Técnicas de pronóstico del tiempo

Transcripción

1 Taller de Introducción a las Ciencias de la Atmósfera Primer Semestre 2016 Gustavo V. Necco Carlomagno IMFIA FING/ IF - FCIEN Técnicas de pronóstico del tiempo

2 Tipos de pronóstico PERSISTENCIA ESTADISTICO (climatología, análogos) SINOPTICO (tendencias, modelos conceptuales) NUMERICO

3 Periodos de pronóstico PRONOSTICO INMEDIATO ( NOWCASTING ): de 0 a 2 horas (monitoreo horario, tendencias) DE CORTO PLAZO: de 6 a 60 horas (PNT, MOS, experiencia) MEDIO PLAZO: de 3 a 10 días (PNT) LARGO PLAZO ( Outlooks - Perspectivas ): mensual, estacional (modelos climáticos, análogos)

4 Etapas de un pronóstico ANALISIS (OBSERVACION) DIAGNOSIS PROGNOSIS VERIFICACION REANALISIS

5 AYER Tendencias Desplazamiento de frentes (Supone movimiento estacionario) Campos isalobaricos p1 = p0 + (tendencia) dt HOY MAÑANA Movimiento en las últimas 24 hs Movimiento previsto en las próximas 24 hs La presión aumenta en 2 mb cada 3 hs

6 Reglas empíricas ( Rules of thumbs ) Ejemplos Cartas previstas de 700 HPa - Las regiones con HR > 70% alta prob, de nubes - Las regiones con HR > 90% alta prob, de precipitación (tanto más si hay movimientos ascendentes) Depresiones - Se intensifican (profundizan) con divergencia en altura por sobre la depresión. Ver también máximos de vorticidad ciclónica.

7 Pronóstico numérico Un poco de historia Primera experiencia (fallida) por L. W. Richardson (1922) narrada en su libro Predicción del tiempo por procesos numéricos. El Pronóstico Numérico del Tiempo moderno (PNT) nació en el Institute for Advanced Study, Princeton, en los años 40: primera computadora electrónica Desde entonces el PNT ha sido uno de los usuarios más exigentes de supercomputadores.

8 Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC)

9 Que es un modelo? Tomar las ecuaciones de la mecánica de fluidos y termodinámica que describen los procesos atmosféricos. Convertirlas a una forma en la que se puedan programar en una computadora potente. Resolverlas de manera que esta representación de software de la atmósfera se desarrolle dentro de la computadora. Esto se llama un "modelo " de la atmósfera

10 Escalas de los modelos cobertura espacial y resolución Los modelos globales - abarcan el planeta, representan los procesos atmosféricos a gran escala Modelos en escala sinóptica de área limitada y en la mesoescala comprenden áreas continentales a regionales; representan los procesos atmosféricos de menor escala Modelos Computacionales de dinámica de fluidos (CFD) - determinación flujos alrededor de los edificios, áreas urbanas, aviones, etc.

11 Escala de procesos/modelos Global Ondas largas El Niño Sinóptica Corrientes en chorro Centros de alta y baja presión Cuñas y vaguadas Frentes Meso Urbana Tormentas Flujos en Complejos convectivos cañadas Tormentas tropicales Canalización alrededor de los Brisas de mar y tierra edificios, estelas Brisas de valle y Transporte montaña vertical en las Vientos catabáticos caras cálidas y a Chorros nocturnos en sotavento de capas bajas edificios Bandas de nieve en lagos

12 Ecuaciones básicas Se aplican a tipos diferentes de modelos atmosféricos - modelos de predicción meteorológica operativa - modelos climáticos globales - creación de modelos a escala urbana - modelos atmosféricos de investigación - modelos de flujo sobre un perfil aerodinámico En todos los casos son las ecuaciones de la dinámica de fluidos que se aplican a la atmósfera

13 Ecuaciones Conservación del impulso (2a. Ley de Newton) 3 ecuaciones para las aceleraciones de la velocidad 3D (F = Ma) Conservación de la masa 1 ecuación para conservación del aire (continuidad) 1 ecuación para la conservación del agua Conservación de la energía 1 ecuación para la primera ley de la termodinámica Relación entre p, y T 1 ecuación de estado (ley de gases ideales) Siete ecuaciones para siete variables: u, v, w, p,, T y q (humedad)

14 Más sobre las ecuaciones Casi todos los modelos utilizan un conjunto ligeramente diferente de ecuaciones. Por qué? Aplicación a diferentes partes del mundo Enfoque en diferentes procesos atmosféricos Aplicación a diferentes escalas espaciales y temporales Ambigüedad e incertidumbre en las formulaciones Adaptación a diferentes usos

15 Qué entendemos por " resolver las ecuaciones "? - Un enfoque conceptual Las ecuaciones describen cómo el ambiente cambia con el tiempo. Por ejemplo, una ecuación para la temperatura T sería Cambio temporal de T = solar + IR (ganancia) + IR (pérdida) + conducción + convección + evaporación + condensación + advección

16 Temperatura Como pronostica un modelo Cambios en T previstos por el modelo X X X X X X T ahora (observada) Tiempo

17 Esta ecuación se resuelve para una "matriz " tridimensional de puntos (o una rejilla, retículo o grilla ) que cubre la atmósfera desde la superficie hasta un nivel cercano a la parte superior de la atmósfera. En la diapo siguiente un corte en 2 dimensiones a través del retículo...

18 Suelo Distancia Oeste este Altura Niveles de cálculo 100 milibares Puntos del retículo

19 Estructura horizontal del retículo MM5 and others WRF and others From Randall (1994)

20 Hexagonal Triangular From ccrma.standford.edu/~bilbao

21 No estructurado: Omega Model From Boybeyi et al. (2001)

22 Dominios Nested grids Retículos anidados Formas Esféricos From mitgcm.org (2006) From Rife et al. (2004)

23 Un concepto importante X X X Espaciamiento de los puntos el retículo Los procesos de menor escala necesitan una distancia entre puntos más pequeña: 5-10 puntos de la malla por longitud de onda

24 Un ejemplo de ecuación diferencial: la tasa de cambio de la componente esteoeste del viento u = componente zonal del viento, hacia el este positivo v = componente meridional del viento, positivo hacia el norte w = componente vertical de la velocidad, hacia arriba positivo P = presión, ρ = densidad, f = parámetro de Coriolis ( 2 x frecuencia de rotación de la Tierra x seno de latitud), Fr = fuerza de fricción en la dirección x up z y x N E

25 Ejemplo de coordenada vertical = p/ psup

26 Ecuaciones básicas Ejemplo de una ecuación de movimiento : Viento unidimensional acelerado por sólo la fuerza del gradiente de presión D u 1 p D t x Las computadoras no pueden resolver analíticamente incluso esta ecuación muy simple!

27 El problema: las computadoras pueden realizar operaciones aritméticas, pero no el cálculo diferencial d f dx f d x La solución: Métodos numéricos

28 Integración de las ecuaciones Advección no lineal U æ U ö =U ç t è x ø k k æ ö U ik +1 - U ik U U k i +1 i -1 = Ui ç Dt è 2Dx ø Paso temporal Dx Dt < k Ui Elegir el paso temporal sobre la base de las velocidades del viento esperadas y el espaciado de la cuadrícula

29

30 Fuentes de error en el modelo Numéricos Físicos (radiación, la turbulencia, los procesos húmedos ) Las condiciones iniciales - definen el estado actual de la atmósfera... el punto de partida Las condiciones de contorno laterales - definen el estado de la atmósfera en los bordes de los dominios Las condiciones de contorno más bajas - en la superficie de la Tierra

31 Ejemplo de crecimiento del error

32 Parametrizado (representación de procesos físicos) Las parametrizaciones aproximan los efectos de los procesos físicos que son demasiado pequeños, demasiado complejos, o demasiado poco comprendidos para ser representados de forma explícita

33 Parameterizations En el modelo WRF, las parametrizaciones incluyen : Convección de cúmulos Microfísica de nubes y precipitaciones Radiación ( onda corta y onda larga ) La turbulencia y la difusión La capa límite planetaria y la capa superficial La interacción con la superficie de la Tierra Algunas de las mayores mejoras futuras en el modelo WRF estarán en las parametrizaciones

34 MOS (Model Output Statistics) Campos derivados de relaciones estadísticas con las salidas de distintas variables de modelos numéricos Generalmente de campos en superficie (p.e. meteogramas) NGM: Nested Grid Model

35 El desarrollo de los modelos numéricos 2000

36 Evolución de la habilidad (skill) de pronóstico en las gamas de tres, cinco, siete y diez días, computado en los hemisferios norte y sur extra- tropicales Numerical solution to the equations La habilidad de pronóstico (skill) es la correlación entre las previsiones y el análisis observado de la altura del nivel de 500 hpa, expresada como la anomalía con respecto a la altura climatológica. Los valores superiores al 60 % indican previsiones útiles

37

38