Impacts of Planetary Boundary Layer schemes on ERA5-NARCliM2.0 convection-permitting climate simulations over southeastern Australia

Sintesi Tecnica: Impatti degli schemi della Planetary Boundary Layer sulle simulazioni climatiche a risoluzione di convergenza (convection-permitting) ERA5-NARCliM2.0 sul sud-est dell'Australia

Problematica
Le parametrizzazioni della Planetary Boundary Layer (PBL - strato limite planetario) rappresentano una fonte primaria di incertezza nella modellazione climatica poiché regolano gli scambi di calore, umidità e quantità di moto tra terra e atmosfera. Sebbene gli schemi PBL siano stati ampiamente valutati a livello globale, meno studi hanno isolato i loro impatti specifici sulle simulazioni climatiche sopra l'Australia, in particolare all'interno di modelli climatici regionali (RCM) a risoluzione di convergenza. Studi precedenti hanno spesso valutato combinazioni di parametrizzazioni fisiche, rendendo difficile separare gli effetti specifici dei singoli schemi. Questo studio affronta la necessità di isolare esplicitamente gli impatti della parametrizzazione PBL sulla climatologia stagionale del sud-est dell'Australia e di diagnosticare i meccanismi fisici sottostanti che guidano le differenze.

Metodologia
Lo studio utilizza due configurazioni del modello Weather Research and Forecasting (WRF) versione 4.1.2, guidate dai dati di rianalisi ERA5 a una risoluzione orizzontale di 4 km sopra il sud-est dell'Australia (scala di convergenza). Queste simulazioni fanno parte del progetto NARCliM2.0 e coprono un periodo di 42 anni (1979–2020). Le due configurazioni sono identiche in tutte le parametrizzazioni fisiche tranne che per lo schema PBL:

1. R3-MYNN2: Utilizza lo schema locale Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino Level 2.5 (MYNN2), che si basa su un metodo di chiusura di ordine 1.5 che predice l'energia cinetica turbolenta (TKE).
2. R5-ACM2: Utilizza lo schema ibrido locale–nonlocale Asymmetric Convective Model versione 2 (ACM2), che impiega una chiusura di primo ordine con miscelazione ascendente non locale esplicita e miscelazione discendente locale.
   Le simulazioni sono valutate rispetto all'Australian Gridded Climate Data (AGCD) per temperatura e precipitazioni, e rispetto alla rianalisi ERA5 e alle osservazioni di radiosonda per i profili atmosferici e l'altezza dello strato limite (PBLH). Lo studio impiega metriche statistiche (Errore Assoluto Medio, correlazioni spaziali e temporali) e analisi diagnostiche, inclusi profili trasversali dei flussi di umidità e calore, analisi del ciclo diurno dei bilanci energetici superficiali ed esami dei profili verticali.

Contributi Chiave e Risultati

• Bias di Temperatura e Precipitazioni: Entrambi i RCM mostrano bias nelle temperature medie giornaliere massime ($T_{max}$) e minime ($T_{min}$), ma la $T_{max}$ è più sensibile allo schema PBL. Rispetto a R3-MYNN2, R5-ACM2 riduce il bias freddo nella $T_{max}$, risultando in un clima generalmente più caldo. Per quanto riguarda le precipitazioni, R3-MYNN2 tende a sovrastimare le precipitazioni stagionali nella maggior parte delle stagioni, mentre R5-ACM2 mostra bias sensibilmente minori, eccetto durante l'estate australe (DJF) dove presenta un significativo bias secco.
• Altezza e Struttura della PBL: Lo studio evidenzia che la definizione di PBLH influenza significativamente i confronti tra modelli. Utilizzando un metodo di ricostruzione coerente basato sulla temperatura potenziale virtuale, R5-ACM2 simula PBL più profondi rispetto a R3-MYNN2 sopra la terraferma. Tuttavia, utilizzando la PBLH diagnosticata dal modello (che differisce per schema), R5-ACM2 mostra PBL più superficiali nelle aree interne ma PBL più profondi lungo la costa. R5-ACM2 presenta un intervallo di variazione diurna della PBLH maggiore, indicando una crescita diurna più forte e un collasso notturno più marcato.
• Profili Verticali: R5-ACM2 simula una temperatura potenziale superficiale più calda ma un gradiente verticale più debole (indicando una miscelazione più forte) rispetto a R3-MYNN2. Produce inoltre un profilo verticale più secco con un gradiente di umidità specifica minore, suggerendo uno strato limite meno stratificato.
• Bilancio dell'Energia Superficiale e Meccanismi di Feedback: Lo studio identifica un ciclo di feedback positivo terra-atmosfera in R5-ACM2 che spiega il suo clima più caldo e secco:
  1. Riduzione delle Nuvole: Una miscelazione turbolenta non locale più forte in ACM2 potenzia l'entrainment di aria secca dalla libera troposfera, sopprimendo l'acqua liquida delle nuvole e riducendo il contenuto totale di acqua condensata nelle nuvole.
  2. Forzante Radiativo: La riduzione della copertura nuvolosa permette a una maggiore radiazione a onde corte di raggiungere la superficie, aumentando il riscaldamento superficiale netto ($Q_{net}$).
  3. Calore Sensibile vs Latente: L'aumento del riscaldamento superficiale innalza le temperature vicino alla superficie. A causa della riduzione dell'umidità del suolo e delle precipitazioni, l'evapotraspirazione è soppressa, limitando il flusso di calore latente ($Q_{lh}$). Di conseguenza, una porzione maggiore dell'energia disponibile è ripartita nel flusso di calore sensibile ($Q_{sh}$), riscaldando ulteriormente l'aria vicino alla superficie.
  4. Rinforzo: Il riscaldamento superficiale promuove un ulteriore sviluppo della PBL e l'entrainment, rinforzando il ciclo di essiccamento e riduzione delle nuvole. Questo ciclo è sostenuto dalla riduzione delle precipitazioni, che limita il ripristino dell'umidità del suolo.

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo studio fornisce una guida basata sui processi per la futura modellazione climatica ad alta risoluzione, dimostrando la forte sensibilità delle simulazioni RCM alla parametrizzazione della PBL. I risultati suggeriscono che la scelta tra schemi locali (MYNN2) e ibridi locali-nonlocali (ACM2) altera significativamente lo stato climatico simulato, in particolare attraverso la modulazione della miscelazione verticale e delle interazioni nuvola-radiazione.

Lo studio nota che il bias "più caldo e più secco" in R5-ACM2 contrasta con i risultati ottenuti in ambienti ricchi di umidità come l'Amazzonia (dove ACM2 è stato trovato capace di promuovere lo sviluppo delle nuvole), evidenziando come la risposta climatica a una maggiore miscelazione dello strato limite dipenda dalla disponibilità regionale di umidità. Nel sud-est dell'Australia, caratterizzato da scarsità di umidità, la miscelazione potenziata induce l'entrainment di aria secca, sopprimendo nuvole e precipitazioni.

Questi risultati sono presentati come critici per interpretare i divergenti hindcast e le proiezioni prodotte dall'ensemble NARCliM2.0-CMIP6, offrendo una base fisica per comprendere la dispersione dei modelli e informare le future scelte di progettazione dei RCM per la modellazione climatica regionale australiana.