El Clima Moderno I: Circulación de la Atmósfera

Transcripción

1 El Clima Moderno I: Circulación de la Atmósfera René D. Garreaud Departamento de Geofísica Universidad de Chile 1. El Sujeto - Las Herramientas - Los prinicipios 2. Circulación General de la Atmósfera 3. ENSO 4. Modelamiento de la Atmosfera

2 En el contexto de meteorología y climatología la naturaleza molecular del aire puede ser sustituida por una aproximación de fluido continuo j = j ( x, y, z, t ) 1 m 20 km 10-9 m 1 m km

3 Estructura de la atmosféra: Perfil vertical de Temperatura Presión atmosférica (peso columna de aire) 99% de la masa de la atmósfera bajo los 30 km.. compare con R= 6300 km

4 Balance Global de Energía Fuente Flujo de Energía promedio [J/m 2 /s = W/m 2 ] Solar Geotermal 0.7 Radioactiva 0.03 Otras Energía Solar Radiación Electromagnética (Ley de Plank)

5 Espectro Electromagnético Energía Radiación Solar (Ts = 5800 K) Radiación Terrestre (Ts=290 K) e3 λ[µm] X-Ray UV Visible IR-cercano IR Microndas Longitud de Onda

6 Radiación solar (ROC) y terrestre (ROL) es modificada por la atmosféra...

7 ...lo cual es visto desde el espacio en una escala global... ROL ROC

8 Circulación media de gran escala PN ecuador terrestre PS Déficit radiativo Exceso radiativo Déficit radiativo Radiación solar incidente Radiación terrestre emergente Transporte de calor en la atmósfera y océano La circulación de la atmósfera y océano distribuye el exceso de energía que reciben las zonas tropicales hacia latitudes altas, manteniendo así el equlibrio térmico del planeta

9 Circulación atmosférica...principios básicos Corte vertical p-dp Altura Presión T+dT Cálido T dt Frío x,y p+dp Plano horizontal Nivel inferior x y B A Calentamiento diferencial produce áreas de alta y baja presión...

10 Debido a la relación entre el campo de presión y el viento Cerca del ecuador terrestre, el viento tiende a divergir de los centros de alta presión y converger hacia los centros de alta presión. En latitudes medias y altas, el viento tiende a girar en torno a los centros de presión. En el hemisferio sur, el viento gira en contra (a favor) de las manecillas del reloj en torno a una alta (baja) presión.

11 Red de observación global (OMM) Red de Superficie: Observaciones met. cada 6 horas (UTC) (Chile HL=UTC-4) Red de Radiosondas: Perfiles verticales (20 km) de T, HR, viento, presión, cada 12 hr

12 Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo? A B A B Contornos: líneas de igual presión Flechas: vector viento

13 Circulación media de gran escala Régimen de Hadley: latitudes bajas ZCIT: Zona de convergencia intertropical ecuador Alisios (niveles bajos) Subsidencia subtropical 9707.fulldisk.goes8.mov

14 Circulación media de gran escala Régimen de Hadley: latitudes bajas B ZCIT ecuador A B A 33S Subsidencia subtropical asociada a la formación de anticiclones subtropicales, interrumpidos por bajas continentales

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17 Circulación media de gran escala Régimen de Rossby: latitudes medias y altas Presión 5000 m ~ Geopotencial 500 hpa ( Temperatura 5000 m ) Vaguada Dorsal Frío Cálido Frío Cálido

18 Ondas de Rossby (baroclinicas) en el HS Contornos: Presión en 5000 m (geopotencial 500 hpa) Colores: Presión en superficie Bajas Altas Centros de baja presión en superficie tienden a ubicarse del eje de la vaguada tropospfera media al este Centros de alta presión en superficie tienden a ubicarse al este del eje de la dorsal en tropospfera media

19 Frontogenesis en el HS Aire cálido Sur Latitud Norte B Frente frío B Frente cálido Sur Latitud Norte Aire frío Oeste Longitud Este Colores: Temperatura en niveles bajos Contornos: Presión superficial Puntos: Trazadores de velocidad

20 Frentes en el HS Transporte de calor B Ejemplo:

21 Energética en latitudes medias Altura Máx Frío Cálido Mín Lat. altas Lat. bajas Energía Cinética Energía Potencial Máx Disipación OLR Mín Mín Qsfc

22 DEF Climatología del transporte de calor a 850 hpa por transientes Corredores de tormentas (storm track) JJA

23 Dinámica Atmosférica Quimica Atmosférica Transferencia Radiativa Hidrósfera / Criósfera / Biósfera AGCM: Global Circulation Models OGCM: Ocean Circulaion Models CGMC: Coupled Circulation Models

24 Dinámica Atmosférica r dv dt + v fkˆ V = 1 ρ p v F R + g v Conservación de Momentum Ecuaciones básicas ( t v + V ) T S v V P ω = ω + p Q RAD = 0 + Q Conv + Q Sfc Conservación de Energía Conservación de Masa ( gz) p = RT p Ec. gases ideales

25 Pero... Sistema anterior es altamente no lineal y no se pueden encontrar soluciones analíticas... Modelamiento numérico El dominio se discretiza usando grillas regulares en la horizontal y distintas opciones de variable vertical Se emplean diferencias finitas en el espacio y tiempo Los procesos sub-grilla deben ser parametrizados (e.g., formación de nubes; intercambio de energía con el suelo) Se requieren Condiciones iniciales + condiciones de borde (en el futuro) en el caso de modelos de área limitada

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27 Modelos regional (area limitada) versus modelos globales. Regional Global Horizontal domain km km 2 Horizontal grid spacing 1-50 km km Horizontal grid type Regular grid point Spectral (T45 / R63) Vertical resolution below 800 hpa (5 in CCM3) Integration times Days to weeks (year?) Season to decades Spin-up time Few hours Few years Lead applications NWP Diagnosis of weather events Climate studies, seasonal prediction Physical parametrizations Several options Single option Initialization (IC) Analysis Cold start Lateral Boundary Conditions (LBC) Analysis, Forecast Bottom Boundary Conditions (BBC) Fixed / Coupled Coupled with ocean or land

28 Modelos Climáticos i. Porque los queremos tanto? Herramienta útil y única de pronóstico de largo plazo Análisis de sensibilidad: CB / Gases / Topografía... Diagnóstico ii. Como es posible tanta maravilla? Leyes de conservación pueden resolverse numéricamente Computadores de gran capacidad iii. Cual es la letra chica? Simplificación de las ecuaciones primitivas Aproximaciones numéricas Incertidumbre en condiciones iniciales y de borde Procesos de sub-grilla

29 MM5-DGF (Abr ) met.dfg.uchile.cl/tiempo/mm5 D1 D2 D3 Detalles de la corrida D1: 135 x 135 (km) - 34 x 40 x 30 puntos D2: 45x45 (km) - 55 x 55 x 30 puntos D3: 15 x 15 (km) - 73 x 73 x 30 puntos Inicialización: Un ciclo 0000 UTC (2000 HL) cada día Periodo de simulación: 72 horas 144 horas! Intervalo de salida: 1 hora Condiciones de borde e iniciales: NCEP-NOAA (USA)

30 MM5-DGF met.dfg.uchile.cl/tiempo/mm5 D1 D2 D3 Recursos Utilizados Computador: Alpha Server 4100 Procesadores: 4 Procesadores Alpha EV5.6, de 532 MHz c/u. Memorias: 1GByte de memoria RAM y 64 MBytes de memoria Cache. Compiladores: DIGITAL Fortran 90 V , DIGITAL f77 y cc. Tamaños aproximados de las entradas: 107 MBytes Tamaños aproximados de las salidas: 790 MBytes Transformaciones a formato GrADS y figuras de salida: 1100 MBytes Tiempos de Proceso (Total): 4 horas, 20 minutos (aproximado).

31 Efecto sobre la representacion de los Andes Lat: 33.5 S Rojo: 45 km Verde: 15 km Azul: 1 km

32 Mapas sinópticos

33 Series de Tiempo

34 Energética en latitudes medias Altura Máx Frío Cálido Mín Lat. altas Lat. bajas Energía Cinética Energía Potencial Máx Disipación OLR Mín Mín Qsfc