Convective precipitation in the subtropical Andes of Central Chile: physical mechanisms and climate change projections

Abstract

Los eventos de precipitación de verano representan menos que el 10% de la precipitación anual en los Andes sub-tropicales (30-35°S); sin embargo, sus condiciones cálidas pueden generar crecidas y aluviones debido a lo elevado del nivel de congelamiento. Comprender eventos históricos es crucial para evaluar condiciones futras más cálidas, sin embargo, la falta de registros largos confiables en altura, representa un desafío significativo, requiriendo el uso e interpretación de diversos productos meteorológicos y simulaciones numéricas; pese a esto, debido al alto costo computacional de modelos que resuelven explícitamente la convección (CPCM), una representación confiable de estos eventos en topografía compleja es un problema abierto en la comunidad científica. La hipótesis de esta tesis, es que bajo condiciones de cambio climático, las precipitaciones de verano incrementarán en magnitud en los Andes sub-tropicales. Con el fin de estudiar posibles mecanismos asociados a esta hipótesis, seguí un enfoque de tres pasos desde Chile continental, hasta los Andes subtropicales: i) Calculé tendencias observadas en eventos de precipitación máxima diaria estacional (Rx1day estacional, Capítulo 2) y sus procesos asociados; ii) Exploré cambios de precipitación estacional y Rx1day estacional simulada por modelos de circulación global (GCMs) y regional (RCMs) durante condiciones de verano, así como aspectos termodinámicos, e índices de inestabilidad con el fin de identificar relaciones entre inestabilidad seca y húmeda, y las proyecciones de precipitación en los Andes entre 15 y 35◦S, (Capítulo 3). iii) Finalmente, evalué simulaciones CPCM para dos eventos de precipitación de verano (∼ 4km) en el modelo Advanced Research Weather and Forecasting model (WRF) testeando diferentes esquemas y realizando un análisis de sensibilidad ante condiciones de temperatura superficial del mar más cálidas (ΔSST, Capítulo 4). Los resultados muestran tendencias positivas de eventos Rx1day estacional durante el verano y oto˜no austral, potencialmente explicados por un incremento en flujos de humedad hacia la costa norte de Chile, incremento de energía potencial convectiva disponible en los Andes, y fuertes gradientes de SST y circulación, como resultado de la intensificación del anticiclón sur-este del Pacífico sub-tropical. Las proyecciones de cambio climático de los modelos CMIP5 y RCMs sugieren una intensificación de precipitación extrema durante las temporadas cálidas, asociadas a mayor inestabilidad y humedad. Las simulaciones CPCM revelan una alta sensibilidad en la producción de precipitación y sus áreas de afectación a la capa límite planetaria, microfísica de nubes y modelo superficial del suelo. El experimento ΔSST, testeado en un evento de río atmosférico, revela cambios heterogéneos, pero sobre todo, una expansión hacia el norte de las precipitaciones. Estos resultados contribuyen a la comunidad relacionada al análisis de riesgos hidroclimáticos en la zona de estudio.

Summer precipitation events represent less than 10% of annual rainfall in the sub-Tropical Andes (30-35◦S); however, their warm conditions may generate flooding and landslides due to high freezing levels. Understanding historical events is crucial to evaluating future warmer conditions. Still, the lack of reliable long-term observations in higher elevations represents a significant challenge requiring the use and interpretation of diverse meteorological products and numerical weather simulations; however, due to the high computational cost of convection-permitting climate models (CPCM), a reliable simulation of those systems in complex topography is still an open problem in the scientific community. This thesis hypothesizes that under climate change conditions, summer precipitation events will be enhanced in the sub-tropical Andes under warmer conditions. To elucidate the mechanisms associated with this hypothesis, I followed a three steps approach from Continental Chile to the sub-tropical Andes: i) I compute observed trends and associated mechanisms during maximum daily seasonal precipitation events (seasonal Rx1day, Chapter 2); ii) I explore seasonal precipitation and seasonal Rx1day projections in global circulation models (GCMs) and regional climate models (RCMs) during summer conditions, as well as thermodynamics, circulation, and instability indexes to identify relationships between dry and wet instability and projected trends in the Andes between 15 and 35◦S, Chapter 3). iii) Finally, I evaluate CPCM simulations for two summer precipitation events (∼ 4km) in the Advanced Research Weather and Forecasting model (WRF), testing different schemes and performing a sensitivity analysis under warmer sea surface temperature conditions(∆ SST, Chapter 4). The results show wetter and warming trends during seasonal Rx1day events during the austral summer (∼35◦S) and fall (∼30◦S), potentially due to increased moisture inflows to the North-Pacific coast of Chile, enhanced CAPE in the Andes, and strong SST and circulation gradients resulting from the intensification of the southeastern subtropical Pacific Anticyclone. Climate change projections of CMIP5 and RCMs models suggest an intensification of extreme precipitation during warm seasons linked to higher instability and wetter conditions. The CPCM simulations indicate a high sensitivity of planetary boundary layer, microphysics, and land surface schemes regarding total precipitation and the areas affected. The ∆SST experiment, tested in an atmospheric river event, reveals heterogeneous changes but, most importantly, a northward expansion of the studied event under warmer conditions. The results contribute to the hydrometeorological community regarding risk analysis, confirming an increase in the magnitude of flooding, which may raise the potential for landslides at higher rates than those simulated by regional and global models.