Caracterización del viento en la Península Ibérica : observaciones y simulaciones regionales= Characterization of the wind over the Iberian Peninsula : observations and regional simulations

Abstract

El objetivo de esta tesis es caracterizar el viento en la Península Ibérica mediante observaciones y modelos climáticos regionales, analizar los errores en las simulaciones y proponer e implementar mejoras físicas para la reproducción del viento en superficie. La metodología consiste en varios pasos. Primero, se han realizado un control de calidad y unificación de registros para crear una base de datos observacionales con una densidad sin precedentes (514 estaciones) de series temporales horarias de velocidad y dirección del viento durante 2002-2007. Segundo, los modelos climáticos regionales han sido usados en el estudio de la climatología del viento para superar las limitaciones que plantean las observaciones. Se ha realizado una simulación climática cubriendo la Península Ibérica a 10 km de resolución espacial durante 1959-2007 con el modelo MM5. Tercero, para facilitar la caracterización del viento y realizar una validación de las simulaciones a escala regional se han usado técnicas multivariantes (métodos de clustering y análisis de componentes principales). Con estas técnicas, el área de estudio se ha dividido en varias regiones atendiendo a los distintos modos de variabilidad del módulo del viento. Cuarto, para analizar el sesgo en el módulo del viento se ha realizado dos simulaciones análogas a la del modelo MM5 para el periodo de observaciones (2002-2007) con el modelo WRF. Una de las simulaciones incluye una parametrización de los efectos topográficos. Por último, se ha modificado el término de fricción topográfica del modelo WRF para considerar la influencia de la estabilidad atmosférica. Para ello se usa la energía cinética turbulenta que es incluida en el esquema de capa límte usando una ecuación de diagnótico. Los resultados de la caracterización del viento mediante las observaciones muestra una gran diversidad regional del viento en la Península Ibércia, puesta de manifiesto en el ciclo annual, la rosa de los vientos, los histogramas de la velocidad del viento así como en las correlaciones temporales entre las series medias regionales. La escala sinóptica juega un papel esencial en el análisis de la dirección promedio del viento y las anomalías del módulo. La simulación con MM5 es capaz de reproducir las principales características del viento en la Península Ibérica y proporciona un valor añadido respecto de las condiciones de contorno. La simulación ha sido usada en diversos estudios. Primero, ha permitido analizar las tendencias del módulo del viento mostrando una disminución en invierno asociada a la disminución de situaciones ciclónicas, mientras que existe un aumento en verano debido al incremento de circulaciones térmicas favorecidas por el aumento de las temperaturas. Segundo, la simulación ha servido para estimar el recurso eólico en España usando una herramienta web que facilita el acceso a la información del viento para cualquier usuario. Tercero, con la simulación se han analizado las limitaciones de las observaciones mostrando que el periodo de datos disponibles puede ser insuficiente para describir la climatología del viento en el oeste peninsular y señalando la necesidad de incluir más estaciones en regiones montañosas como el Sistema Ibérico para una mejor caracterización del viento. El mayor inconveniente que presenta tanto la simulación realizada con MM5 como la análoga con WRF es la sobrestimación del módulo del viento. La inclusión de la parametrización de la topografía a subescala en WRF muestra que el sesgo de la velocidad del viento puede ser mejorado incluyendo dichos effectos topográficos. Sin embargo, esta parametrización puede infraestimar el viento observado en situaciones muy ventosas. El ciclo diario del módulo del viento muestra que dicha infraestimación viene dada por el comportamiento inadecuado durante el día. La relación de la velocidad convectiva, la energía cinética turbulenta y la altura de la capa límite con el sesgo del viento muestran una dependencia de la fricción topográfica con las condiciones de estabilidad. La modificación de la fricción topográfica con los parámetros de estabilidad mejora el ciclo diario del viento, aunque ésta depende del mes del año. Esta tesis contribuye a mejorar el entendimiento del viento observado y simulado en la Península Ibérica. Además, supone un avance en los modelos regionales puesto que mejora el viento simulado.

The aim of this Thesis is (1) to characterize the surface wind over the Iberian Peninsula through the use of observations and Regional Climate Models (RCMs), (2) to analyze the simulation errors and (3) to propose and implement improvements in the model physics for enhancing the wind reproduction. The methodology consists of various procedures. First, a quality-controlled database of surface wind (speed and direction) has been built. This database has no precedent and is composed of 514 hourly series covering the Iberian Peninsula for the period 2002-2007. Second, RCMs are used to assess the wind climatology and to overcome the limitations of the observations. A regional climate simulation covering the Iberian Peninsula with 10 km of spatial resolution during 1959-2007 is performed. Third, multivariate techniques (clustering analysis and principal components analysis) are applied to facilitate the wind characterization and validate the simulation at regional scale. The Iberian Peninsula is split in several regions attending to similar wind speed variability. Fourth, two additional simulations are run with WRF model during the observational period (2002-2007) in order to study the parameterization effect of the subgrid topographic friction. Finally, the term of the subgrid topographic fiction is modified in WRF in order to consider the influence of the atmospheric stability in the representation of surface wind. The results indicate that there is strong spatial wind variability over the Iberian Peninsula. This is characterized by the annual cycle, wind rose, wind speed histograms, as well as the temporal correlations of the mean regional series. In addition, the wind climate heterogeneity can be described as the interaction of the orography with the main atmospheric circulation types affecting the Iberian Peninsula. MM5 simulation is able to reproduce the main wind features of the wind over the Iberian Penisula, providing an important added value with respect to the driving conditions. The simulation has been used for several studies and applications. The limitations of the observational database have been inspected. The observational period is not long enough to describe the wind climatology in the western Iberian Peninsula and the inclusion more weather stations in some mountainous regions would be desirable. The simulation and observations are used to evaluate the wind power resource. A public web mapping tool for facilitating the access to wind information has been developed. In addition, the long period simulated has allowed the analysis of the wind variability during the last five decades. A decline of the wind speed during winter has occurred, associated to a decrease of cyclonic situations. On the other hand, the wind speed has increased during summer due to an enhancement of thermal circulations. The major caveat with the MM5 and WRF simulations was a systematic wind speed overestimation. The inclusion of the parameterization of the subgrid topographic effects in WRF reduces the wind speed bias. However, this scheme underestimates the wind speed during windy situations and the amplitude of the diurnal cycle, being the main disagreements during the day. The relationship of the wind speed bias with the convective velocity, the turbulent kinetic energy and the height of the boundary layer points out that the induced subgrid topographic friction is influenced by the atmospheric stability conditions. The modulation of the frictional term as a function of the stability parameters improves the reproduction of the wind speed daily cycle. However the improvement depends on the time of the year. This Thesis contributes to deepen in the knowledge of the variability of surface winds over the Iberian Peninsula by means of observations and regional climate models. This work also represents and advance in atmospheric simulations because drawbacks associated with the simulated winds are improved by implementing new physics schemes in mesoscale models.