On the limitations of deep learning for statistical downscaling of climate change projections : the transferability and the extrapolation issues

Convolutional neural networks (CNNs) have become one of the state-of-the-art techniques for downscaling climate projections. They are being applied under Perfect-Prognosis (trained in a historical period with observations) and hybrid approaches (as Regional Climate Models (RCMs) emulators), with satisfactory results. Nevertheless, two important aspects have not been, to our knowledge, properly assessed yet: (1) their performance as emulators for other Earth System Models (ESMs) different to the one used for training, and (2) their performance under extrapolation, that is, when applied outside of their calibration range. In this study, we use UNET, a popular CNN, to assess these two aspects through two pseudo-reality experiments, and we compare it with simpler emulators: an interpolation and a linear regression. The RCA4 regional model, with 0.11° resolution over a complex domain centered in the Pyrenees, and driven by the CNRM-CM5 global model is used to train the emulators. Two frameworks are followed for the training: predictors are taken (1) from the upscaled RCM and (2) from the ESM. In both frameworks, the performance of the UNET when applied for other ESMs different to the one used for training is considerably worse, indicating poor generalization. For the linear method a similar deterioration is seen, so this limitation does not seem method specific but inherent to the task. For the second experiment, the emulators are trained in present and evaluated in future, under extrapolation. While averaged aspects such as the mean values are well simulated in future, significant biases (up to 5°C) appear when assessing warm extremes. These biases are larger by UNET than those produced by the linear method. This limitation suggests that, for variables such as temperature, with a marked signal of change and a strong linear relationship with predictors, simple linear methods might be more appropriate than the sophisticated deep learning techniques

Upgrade of a climate service tailored to water reservoirs management

Presentación realizada en: EMS Annual Meeting (2021) celebrado de forma virtual del 3 al 10 de septiembre de 2021.In this paper we present the upgrade of a web tool designed to help in the decision making process for water reservoirs management in Spain. The tool, called S-ClimWaRe (Seasonal Climate predictions in support of Water Reservoirs management) is organized in two main displaying panels. The first one -diagnostic panel- allows the user to explore, for any water reservoir or grid point over continental Spain, the existing hydrological variability and risk linked to climate variability. The second one -forecasting panel- provides probabilistic seasonal predictions for some variables of interest. Following users’ need the tool initially covers the extended winter season (from November to March), when the North Atlantic Oscillation pattern strongly influences the hydrological interannual variability in South-Western Europe. This climate service is fully user driven with a strong commitment of users and stakeholders that has allowed continuous improvement of this tool, meeting users requirements and incorporating latest scientific progress

Upgrade of a climate service tailored to water reservoirs management

We present the upgrade of a web tool designed to help in the decision making process for water reservoirs management in Spain. The tool, called S-ClimWaRe (Seasonal Climate predictions in support of Water Reservoirs management), covers the extended winter season (from November to March), when the North Atlantic Oscillation (NAO) pattern strongly influences the hydrological interannual variability in South-Western Europe. This climate service is fully user driven, and aims at meeting their requirements incorporating recent scientific progress.The research leading to these results has received funding from the MEDSCOPE project co-funded by the European Commission as part of ERA4CS, an ERA-NET initiated by JPI Climate, grant agreement 690462

Regional marine climate scenarios in the NE Atlantic sector close to the Spanish shores

[EN] We present an overview of the changes expected during the 21st century in key marine parameters (sea surface temperature, sea surface salinity, sea level and waves) in the sector of the NE Atlantic Ocean close to the Spanish shores. Under the A1B scenario, open-sea surface temperatures would increase by 1°C to 1.5°C by 2050 as a consequence of global ocean warming. Near the continental margin, however, the global temperature rise would be counteracted by an enhancement of the seasonal upwelling. Sea surface salinity is likely to decrease in the future, mainly due to the advection of high-latitude fresher waters from ice melting. Mean sea level rise has been quantified as 15-20 cm by 2050, but two contributions not accounted for by our models must be added: the mass redistribution derived from changes in the large-scale circulation (which in the NE Atlantic may be as large as 15 cm in 2050 or 35 cm by 2100) and the increase in the ocean mass content due to the melting of continental ice (for which estimates are still uncertain). The meteorological tide shows very small changes, and therefore extreme sea levels would be higher in the 21st century, but mostly due to the increase in mean sea level, not to an increase in the storminess. The wave projections point towards slightly smaller significant wave heights, but the changes projected are of the same order as the natural variability.[ES]En este trabajo se presenta una visión de conjunto de los cambios esperados en el siglo XXI en los principales parámetros marinos (temperatura y salinidad superficiales, nivel del mar y oleaje) en el sector NE del Océano Atlántico más cercano a las costas españolas. Bajo el escenario A1B, se prevé que la temperatura superficial en mar abierto suba del orden de 1-1.5°C para el año 2050, como consecuencia del calentamiento global del océano. Cerca del margen continental, sin embargo, el aumento de la temperatura superficial podría ser contrarrestado por un aumento del afloramiento estacional. La salinidad superficial es probable que disminuya en el futuro, debido principalmente a la advección desde latitudes más altas de aguas provenientes de la fusión de hielos polares. El aumento del nivel del mar obtenido de los modelos se ha cuantificado en 15 a 20 cm para el año 2050, pero esa estima no incluye dos contribuciones adicionales que deben ser añadidas: la redistribución de masa derivada de los cambios en la circulación a gran escala (que en el Atlántico NE se ha estimado en unos 15 cm para 2050 i en 35 cm para 2100) y el aumento de masa debido a la fusión de hielos continentales (para el cual las estimas son todavía inciertas). La marea meteorológica muestra cambios muy pequeños, y por tanto el aumento de los niveles extremos del mar en el siglo XXI serán debidos principalmente al aumento del nivel medio, no a un aumento en la intensidad de las tormentas. Las proyecciones de oleaje apuntan a olas de altura significante ligeramente más pequeñas; de todos modos, los cambios proyectados son del mismo orden que la variabilidad natural.The computational work of this paper was carried out in the framework of two projects: VANIMEDAT-2 (CTM2009-10163-C02-01), funded by the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) and the E-Plan of the Spanish Government; and ESCENARIOS, funded by the Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). Some of the analysis and summary efforts were carried out in the framework of the subsequent project CLIMPACT (CGL2014-54246-C2-1-R), also funded by MINECO

Evaluación de los campos de precipitación generados por el modelo atmosférico regional de clima RCA3.5 sobre un dominio mediterráneo

Ponencia presentada en: VIII Congreso de la Asociación Española de Climatología celebrado en Salamanca entre el 25 y el 28 de septiembre de 2012.[ES]En el contexto del proyecto de escenarios de clima oceánico desarrollado por AEMET-EPPEIMEDEA- MeteoFrance se ha utilizado el modelo atmosférico regional de clima RCA3.5 para forzar diferentes modelos oceánicos de circulación, residuos de nivel del mar y oleaje. Como paso previo a la generación de proyecciones regionalizadas atmosféricas y oceánicas se ha evaluado el modelo. Este trabajo analiza los campos de precipitación generados por RCA forzado por el reanálisis de ERA-interim. Para la comparación se ha utilizado como referencia observacional la base de datos en rejilla de Spain02. Se ha realizado un análisis de significación estadística de los resultados. RCA3.5 muestra una variabilidad temporal y sobre todo espacial más próxima a Spain02 que el resto de datasets, incluyendo el reanálisis de ERA-interim con el que fue forzado. También es el que mejor reproduce las estructuras locales de precipitación observadas. Sin embargo, sobreestima la precipitación sobre todo en las montañas.[EN]In the framework of the generation of ocean climate scenarios developed by AEMET-EPPEIMEDEA- MeteoFrance, a regional climate model, RCA 3.5, has been used to force models which simulate the oceanic circulation, sea level and waves. As a previous step RCA fields have been evaluated. This work analizes the precipitation simulated by RCA forced with ERA-interim reanalysis. As observational reference for the comparisons a new gridded precipitation database (Spain02) was used. A complete statistical analysis of significance was conducted for the results. RCA3.5 compares better than any other dataset to Spain02 observations in temporal and, mainly, spatial variability; beating even the reanalysis of ERA-interim used to force the model. Besides, it is the one who better represents the local precipitation structures observed. However, RCA3.5 overestimates the precipitation amounts, mainly in the mountains

Caracterización del clima presente y futuro de las aguas de la Península Ibérica y el mar Mediterráneo

Ponencia presentada en: VIII Congreso de la Asociación Española de Climatología celebrado en Salamanca entre el 25 y el 28 de septiembre de 2012.[ES]La colaboración establecida entre AEMET, Puertos del Estado, IMEDEA y Météo-France tiene como objetivo realizar simulaciones de océano para obtener escenarios de cambio climático marino (oleaje, residuos del nivel del mar y circulación oceánica), que cubran las zonas marítimas que circundan la Península Ibérica y el mar Mediterráneo.[EN]The aim of the collaboration established between the Spanish Metoffice (AEMET), Puertos del Estado, IMEDEA and Météo-France is to perform ocean simulations to obtain marine climate change scenarios (waves, sea level and ocean circulation) which covers the sea areas surrounding the Iberian Peninsula and the Mediterranean Sea

Vulnerabilidad de los puertos españoles ante el cambio climático. Vol. 1: Tendencias de variables físicas oceánicas y atmosféricas durante las últimas décadas y proyecciones para el siglo XXI

La presente publicación, el primer volumen de dos libros previstos sobre el tema, se centra en describir los resultados de los trabajos que se han realizado desde Puertos del Estado, el IMEDEA y AEMET para la caracterización de la evolución de las variables climáticas a lo largo del Siglo XXI. Los datos expuestos son el resultado de un enorme esfuerzo de computación numérica establecido a lo largo de 7 años en una serie de proyectos de investigación financiados por el Ministerio de Economía y Competitividad y por el Ministerio de Medio Ambiente, y su generación ha sido también posible gracias a la colaboración con multitud de centros internacionales de referencia, como MeteoFrance y Mercatorocean en Francia, o el National Oceanography Centre, en Reino Unido. Estos trabajos se enmarcan, además, en la estrategia española sobre cambio climático, y están coordinados con las actividades de la Oficina Española de Cambio Climático

Simulaciones climáticas de la circulación oceánica en el entorno de la Península Ibérica

Seminario del Departamento de Desarrollo y Aplicaciones impartido en la sede central de AEMET el 6 de febrero de 201

Regionalized climate change projections in AEMET: history, current status and perspectives

Presentación realizada en: 15th Annual Meeting of the European Meteorological Society (EMS) /12th European Conference on Applications of Meteorology (ECAM) celebrado en Sofía, Bulgaria del 7 al 11 de septiembre de 2015