Study of the uncertainties of Mediterranean Sea Climate Monitoring and Projections

Abstract

[eng] The main goal of the present thesis is the characterization of the uncertainties of the Mediterranean Sea observational and simulation products in order to capture climate variability. Firstly, the capabilities of five marine observational networks to capture temperature and salinity evolution for the last decades of the 20t h Century and for the whole 21s t Century, as well as the characterization of other local processes such as the deep water formation rate in the western basin, have been tested. Results point out that temperature and salinity annual basin averages and long term trends are properly captured by all networks. Conversely, deep water formation rate in the western basin and other regional processes are largely over or underestimated by all networks. Secondly, the uncertainties of an ensemble of regional climate simulation hindcasts, spanning for the last decades of the 20t h century, have been studied. Specifically, we quantified and analyzed the uncertainties linked to the model reproduction of a climatic key process such as the redistribution of heat and salt within the basin. From the characterization of those uncertainties, it has been pointed out that the spread between models is much larger than the ensemble average for the vertical salt transfer and for the heat transfer between 0-150m and 150-600m. At lower layers there is a set of models showing a good agreement between them, while others are not correlated with any other model. The mechanisms behind the ensemble spread are not straightforward. Finally, we explored the reliability of uncertainty estimations in climate simulations when the number of available simulations is limited, which hampers the representativity of the spread as a measure of uncertainty. In those cases, the total uncertainty may be strongly underestimated and a correction factor is recommended to obtain more realistic uncertainty estimates. That corrector factor has been deduced in the case of having single or multiple sources of uncertainty and applied to a real case: the Mediterranean Sea level reconstruction from an ensemble of climate projections. It is shown that the reliability on the uncertainty estimates of each source depends on the number of simulations sampling the source and on the relative contribution to the total uncertainty of the source. This study pretends to draw the attention on the problems associated to uncertainty estimates when the number of simulations is not adequate and give a useful tool to easily correct the uncertainty estimations.

[spa] El objetivo principal de la presente tesis consiste en la caracterización de las incertidumbres asociadas a los productos observacionales y a las simulaciones numéricas a la hora de reproducir la variabilidad climática en el Mar Mediterráneo. En primer lugar, se han analizado las capacidades de cinco redes de observación marinas a la hora de reproducir la evolución de la temperatura y la salinidad durante las últimas décadas del siglo XX y para el sigo XXI completo, así como la caracterización de otros procesos locales como la tasa de formación de aguas profundas en la cuenca occidental. Los resultados muestran que todas las redes son capaces de capturar correctamente los promedios de cuenca y las tendencias a largo plazo. Por el contrario, la tasa de formación de aguas profundas en la cuenca occidental y otros procesos locales son, en gran parte, sobre o subestimados por todas las redes. En segundo lugar, se ha estudiado la incertidumbre de un conjunto de simulaciones climáticas regionales en las últimas décadas del siglo XX. Específicamente, se cuantificaron y analizaron las incertidumbres ligadas a la reproducción de un proceso climático clave como es la redistribución de calor y sal en la cuenca. A partir de la caracterización de la incertidumbre del conjunto, se muestra que las diferencias entre modelos son mucho mayores que el promedio en el caso de la transferencia vertical de sal y en el caso de la transferencia de calor entre 0-150 m y 150-600m. En capas inferiores, algunos modelos muestran una alta correlación entre ellos mientras otros no muestran concordancia alguna con ninguno de los demás. Los mecanismos que gobiernan las discrepancias entre modelos han sido estudiados concluyendo que es complicado sacar conclusiones robustas en este sentido. Finalmente, se analizó la fiabilidad en las estimaciones de la incertidumbre en simulaciones numéricas climáticas cuando el número de simulaciones disponibles es limitado, lo cual dificulta la represent at i vidad de las estimaciones de la incertidumbre. En esos casos, la incertidumbre total puede ser subestimada. En este sentido se recomienda usar un factor corrector para obtener estimaciones más realistas de la incertidumbre. Dicho factor corrector ha sido deducido en el caso de tener una o múltiples fuentes de incertidumbre y ha sido aplicado a un caso real: La reconstrucción del nivel del Mar Mediterráneo a partir de un conjunto de proyecciones climáticas. En este estudio se muestra que la fiabilidad en las estimas de la incertidumbre de cada fuente depende del número de simulaciones a partir de las cuales se ha calculado la incertidumbre, así como a la importancia relativa de la incertidumbre de cada fuente respecto a la incertidumbre total. A partir de estos resultados, se pretende llamar la atención respecto a los problemas asociados en las estimas de la incertidumbre a partir de un número limitado de simulaciones.

[cat] L'objectiu principal de la present tesi consisteix en la caracterització de les incerteses dels productes observacionals i de les simulations numerics a Phora de reproduir la variabilitat climática al Mar Mediterrani. En primer Hoc, s'lian analitzat les capacitats de cinc xarxes d'observació marines a l'hora de reproduir l'evolució de la temperatura i la salinitat durant les darreres decades del segle XX i per al segle XXI al complet, així com la caracterització d'altres processos locals com la tassa formació d'aigües fondes a la conca occidental. Els resultats mostren que totes les xarxes son capaces de capturar correctament la mitjana de conca i les tendencies a llarg termini. Pel contrari, la tassa de formació d'aigües fondes a la conca occidental així com altres processos regionals son, en gran part, sobre o subestimáis per totes les xarxes. En segon Hoc, s'ha estudiat la incertesa d'un conjunt de simulations climátiques regionals per les darreres decades del segle XX. Específicament, s'han quantificat i analitzat les incerteses lligades a la caracterització d'un procés climatic clau com és la redistribució de calor i sal a la conca. A partir de la caracterització de la incertesa del conjunt, es mostra que les diferencies entre models son molt majors que la mitjan en el cas de la transferencia vertical de sal i en el cas de la transferencia de calor entre 0-150m i 150-600m. En capes inferiors, alguns models mostren una altra correlació entre ells, mentre altres no mostren cap concordanga amb cap deis altres models. Els mecanismes que governen aqüestes discrepancies entre models han estat estudiáis, mostrant que és complicat treure conclusions robustes en aquest sentit. Per últim, s'ha analitzat la fiabilitat en les estimes de la incertesa en les simulations numériques climátiques quan el nombre de simulations disponibles és limitat, dificultant la represent at i vit at de les estimations de la incertesa. En aquests casos, la incertesa total pot ser subestimada. En aquest sentit, es recomana usar un factor corrector per obtenir les estimations mes realistes de la incertesa. Aquest factor corrector ha estat deduit per al cas d'una o múltiples fonts d'incertesa i ha estat aplicat a un cas real: La reconstrucció del nivell del mar al Mediterrani a partir d'una serie de projections climátiques. En aquest estudi es mostra que la fiabilitat en les estimes de la incertesa de cada una de les fonts depén del nombre de simulations a partir de les quals es calcula la incertesa, així com a la importancia relativa de la incertesa de cada font respecte a la incertesa total. A partir d'aquests resultats, es pretén cridar l'atenció respecte ais problemes associats a les estimes de la incertesa quan el nombre de simulations disponible és limitat.