidad de las lluvias torrenciales de verano, mucho mejor que los modelos de la generación anterior (12 km).
Sobre la región alpina, la convección suele producir precipitaciones a última hora de la tarde, y esta sincronización diaria de las lluvias también se capta mejor de forma sistemática.
La segunda parte analiza los cambios en las precipitaciones en el escenario de emisiones muy altas RCP8.5 para 12 simulaciones hasta finales de siglo. Esto muestra de forma coherente que los futuros aumentos de la intensidad de los chubascos en verano y otoño se intensifican cuando utilizamos un CPM.
Además, al observar la dispersión de los resultados entre los modelos, vemos una mayor certidumbre en comparación con los modelos equivalentes de resolución más gruesa. Esta menor dispersión de resultados –junto con la mayor confianza en que los modelos representan los procesos de pequeña escala con más precisión– ofrece la esperanza de que los CPM puedan ayudar a reducir la incertidumbre en torno a las futuras proyecciones de precipitación.
En EUCP, estamos empezando a utilizar las nuevas proyecciones de CPM multimodelo para ofrecer mejor información sobre el cambio climático en algunos ámbitos de impacto clave.
En los Alpes europeos, las inundaciones repentinas destructivas están impulsadas principalmente por tormentas locales intensas de corta duración. Al combinar los datos de alta resolución espacial y temporal de los CPM con modelos hidrológicos de resolución kilométrica, podemos empezar a evaluar los cambios futuros en estos eventos.
Los primeros resultados, que analizan cuencas fluviales de los Alpes y utilizan inicialmente datos de un único CPM, sugieren que estas inundaciones repentinas aumentarían en frecuencia y magnitud en el escenario de emisiones altas en comparación con la situación actual. Las proyecciones de conjunto de CPM nos permiten ahora comprobar la solidez de ese resultado y ofrecen una estimación inicial de la incertidumbre de los cambios futuros en las inundaciones repentinas.
Próximos pasos
A través de EUCP, pronto estarán disponibles pequeños conjuntos multimodelo de proyecciones de CPM para gran parte de la Europa continental. Esto generará nuevas oportunidades para explorar los futuros fenómenos meteorológicos extremos, sus impactos y su incertidumbre en otras regiones de Europa.
En el caso del Reino Unido, esto se complementa con las Proyecciones Climáticas del Reino Unido, que incluyen una colección de 12 simulaciones de modelos con una resolución de 2,2 km a partir de un único CPM, impulsadas por diferentes versiones del modelo climático global del Met Office Hadley Centre.
Las proyecciones multimodelo de EUCP ofrecen una gran cantidad de información a una escala sin precedentes para comprender la incertidumbre en los cambios futuros de los fenómenos meteorológicos de alto impacto.
Las inundaciones repentinas son solo una de varias áreas de impacto en las que la nueva información de los CPM resultará muy valiosa. También cabe esperar nuevos conocimientos sobre sequías y olas de calor gracias a la representación más detallada de la superficie terrestre y la humedad del suelo. Otras áreas importantes incluyen los impactos del cambio climático en la generación de electricidad –como la energía eólica para las renovables– y en el transporte de electricidad –incluidos los impactos del granizo y los rayos en las infraestructuras eléctricas– y en el calor urbano y la salud humana.
Sin embargo, la nueva información también plantea algunos nuevos desafíos científicos. Los CPM todavía requieren una capacidad de cálculo excesiva para permitirnos ejecutar conjuntos lo bastante grandes como para representar completamente la incertidumbre en todas las partes de Europa.
En la mayoría de las regiones de Europa, los conjuntos no pueden ser tan grandes como en los Alpes, y serán necesarios nuevos desarrollos para aprovechar plenamente los datos disponibles de un número limitado de simulaciones de CPM y sintetizarlos con la información de conjuntos mayores de modelos climáticos de resolución más gruesa.
Afortunadamente, algunos grupos de modelización ya están explorando técnicas híbridas que combinan la modelización con CPM y enfoques estadísticos –como el aprendizaje automático– para ofrecer una imagen más completa de la incertidumbre de las proyecciones.
