Impacto de mejoras en el modelo de suelo en la simulación de la variabilidad y el cambio climático

El suelo es un componente fundamental de la Tierra y su sistema climático, ya que muchos procesos de variabilidad natural en el sistema climático, que afectan al medio ambiente y la sociedad humana, se ruigen por lo que ocurre en la superficie terrestre. Por lo tanto, una buena representación de los estados térmicos e hidrológicos de la superficie terrestre en los modelos climáticos es importante para tener una simulación realista del acoplamiento entre la atmósfera y la lito-biosfera. Un factor que influye en la mejora del realismo de la energía del suelo y el equilibrio hídrico en los modelos climáticos es la profundidad de la posición de la condición de contorno del fondo (BBCP) de la tierra. Los estudios anteriores sugieren que la simulación de la termodinámica del subsuelo en los modelos climáticos de la generación actual no es precisa debido a que el BBCP de flujo de calor cero se impone demasiado cerca de la superficie. Una componente terrestre insuficientemente profunda en los modelos climáticos compromete la simulación del estado térmico terrestre y puede influir en las interacciones tierra-atmósfera. Otras mejoras en los LSM se relacionan con la representación y la sensibilidad de los procesos de acoplamiento entre los regímenes hidrológico y termodinámico del suelo. Dado que la humedad es uno de los principales impulsores de las interacciones climáticas cercanas a la superficie, el acoplamiento hidro-termodinámico es crucial para estudiar los impactos de las perturbaciones causadas por la actividad humana. En condiciones de cambio climático, algunos hábitats y ecosistemas son más vulnerables que otros en un mundo que se calienta rápidamente en un contexto de vertiginoso cambio global. Las regiones árticas, por ejemplo, experimentan un aumento de temperatura tres veces mayor que el resto del planeta, lo que las hace más susceptibles al cambio climático. Por lo tanto, se precisa una simulación termodinámica e hidrodinámica más realista de los procesos de la superficie terrestre para evaluar con mayor precisión los cambios forzados antropogénicamente en regiones sensibles al calentamiento. El objetivo general de esta tesis es proporcionar una comprensión más profunda de la hidrotermodinámica de los procesos de la superficie terrestre que se puede utilizar para mejorar los modelos climáticos de la generación actual. Este se divide en varios objetivos específicos.

El primer objetivo es proporcionar un marco analítico preciso con que obtener la profundidad de BBCP requerida en diferentes casos para los modelos climáticos de la generación actual. Por ello, esta tesis pretende cerrar la brecha entre las estimaciones analíticas y basadas en simulación del estado termodinámico del suelo, adaptando el marco analítico clásico con el fin de imitar el calentamiento de la superficie del siglo XXI proyectado por un modelo de superficie terrestre con un aumento progresivo de la profundidad. Se puede establecer un acuerdo entre los marcos analítico y basado en simulación por primera vez cuando se adapta el enfoque analítico clásico para imitar la señal de temperatura de superficie simulada. Los resultados son relevantes para la comunidad de modelos climáticos, al promover una representación más realista del almacenamiento e intercambio de calor del suelo, y permiten una estimación refinada de la profundidad de BBCP requerida para simulaciones de cambio climático con modelos del sistema terrestre.
Como segundo objetivo, la tesis pretende evaluar la sensibilidad de JSBACH a los cambios en la profundidad del BBCP e investigar su influencia en la energía terrestre simulada y el estado térmico del subsuelo en simulaciones de cambio climático. El impacto de desplazar en profundidad la condición de contorno inferior en las temperaturas cerca de la superficie está en el rango de 0.5 a 1.5 K en la mayoría de las áreas terrestres, y los cambios más grandes ocurren en latitudes altas del hemisferio norte. Los resultados muestran impactos significativos en el régimen térmico del suelo, con efecto del aumento de la profundidad de BBCP en el almacenamiento de energía terrestre.
Además, la tesis tiene como objetivo poner a prueba la sensibilidad de las simulaciones con el LSM aislado al modificar los procesos de acoplamiento hidro-termodinámico del suelo y las características de las propiedades del suelo hidro-lógicamente relevantes. La implementación de cambios de fase del agua y agua sobreenfriada en el suelo crea un acoplamiento entre los regímenes térmico e hidrológico del suelo a través del intercambio de calor latente. Se pueden encontrar efectos transitorios en escalas regionales sobre las temperaturas cercanas a la superficie. La sensibilidad del modelo al espacio de humedad del suelo es baja, pero muestra importantes implicaciones para el contenido de humedad del suelo en la zona de las raíces. La evolución del permafrost bajo condiciones preindustriales de forzamiento evoluciona en estados estables que difieren en 4–6·106 km2 y muestra grandes diferencias en la extensión espacial de 105–106 km2 hasta el año 2100, dependiendo de la configuración del modelo.
El objetivo final de esta tesis es ampliar el conocimiento sobre la sensibilidad termodinámica del suelo al aumento de profundidad de BBCP en simulaciones de Earth System Model (ESM) totalmente acopladas. Esto permite separar los cambios simulados en la superficie terrestre generados por las modificaciones implementadas derivadas del análisis de los mecanismos de acoplamiento tierra-atmósfera y eventuales retroalimentaciones tierra-clima. Una fuente de retroalimentación climática pasiva actúa como un amortiguador que equilibra las variaciones de temperatura en la superficie de la tierra al reducir la variabilidad y la magnitud de la respuesta al forzamiento externo cercana a la superficie. La retroalimentación activa indica una redistribución de energía en los subsistemas climáticos, inducida por el aumento de la capacidad del almacenamiento de energía terrestre del modelo profundo, pasando por alto las condiciones atmosféricas cercanas a la superficie. Esto se traduce en un estado en superficie sin cambios en el modelo profundo. El subsuelo en sí, sin embargo, muestra cambios significativos en condiciones climáticas transitorias, que pueden volverse importantes en modelos climáticos con una representación hidro-termodinámica más realista de los procesos físicos en la parte de la columna del suelo que alberga agua, así como para el impacto climático (por ejemplo, estudios agrícolas).

The analysis in this thesis is of great interest and relevance for the climate modelling community, promoting deeper BBCPs, providing confident and accurate estimates for BBCP-depth requirements, and demonstrating the need for a more realistic representation of the land hydro-thermodynamic state and exchange. The model uncertainty to different model configurations and soil parameter datasets educates about driving physical processes that influence the land surface climate and relates to about 158 % (57 %) of the global carbon emission corresponding to the 1.5°C (2°C) warming target, which highlights the relevance of the processes investigated in this thesis. This is specifically relevant for the consideration of potential tipping elements and climate-change related vulnerable regions in the areas highlighted in the thesis. More confidence in the simulation of the corresponding land surface process provided by this thesis will aid the assessment of possible near-future climate trajectories.