Assessment of reanalysis driven RCM simulations to reproduce the link between teleconnection indices and wet and dry conditions in Mexico

Hernandez-Garcia, Abraham (2024). Assessment of reanalysis driven RCM simulations to reproduce the link between teleconnection indices and wet and dry conditions in Mexico. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The social, economic, and environmental effects associated with extreme precipitation events are significant, driving the development of research on topics such as adaptation, mitigation, vulnerability, and climate change. The implications have been so substantial that the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) and the World Meteorological Organization (WMO) have issued reports that compile both scientific advancements and the losses related to hydrometeorological phenomena. Consequently, there are numerous studies that not only address the mechanisms associated with extremes but also those related to changes in global hydroclimatic patterns. These studies employ numerical tools such as Global and Regional Climate Models (GCM and RCM respectively), which enable the analysis of historical simulations to make projections of atmospheric behavior and inform decisionmaking. One of the mechanisms associated with changes in global precipitation patterns is the oscillation of Sea Surface Temperature (SST) anomalies. An anomaly refers to the difference between the climatological average of Sea Surface Temperature and the observed value at a specific point in time. Numerous studies have shown that this anomaly oscillates over different temporal scales and exerts various influences on global precipitation patterns, including droughts, hurricane cyclogenesis, changes in the width of the tropical belt, and extreme precipitation events, among others. For this reason, these anomalies are classified as Teleconnection Indices (TIs). Understanding precipitation patterns through Regional Climate Models (RCMs) and their link to TIs is essential for improving predictions of such phenomena. The Expert Team on Climate Change Detection and Indices (ETCCDI) has developed a set of Climate Extreme Indices (CEI) to characterize extremes in both precipitation intensity and the duration of wet and dry conditions. In addition, the Standardized Precipitation Index (SPI), endorsed by the WMO and adopted by several countries, has been widely used to quantify moisture conditions, allowing for the assessment of both extreme wetness and drought based on standardized numerical thresholds. In Mexico, research has demonstrated that Teleconnection Indices (TIs), such as the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the Pacific Decadal Oscillation (PDO), are associated with droughts, extreme precipitation, and increased moisture contrasts between the northern and southern regions. These relationships are captured by various precipitation indices, including the Climate Extreme Indices (CEI) and the Standardized Precipitation Index (SPI).

This study aims to evaluate the ability of RCM simulations, forced with ERA-Interim data, to reproduce the spatial patterns of the temporal correlation between TI (ENSO and PDO) and SPI and CEIs over Mexico, using four RCM simulations for the period 1980 to 2012. To achieve this objective, (1) a climatological evaluation was conducted for both the precipitation from the simulations and the forcing data, as well as the SST from ERA-Interim, during the aforementioned period, (2) the spatial pattern of the temporal correlation between the TI and the SPI and CEIs calculated with ERA-Interim and the simulations were compared with observations.

The first part of this thesis examines the ability of ERA-Interim and the RCM simulations to emulate the spatial pattern of the temporal correlation between the TI and SPI. This was carried out by (1) evaluating the spatial and temporal representation of the SST using ERA-Interim and the climatological annual cycle of monthly accumulated precipitation from the simulations; (2) assessing whether ERA-Interim accurately represents the TI, and whether both the RCM simulations and ERA-Interim successfully reproduce the SPI24 and SPI60 patterns; and (3) studying the representation, of the spatial pattern of the temporal correlation between the TI and SPI24 and SPI60. The results indicate that ERA-Interim efficiently reproduces the characteristics of the SST and TI. Despite some overestimations present in both the simulations and ERA-Interim, the characteristics of precipitation are successfully reproduced. However, the calculation of SPI24 and SPI60 is underestimated both temporally and spatially. Finally, the spatial pattern of the correlation between ENSO and PDO with SPI24 and SPI60 displays the contrast between northern and southern Mexico. However, this pattern shows an underestimation in spatial variability.

The second part of this thesis assessed the RCM ability to replicate the correlation pattern between ENSO and the CEIs. The CEIs used in this study are Counting of Dry Days (CDD), Counting of Wet Days (CWD), maximum precipitation in one day (Rx1) and maximum precipitation in five consecutive days (Rx5). To achieve this objective, (1) an evaluation of the temporal characteristics of the monthly accumulated precipitation was conducted throughout the entire study period, as well as the temporal representation and phases of ENSO with SST from ERA-Interim; (2) the study evaluated the RCM simulations capacity to represent the spatial features of the CEI used; and (3) it analyzed whether the RCM simulations and ERAInterim reproduce the spatial pattern of the temporal correlation between ENSO and the four CEIs. The results of this section show that ENSO and its phases are reproduced by ERAInterim. The spatial representation of the CEIs, by both ERA-Interim and the simulations, shows overestimations in spatial variability and magnitude. However, it successfully represents the main spatial features observed. The simulations from Canadian Regional Climate Model version 5 (CRCM5) better represent the spatial pattern of the temporal correlation for certain indices (CWD and Rx5). However, the RCA4 simulation shows better representation for the correlation with the CDD index. Finally, in the seasonal representation of the correlation, the simulations from CRCM5 perform better in summer for the CDD and CWD indices.

In the final part of this thesis, the ability to represent the characteristics of the spatial correlation pattern between the PDO and the aforementioned CEIs was evaluated. Therefore, (1) ERAInterim dataset was evaluated to represent the temporal pattern of the PDO during the period considered in this thesis; (2) the representation of the climatological characteristics of the monthly precipitation and the seasonal representation of the CEI with ERA-Interim data and the simulations were studied; and (3) the spatial correlation pattern between the PDO and the CEIs was analyzed. The results for this part of the thesis show that ERA-Interim is capable of reproducing the main characteristics and phases in the temporal pattern of the PDO. For all datasets an overestimation was observed in the representation of the monthly precipitation, which is mostly attributed to the spring and summer seasons. The simulations from CRCM5 show a better fit in representing the CEI seasonally in the CWD, Rx1, and Rx5 indices, while RCA4 performs better for CDD. However, each simulation provides important information for each season, each index, and each region within Mexico. For the entire period (1980 - 2012), the spatial pattern of the temporal correlation does not show a defined pattern. Nevertheless, in the seasonal analysis, the correlation pattern shows that in spring, ERA-Interim and the RCM simulations capture the main spatial gradient described by observations. In winter, ERAInterim presents an overestimation; however, both ERA-Interim and RCM simulations manage to identify the spatial features of the correlation.

Overall, it was observed that both the ERA-Interim data and RCM simulations capture the main climatologically pattern of the temporal correlation. However, it should be noted that these datasets could provide better information depending on the season and the region considered within Mexico and within the specific time frame and TI. Therefore, due to this uncertainties the valuation most continue for different RCM and different GCMs.

Titre traduit

Évaluation des simulations de MCR forcées par les réanalyses pour reproduire le lien entre les indices de téléconnexion et les conditions humides et sèches au Mexique

Résumé traduit

Les effets sociaux, économiques et environnementaux associés aux événements de précipitations extrêmes sont significatifs, ce qui motive le développement de recherches sur des sujets tels que l'adaptation, la mitigation, la vulnérabilité et le changement climatique. Les implications ont été si importantes que le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) et l'Organisation météorologique mondiale (OMM) ont publié des rapports compilant à la fois les avancées scientifiques et les pertes liées aux phénomènes hydrométéorologiques. Par conséquent, de nombreuses études abordent non seulement les mécanismes associés aux extrêmes, mais aussi ceux liés aux changements des régimes hydroclimatiques mondiaux. Ces études utilisent des outils numériques tels que les Modèles Climatiques Globaux et Régionaux (respectivement GCM et RCM), qui permettent d'analyser les simulations historiques pour faire des projections sur le comportement atmosphérique et informer la prise de décision. L'un des mécanismes associés aux changements dans les régimes mondiaux de précipitations est l'oscillation des anomalies de la température de surface de la mer (TSM). Une anomalie désigne la différence entre la moyenne climatologique de la température de surface de la mer et la valeur observée à un moment donné. De nombreuses études ont montré que cette anomalie oscille sur différentes échelles temporelles et exerce diverses influences sur les régimes de précipitations mondiaux, y compris les sécheresses, la cyclogenèse des ouragans, les changements dans la largeur de la ceinture tropicale et les événements de précipitations extrêmes, entre autres. Pour cette raison, ces anomalies sont classées comme des indices de téléconnexion (IT). Comprendre les régimes de précipitations à travers les modèles climatiques régionaux (MCR) et leur lien avec les IT est essentiel pour améliorer les prévisions de tels phénomènes. Le Groupe d'experts sur la détection des changements climatiques et des indices (ETCCDI) a développé un ensemble d'Indices d'Extrêmes Climatiques (IEC) pour caractériser les extrêmes en termes d'intensité des précipitations et de durée des conditions humides et sèches. En outre, l'Indice Standardisé des Précipitations (SPI), approuvé par l'OMM et adopté par plusieurs pays, a été largement utilisé pour quantifier les conditions d'humidité, permettant d'évaluer à la fois l'humidité extrême et la sécheresse sur la base de seuils numériques standardisés. Au Mexique, des recherches ont démontré que les indices de téléconnexion (IT), tels que l'oscillation El Niño-Oscillation Australe (ENSO) et l'oscillation décennale du Pacifique (ODP), sont associés aux sécheresses, aux précipitations extrêmes et à des contrastes accrus d'humidité entre les régions nord et sud. Ces relations sont capturées par divers indices de précipitations, y compris les Indices d'Extrêmes Climatiques (IEC) et l'Indice Standardisé des Précipitations (SPI).

Cette étude vise à évaluer la capacité des simulations des MCR, forcées avec les données d'ERA-Interim, à reproduire les modèles spatiaux de la corrélation temporelle entre les IT (ENSO et ODP) et l'Indice Standardisé des Précipitations (SPI) ainsi que les Indices d'Extrêmes Climatiques (IEC) au Mexique, en utilisant quatre simulations de MCR pour la période de 1980 à 2012. Pour atteindre cet objectif, (1) une évaluation climatologique a été réalisée pour les précipitations issues des simulations et les données de forçage, ainsi que pour la TSM d'ERA-Interim, au cours de la période mentionnée, et (2) le modèle spatial de la corrélation temporelle entre les IT et le SPI et les IEC calculés à partir d'ERA-Interim et des simulations a été comparé aux observations.

La première partie de cette thèse examine la capacité d'ERA-Interim et des simulations des MCR à reproduire le modèle spatial de la corrélation temporelle entre les IT et le SPI. Cela a été réalisé en (1) évaluant la représentation spatiale et temporelle de la TSM en utilisant ERAInterim et le cycle annuel climatologique des précipitations mensuelles cumulées issues des simulations ; (2) en vérifiant si ERA-Interim représente correctement les IT, et si à la fois les simulations des MCR et ERA-Interim reproduisent correctement les modèles du SPI24 et SPI60 ; et (3) en étudiant la représentation du modèle spatial de la corrélation temporelle entre les IT et le SPI24 et SPI60. Les résultats indiquent qu'ERA-Interim reproduit efficacement les caractéristiques de la TSM et des IT. Malgré certaines surestimations présentes dans les simulations et ERA-Interim, les caractéristiques des précipitations sont correctement reproduites. Cependant, le calcul du SPI24 et du SPI60 est sous-estimé à la fois temporellement et spatialement. Enfin, le modèle spatial de la corrélation entre ENSO et l'ODP avec le SPI24 et le SPI60 montre un contraste entre le nord et le sud du Mexique. Toutefois, ce modèle présente une sous-estimation de la variabilité spatiale.

La deuxième partie de cette thèse a évalué la capacité des MCR à reproduire le modèle de corrélation entre l'ENSO et les CEI. Les CEI utilisés dans cette étude sont le Comptage des Jours Secs (CDD), le Comptage des Jours Humides (CWD), les précipitations maximales en un jour (Rx1) et les précipitations maximales sur cinq jours consécutifs (Rx5). Pour atteindre cet objectif, (1) une évaluation des caractéristiques temporelles des précipitations mensuelles cumulées a été réalisée pour l'ensemble de la période d'étude, ainsi que la représentation temporelle et les phases de l'ENSO avec la TSM d'ERA-Interim ; (2) l'étude a évalué la capacité des simulations des MCR à représenter les caractéristiques spatiales des CEI utilisés ; et (3) elle a analysé si les simulations des MCR et ERA-Interim reproduisent le modèle spatial de la corrélation temporelle entre l'ENSO et les quatre CEI. Les résultats de cette section montrent que l'ENSO et ses phases sont bien reproduits par ERA-Interim. La représentation spatiale des CEI, par ERA-Interim et les simulations, montre des surestimations en termes de variabilité spatiale et de magnitude. Cependant, les principales caractéristiques spatiales observées sont bien représentées. Les simulations du Modèle Climatique Régional Canadien version 5 (CRCM5) représentent mieux le modèle spatial de la corrélation temporelle pour certains indices (CWD et Rx5). Toutefois, la simulation RCA4 montre une meilleure représentation pour la corrélation avec l'indice CDD. Enfin, dans la représentation saisonnière de la corrélation, les simulations de CRCM5 sont plus performantes en été pour les indices CDD et CWD.

Dans la dernière partie de cette thèse, la capacité à représenter les caractéristiques du modèle de corrélation spatiale entre la PDO et les CEI mentionnés précédemment a été évaluée. Ainsi, (1) le jeu de données ERA-Interim a été évalué pour représenter le modèle temporel de la PDO pendant la période considérée dans cette thèse ; (2) la représentation des caractéristiques climatologiques des précipitations mensuelles et la représentation saisonnière des CEI avec les données ERA-Interim et les simulations ont été étudiées ; et (3) le modèle de corrélation spatiale entre la PDO et les CEI a été analysé. Les résultats de cette partie de la thèse montrent qu'ERA-Interim est capable de reproduire les principales caractéristiques et phases du modèle temporel de la PDO. Pour tous les ensembles de données, une surestimation a été observée dans la représentation des précipitations mensuelles, principalement attribuée aux saisons de printemps et d'été. Les simulations du CRCM5 montrent un meilleur ajustement pour la représentation des CEI saisonniers dans les indices CWD, Rx1, et Rx5, tandis que RCA4 donne de meilleurs résultats pour le CDD. Toutefois, chaque simulation fournit des informations importantes pour chaque saison, chaque indice et chaque région du Mexique. Pour l'ensemble de la période (1980-2012), le modèle de corrélation spatiale ne montre pas de schéma défini. Cependant, dans l'analyse saisonnière, le modèle de corrélation montre qu'au printemps, ERAInterim et les simulations MCR capturent le principal gradient spatial décrit par les observations. En hiver, ERA-Interim présente une surestimation ; cependant, ERA-Interim et les simulations MCR parviennent à identifier les caractéristiques spatiales de la corrélation.

Dans l'ensemble, il a été observé que les données ERA-Interim et les simulations RCM capturent le principal modèle climatologique de la corrélation temporelle. Cependant, il convient de noter que ces ensembles de données pourraient fournir de meilleures informations en fonction de la saison et de la région considérée au Mexique, ainsi que du cadre temporel spécifique et de l'indice de téléconnexion (TI) étudié. Par conséquent, en raison de ces incertitudes, l'évaluation doit se poursuivre avec différents RCM et différents GCM.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 183-200).
Mots-clés libres:	température de surface de la mer, anomalie, indices climatiques extrêmes, oscillation australe El Niño, oscillation décennale du Pacifique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Poulin, Annie
Codirecteur:	Codirecteur Romero-Lopez, Rabindranarth
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 avr. 2025 13:18
Dernière modification:	23 avr. 2025 13:18
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3581

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