Primera medida de la variabilidad espacial a pequeña escala de la distribución de tamaño de gota. Resultado de un experimento crucial y modelización mediante máxima entropía

Resum

Esta memoria presenta una investigación novedosa y original sobre la distribución a nivel del suelo de los tamaños de gota en la precipitación (DSD en sus siglas en inglés). La tesis avanza el estado del arte en dos direcciones: caracterización de la DSD y análisis de su variabilidad espacial. Por primera vez, se ofrece evidencia empírica de que la DSD varía de manera sustancial a escala kilométrica. Este resultado es relevante en la práctica y cuenta con implicaciones para la media remota de la precipitación, ya que los radares se calibran en función de la DSD a través de la relación reflectividad/precipitación (o Z/R). Caracterizar la variabilidad espacial de la relación Z/R es fundamental para obtener medidas remotas más precisas de la precipitación, así como para estimar las incertidumbres en la medida. También por primera vez, se ofrecen pruebas empíricas de que la modelización de la DSD utilizando el método de máxima entropía mejora las parametrizaciones previas basadas en la función exponencial y en la función gamma de distribución de probabilidad, cuando la resolución temporal de la DSD es alta, y cuando las características físicas de la precipitación implican una distribución de tamaños de gota multimodal. La relevancia de este resultado es que la nueva parametrización mejora la caracterización de la DSD, y por tanto, mejora el conocimiento de la Z/R con que se calibran los radares, tanto terrestres como a bordo de satélites. La tesis cuenta con una base empírica construida ex profeso para contrastar las hipótesis de los experimentos, y recoge los datos obtenidos con la red de disdrómetros de la UCLM en sendas campañas en los años 2010 y 2011. Se utilizan también otras bases de datos con objeto de contrastar los resultados experimentales, en la forma de simulaciones controladas de distribuciones de tamaños de gota generadas computacionalmente mediante métodos estadísticos contrastados. La tesis se encuadra dentro de la misión Global Precipitation Measurement (GPM) de la NASA, en cuyo science team se encuentra el director de este trabajo, y en cuyos science meeting se han presentado los resultados contenidos en esta tesis. El tema de esta tesis es la caracterización de la DSD y el estudio de su variabilidad espacial. Se trata de un tema que ha suscitado interés investigador desde los años sesenta del siglo pasado, y que continúa generando literatura dada su relevancia para la estimación remota de precipitación. La medida de la DSD es imprescindible para calibrar las medidas remotas de precipitación con radar meteorológico. Conocer la variabilidad espacial de la DSD es también muy importante para los radares orbitales, puesto que su resolución espacial es del orden de kilómetros. La medida de la DSD es importante para los radares de tierra, puesto que podría darse el caso de que en áreas amplias coexistieran diferentes relaciones Z/R. En este escenario, el uso de una misma relación para un mismo radar y una misma área introduciría sesgos en las estimaciones. El estudio posee aplicaciones más allá de los radares meteorológicos, ya que los estudios de atenuación de señales incorporan hipótesis implícitas sobre la DSD, tanto en su caracterización funcional, como en su variabilidad espacial. Esto amplia el impacto de los resultados de esta tesis más allá de su campo de origen. En relación al entroque de esta tesis con los estudios del ciclo hidrológico, en los últimos informes de la UNESCO ¿ tanto sobre medio ambiente en general como sobre el problema del agua en particular 8Loucks et al., 2005) ¿ se incide en la importancia del correcto entendimiento del ciclo hidrológico a nivel global, y de la importancia de la precipitación en dicho ciclo, máxime teniendo en cuenta su gran variabilidad espacial y temporal. En este sentido, las medidas de precipitación mediante sensores remotos localizados en radares orbitales son claves al ser la única fuente de medida sobre la mayor parte del planeta, ya que los océanos, las zonas montañosas o bosques tropicales no cuentan con instrumentación suficiente. El contenido del trabajo también es relevante a nivel nacional y regional, dado que no existen otros grupos de investigación a nivel regional (y solo unos pocos a nivel nacional) que estudien medidas a nivel del suelo de distribuciones de tamaños de gota mediante dendrómetros.