Processes of land surface-atmosphere coupling and interactions in southeastern south America

Los procesos físicos intervinientes en la interacción de la superficie continental con laatmósfera son de vital interés en el campo de la climatología. El conocimiento de laszonas con fuerte influencia del suelo sobre la precipitación contribuye a mejorar lapredictibilidad en distintas escalas temporales, principalmente la estacional. Pocosestudios se han realizado sobre Sudamérica hasta el momento y, sobre otras regionesprincipalmente se han realizado durante el período estival. Los conceptos de acople,retroalimentación y memoria son diferenciados para luego ser empleados en distintosanálisis realizados sobre simulaciones obtenidas de modelos climáticos regionales. Gran parte del sudeste de Sudamérica (SESA) ha sido caracterizado como una zona dealta eficiencia de acople (EA) entre la humedad del suelo y la evapotranspiracióndurante un verano en un estudio previo con el modelo climático regional RCA3-E. Ental contexto, en esta Tesis se estudian procesos físicos entre distintas variables desuperficie como la humedad del suelo, la evapotranspiración y la precipitación. Distintas subregiones dentro de SESA permiten identificar que donde la EA es alta, laevapotranspiración se encuentra regulada por la humedad del sueloindependientemente de la intensidad media de la precipitación. La memoria, de lahumedad del suelo es mayor y tiene un patrón espacial más robusto en la capa desuelo profunda que en la capa superficial. Donde la EA es elevada en general lamemoria de la capa profunda de suelo es baja, sugiriendo que la atmósfera se vemayormente influenciada en escala estacional por la dinámica más lenta de lasuperficie. El estudio de interacción superficie – atmósfera sobre Sudamérica se amplía utilizandouna nueva versión del modelo (RCA4). Se encuentra que SESA es una zona detransición climática durante el verano, otoño y primavera en el período 1980-99. Allí,se definen períodos con condiciones anómalamente secas ó húmedas del suelo, endonde resulta interesante estudiar el acople. Mediante simulaciones controladas seencuentra que el acople resulta ser máximo en SESA, durante la estación estival y concondiciones secas de la superficie continental. Mientras que la EA es máxima en toda SESA, el acople de la humedad del suelo con la precipitación se produce solamente aleste de la región. Los patrones espaciales de acople entre la humedad del suelo ydistintas variables de la capa límite atmosférica revelan que la energía estática húmeday su gradiente vertical son las variables que contribuyen al desarrollo de laprecipitación, como resultado del flujo total en superficie que es afectado por lahumedad del suelo solo en la región este de SESA. Otra métrica estadística de acople es implementada sobre simulaciones climatológicasde cuatro modelos climáticos regionales en el contexto de un proyecto deinvestigación. Los resultados sugieren, consistentemente con los resultados previos,que el acople también es máximo en SESA durante el verano, el otoño y la primavera. Palabras claves: interacción superficie – atmósfera, intensidad del acople, procesos físicos, sudeste de Sudamérica, humedad del suelo, evapotranspiración, precipitación, modelado climático regional. Physical processes which are involved in the interaction of the land surface with theatmosphere are of vital interest in the field of climatology. The knowledge of the areaswhere the soil strongly influences on precipitation helps improving the predictabilityon different time scales, mainly on the seasonal one. Few studies have been conductedon South America so far, and other regions have been analyzed mostly during thesummer period. Concepts of coupling, feedback and memory are carefully explainedand later on they are applied over regional climate model simulations. A large portion of southeastern South America (SESA) has been characterized as ahigh-efficiency coupling zone (EA) between soil moisture and evapotranspirationduring a summer in a previous study with the regional climate model RCA3-E. In thiscontext, the Thesis addressed physical processes between different surface variablessuch as soil moisture, evapotranspiration and precipitation. Sub-regions within SESApermit to identify that EA is high where the evapotranspiration is regulated by soilmoisture regardless of the mean intensity of precipitation. Memory of soil moisture islarger and has a more robust spatial pattern for the root-zone layer than the surfacelayer. EA is high, in general where the memory of the root-zone layer is low, suggestingthat the atmosphere is largely influenced at the seasonal scale by the slower dynamicof the surface. The study of land surface – atmosphere interaction over South America is expandedusing a new version of the model (RCA4). It is found that SESA is a climatic transitionzone during the summer, fall and spring in 1980-99. There, different periods of wet ordry soil conditions are defined for studying the coupling. Through controlledsimulations it is found that the coupling is the highest in SESA during the summerseason and for dry conditions of the land surface. While EA is high throughout SESA,the coupling between soil moisture and precipitation only occurs in its eastern region. The spatial patterns of the coupling between soil moisture and other atmosphericboundary layer variables reveal that the moist static energy and its vertical gradientare the variables that contribute to the development of precipitation as a result of thetotal surface flow that is affected by the soil moisture only in the eastern region of SESA. Another statistic metric of coupling is implemented on longer simulations of fourregional climate models in the context of a project. Consistently to previous results,these results suggest that the coupling is high at SESA during the summer, fall andspring. Keywords: land – atmosphere interactions, coupling strength, physical processes, southeastern South America, soil moisture, evapotranspiration, precipitation, regional climate modeling. Fil: Ruscica, Romina Carla. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.