Weather forecast sensitivity to changes in urban land covers using the WRF model for central Mexico

Abstract

The impact on temperature of the urban growth in central Mexico from 1993 to 2009 and the sensitivity of forecast to change in land cover are studied using high resolution numerical simulations. The mesoscale atmospheric Weather Research and Forecasting model (WRF) uses Global Land Cover Characteristics (GLCC) data created from NOAA-AVHRR satellite images from 1992 and 1993. However, from 1990 to 2010 the population of the country grew 29%, which represents an important increase in the extension of urban areas, particularly in the central part of the country, where the population in places like State of Mexico and Tlaxcala has grown around 34 and 33%, respectively. Due to the above, using the 2009 land use map of the Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI, by its abbreviation in Spanish), in this study an update of the 30" resolution urban coverage data used by the WRF model is performed. A sensitivity study is carried out for Mexico City and its suburbs, and for the cities of Puebla and Tlaxcala. Eight sites are analyzed where changes from vegetation cover to urban cover occur and temperature increases between 0.5 and 5.0 ºC. The average of the maximum differences in temperature throughout the diurnal cycle is 2.61 ºC and the mean of the differences in the whole period is 0.66 ºC. The maximum difference in temperature is registered between the 10:00 and 15:00 hours (local time). The average maximum temperature using new urban data is 26.96 ºC, whereas using GLCC-1993 urban data is 25.63 ºC. The average increase in daily maximum temperature is 1.33 ºC, and for the daily minimum temperature is 0.12 ºC. The maximum temperature is reached between 13:00 and 15:00 hours, whereas the minimum temperature is reached between 4:00 and 6:00 hours. The mean daily range using new urban data is 16.0 ºC whereas using GLCC-1993 data is 14.9 ºC. Results show that the change from vegetal cover to urban increased the temperature in the study area.

Translated abstract

En este trabajo se estudia el impacto en la temperatura superficial, de 1993 a 2009, debido al crecimiento urbano en el centro de México y la sensibilidad del pronóstico a cambios en la cobertura de suelo con base en simulaciones numéricas de alta resolución. El modelo Weather Research and Forecasting (WRF) emplea datos de cobertura de la tierra global Global Land Cover Characteristics (GLCC) creados a partir de imágenes del satélite NOAA-AVHRR tomadas entre 1992 y 1993. Sin embargo, de 1990 a 2010 la población del país ha crecido en un 29%, lo cual representa un incremento importante en la extensión de las zonas urbanas, particularmente en la parte central de la República, donde en lugares como el Estado de México o Tlaxcala la población ha crecido en un 34% y 33% respectivamente. Debido a lo anterior, con base en el mapa de uso de suelo del 2009 del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), en este trabajo se actualiza la cobertura urbana en los datos de cobertura de la tierra usados por el modelo WRF para la malla con resolución de 30". A partir de dos simulaciones se hace un análisis de sensibilidad del pronóstico de temperatura para la ciudad de México y su zona conurbada, así como para las ciudades de Puebla y Tlaxcala. Se analizaron ocho sitios en donde el uso de suelo cambió de cobertura vegetal a cobertura urbana y se encontró que la temperatura se incrementó entre 0.5 y 5.0 ºC. El promedio de las diferencias máximas en temperatura a lo largo del ciclo diurno es de 2.61 ºC y el promedio de las diferencias en temperatura a lo largo del periodo es de 0.66 ºC. Las diferencias máximas se registran entre las 10:00 y 15:00 horas (hora local). La temperatura máxima promedio obtenida empleando los nuevos datos de cobertura urbana es de 26.96 ºC, mientras que empleando los datos de cobertura urbana GLCC-1993 es de 25.63 ºC. El incremento promedio de la temperatura máxima diaria es de 1.33 ºC y para la temperatura mínima diaria de 0.12 ºC. La hora en la que se alcanza la temperatura máxima ocurre entre las 13:00 y 15:00 horas, mientras que la temperatura mínima se alcanza entre las 4:00 y 6:00 horas. El rango promedio diario usando nuevos datos urbanos es de 16.0 ºC, mientras que usando datos de GLCC-1993 es de 14.9 ºC. Estos resultados muestran que el cambio de cobertura vegetal a cobertura urbana ha incrementando la temperatura de las cuatro zonas de estudio.