Esquema - Laboratorio de prevision del tiempo

El tratamiento de la física en
los pronósticos numéricos –
Parte II
La representación de la
precipitación y la nubosidad
Agradecimientos: este material se basa en el módulo de “Cómo producen los modelos
la precipitación y las nubes” tomado del Programa COMET (www.comet.ucar.edu
(www.comet.ucar.edu))
Asimismo se han agregado informaciones complementarias cuyas fuentes son
mencionadas siempre que haya sido posible identificarlas.
Laboratorio de Previsión del Tiempo
I cuatrimestre 2011
Dra. Silvina Solman
Qué se parametriza

Parametrización de precipitación y nubes
(PPN)
– cómo los modelos emulan nubes y procesos de
precipitación que eliminan directamente el exceso de
humedad atmosférica y que resultan del pronóstico
dinámico del viento, la temperatura y los campos de
humedad: Precipitación no convectiva o de gran escala

Parametrización de la convección (PC)
– método con el cual los modelos explican los efectos
convectivos a través de la redistribución de calor y
humedad en la vertical, lo cual reduce la inestabilidad
atmosférica.
Precipitación sin nubes

La Parametrización de la
Convección elimina
cualquier inestabilidad
existente y simula el efecto
general de la convección (no
resuelta) sobre la gran
escala. La precipitación es un
subproducto.

La Parametrización de
Precipitación y Nubes
(Microfísica)) diagnostica la
(Microfísica
precipitación basada en la
HR con el objeto de eliminar
la sobresaturación a nivel de
la retícula. Las nubes son
también derivadas de la HR
para proveer un dato de
entrada al esquema del
modelo de radiación.
La precipitación cae sin haberse formado nubes
La parametrización de la precipitación y las nubes inferidas
Estos esquemas infieren la presencia de nubes en las diferentes capas a partir
del umbral de saturación de la humedad relativa y condensan
inmediatamente todo el exceso de humedad para producir precipitación
Cómo operan?
El calentamiento por liberación de calor latente proveniente de la condensación (área
roja)
2. El enfriamiento del aire por evaporación de la precipitación en las capas
subsaturadas,, debajo de donde se forma la precipitación (el área azul).
subsaturadas
3. Mecanismo de retroalimentación en las variables del modelo.
1.
Otras consideraciones
Umbrales de HR 100 % o 7575- 85 % (precipitación
(precipitación dispersa dentro de una caja de
rejilla del modelo)
 Predicción del contenido de agua en las nubes y otros hidrometeoros. Interacción
dentro de la nube.

Nubosidad inferida a partir de HR
En las áreas de excesiva
humedad o
sobresaturación, la
temperatura aumenta
debido a la liberación de
calor latente y la
humedad específica y el
punto de rocío bajan
conforme se condensa el
vapor de agua hasta que
la temperatura y el
punto de rocío coincidan.
 La precipitación cae
instantáneamente..
instantáneamente
Las áreas subsaturadas
debajo de las capas
donde se produce la
precipitación se enfrían y
humedecen por efecto
de la evaporación de la
lluvia conforme va
cayendo.
 Toda el agua en la
atmósfera permanece en
forma de vapor: no se
forman nubes.









a) Cirros o nubes de nivel
medio delante de un frente
cálido
b) Total de precipitación de
una tormenta en la zona
delante del frente cálido
c) Total de precipitación de
una tormenta en la zona
delante del frente cálido con
convección embebida
d) Precipitación total de un
ciclón tropical entrando a tierra
e) Precipitación de una línea
de prefrontal
f) Precipitación de una
supercelda
g) Precipitación de una
tormenta de masa de aire
h) Chaparrones detrás de un
frente frío
Qué características podría
esperar que un esquema
con nubes inferidas pueda
representar, en un modelo
con un tamaño de retícula
de 80 km?
Modelos que representan
las nubes en forma
simplificada
• Pronostican el contenido de agua o hielo de las nubes con base en la
humedad relativa (HR) y después infieren o diagnostican la
precipitación a partir de la cantidad de agua o hielo que hay en esas
nubes.
• A diferencia de los esquemas con nubes inferidas, los esquemas que
emplean nubes ya pronosticadas siguen una secuencia físicamente
correcta, es decir, que las nubes se forman antes de la precipitación.
• Por ejemplo: Modelo ETA
Cómo operan?
1. Toma en cuenta el aumento en
la cobertura de nubes de parcial
a total conforme la HR aumenta
por encima del valor crítico.
2. Si se condensa el agua de las
nubes, se libera calor latente y
se reduce la humedad
específica del ambiente,
aumenta T y disminuyen TD y
HR. Si el contenido de agua en
la nube excede un valor crítico,
se crea precipitación a partir del
agua de la nube.
3. Las áreas subsaturadas debajo
de las capas donde se produce
precipitación se enfrían y
humedecen debido a la
evaporación de parte de la
precipitación.








a) Cirros o nubes de nivel
medio delante de un frente
cálido
b) Total de precipitación de
una tormenta en la zona
delante del frente cálido
c) Total de precipitación de
una tormenta en la zona
delante del frente cálido con
convección embebida
d) Precipitación total de un
ciclón tropical entrando a
tierra
e) Precipitación de una línea
de prefrontal
f) Precipitación de una
supercelda
g) Precipitación de una
tormenta de masa de aire
h) Chaparrones detrás de un
frente frío
Qué características podría
esperar que un esquema
con nubes simplificadas
pueda representar, en un
modelo con un tamaño de
retícula de 40 km?
Modelos que representan
nubes más complejas
• Pronostican las nubes y la precipitación con base en la HR
realizando una predicción directa de los hidrometeoros que
precipitan y tomando en cuenta los procesos internos de
las nubes.
• Se usan sólo en modelos de alta resolución, ya que
requieren un nivel de resolución suficiente para resolver
los problemas de variabilidad de pequeña escala que
afectan a los procesos microfísicos
• Ejemplos: Modelos WRF, MM5, RAMS
Cómo operan?
1. HR crítico por debajo
del 100 % para tomar
en cuenta la
variabilidad de la
humedad a escala
subrejilla y los
parches de nubes. Se
incluyen múltiples
procesos internos de
las nubes, tales como
fases mixtas y
granizo blando.
2. Condensación 
Liberación de calor
latente, aumenta la
temperatura del
entorno, se reduce la
humedad específica
del ambiente.
3. Conforme la
precipitación empieza a
caer dentro de la nube
se toman en cuenta las
interacciones entre los
hidrometeoros de
diferentes fases y los
cambios de fase.
4. La precipitación no cae
instantáneamente, sino
se rastrea a medida que
cae al suelo. Las áreas
subsaturadas se
humedecen y se enfrían
conforme cae la
precipitación. Algo de
agua o hielo permanece
en las nubes, lo cual
produce una HR
ambiental más realista.

Suponiendo que todos los demás factores son
constantes y con respecto al momento en que se
produce en la realidad, ¿cuándo comenzaría a llegar
al suelo la precipitación según cada uno de los
esquemas? Demasiado temprano, demasiado tarde o
a tiempo: esquema de nubes inferidas; nubes
simples; nubes complejas

¿Cómo contribuyen los esquemas de PPN más complejos
a generar pronósticos de precipitación más exactos?
– a) aportando pronósticos más detallados sobre calentamiento
y enfriamiento
– b) ayudando a ejecutar el modelo de forma más rápida y
eficiente
– c) aportando un enlace más realista entre los ciclos de agua y
de energía del modelo (radiación)
– d) pronosticando los movimientos verticales
La parametrización de la
convección
En la naturaleza, la convección no sólo sirve
para producir precipitación, sino también para
transportar el calor hacia arriba, redistribuir la
humedad y además estabilizar la atmósfera.
Los esquemas de parametrización de la convección (PC) han sido principalmente
diseñados para:
 Considerar el transporte vertical del calor latente, que es el motor de la circulación
general en los trópicos.
 Reducir la inestabilidad termodinámica, para que los esquemas de precipitación y
parametrización de nubes (PPN) a escala de retícula no traten de crear una
convección a gran escala poco realista

A partir de qué parámetros
comienza a operar una PC?



¿Qué activa la convección en una columna de retícula?
¿Cómo modifica la convección, cuando está presente, el
sondeo de la columna de retícula?
¿Cómo se afectan mutuamente la convección y la dinámica
a escala de retícula?
La forma en que un esquema manipula estas
suposiciones puede limitar su eficacia. Además, los
parámetros empleados en dichas suposiciones se
ajustan para optimizar el rendimiento en general del
esquema en todas las situaciones. Esto significa que
las suposiciones pueden dar buenos resultados en
algunas situaciones y malos en otras
Ejemplos: disparadores y resultado



Esquema Kuo
Disparador: Convergencia de
humedad en capas bajas y un cierto
umbral de CAPE
Este esquema ajusta los perfiles de
temperatura y humedad hacia una
curva adiabática húmeda.
Enlace al forzamiento a gran
escala: La precipitación
convectiva y los cambios en el
sondeo dependen de la
convergencia de la humedad en
los niveles inferiores, ya que el
esquema supone que la
convección consume humedad a
la velocidad que la suministran
los vientos y campos de
humedad de gran escala.
Estado final: Se aproxima a los
perfiles de temperatura
adiabática húmeda y de
humedad subsaturada, sin
alcanzarlos. El esquema supone
que la convección no ocupa la
columna de rejilla por completo,
aunque sigue humedeciéndose y
acercándose a la adiabática
húmeda conforme persiste la
convección.



Esquema BettsBetts-Miller
Miller--Janjic:
Disparador:: Un cierto CAPE, un
Disparador
sondeo húmedo y un desarrollo
convectivo con cierta profundidad.
Ajusta el sondeo hacia un perfil de
referencia predeterminado,
posterior a la convección, derivado
de la climatología.
Enlace al forzamiento a
gran escala: No hay un
enlace directo, el esquema
descarga la inestabilidad
donde se presente, siempre y
cuando haya suficiente
humedad.
Hay un enlace indirecto, ya
que el flujo a gran escala
gobierna la inestabilidad a
través de la advección
horizontal y vertical.
Estado final: Evoluciona
hacia el perfil de referencia.
Aún con otros factores de
forzamiento en el modelo, los
sondeos producidos por el
modelo se parecen mucho a
los perfiles de referencia. La
temperatura y el perfil de
humedad debajo de la nube no
cambian. El esquema no
contempla enfriamiento por
corrientes descendentes.



Esquema: Arakawa & Schubert
Disparador:: Un umbral de CAPE y
Disparador
procesos que producen inestabilidad.
Éste es un esquema complejo. Incluye
los efectos de la eliminación de la
humedad por las corrientes de aire
salientes de las nubes convectivas, del
calentamiento por subsidencia del
entorno y de la estabilización
convectiva en balance con la tasa de
desestabilización a gran escala.
Enlace al forzamiento a gran
escala: La convección
compensa los cambios en la
energía potencial convectiva
disponible (CAPE). Aunque no
elimina la CAPE, impide que
aumente siempre y cuando el
esquema se active. La manera
en que el esquema define el
forzamiento a escala de rejilla
que determina la intensidad de
respuesta del esquema varía
según el tipo de implementación
y la resolución.
Estado final: En su mayoría,
los cambios son pequeños. No
hay un tipo característico de
sondeo. Después de haberse
ejecutado el esquema, la
atmósfera todavía se puede
desestabilizar fácilmente, por
advección o radiación solar, por
ejemplo, lo que conduce a
convección adicional.




Esquema: Kain-Fritsch
Disparador: Un umbral de CAPE, para las parcelas fuente desde
una capa de bajo nivel de 50 a 100 hPa de espesor.
La capa estable de nivel superior debe ser lo suficientemente
pequeña para que una parcela pueda penetrarla con un impulso de
unos pocos m/s (se trata de una función del movimiento vertical de
gran escala en el nivel de condensación por ascenso, o NCA).
El espesor de la nube convectiva debe exceder un valor de umbral.
Los cambios en el sondeo son
la suma de los efectos de la
subsidencia por compensación,
de las nubes fuente en los
niveles de arrastre de aire
hacia el exterior y de las
corrientes descendentes. Estos
cambios se aplican a una
velocidad constante (sin tomar
en cuenta los cambios
ambientales) a lo largo de un
período de tiempo especificado
que es representativo del ciclo
de vida de una célula
convectiva.
Kain--Fritsch
Kain
Enlace al forzamiento a gran escala: La velocidad vertical a
gran escala en el nivel de condensación por ascenso (NCA)
contribuye a determinar dónde se activa la convección. Una vez
activada, el esquema consume parte de la energía potencial
convectiva disponible (CAPE) en la capa de origen de activación, de
50 a 100 hPa de espesor, en un ciclo convectivo de 30 a 60 minutos
de duración. La CAPE en otras capas se puede usar para activar otro
ciclo de convección después de que termine este ciclo, si los
cambios en el sondeo no la eliminan antes.
 Estado final: Los cambios en el sondeo ocurren después de que la
CAPE en la capa fuente se haya consumido en el ciclo convectivo de
30 a 60 minutos de duración.

Una alternativa a la parametrización:
La convección explícita

Los modelos no hidrostáticos
de alta resolución (de uno a 2
km) se pueden ejecutar sin
esquemas de PC. La
resolución puede ser lo
suficientemente fina para que
algunas cajas de retícula se
llenen completamente de
corrientes de aire ascendentes
y condensación mientras otras
se llenan de corrientes
descendentes.
Limitación: El inicio de la
convección sigue siendo un gran
problema no resuelto. Es posible que
el modelo no active la convección en
el momento y lugar correctos.
Ejemplos de la sensibilidad
de los pronósticos a
cambios en distintas
parametrizaciones
23 Noviembre 2005 Pronóstico a
24 horas.
Ejemplos con el WRF
operativo en el CIMA.
Experimentos realizados para
el reporte Ruiz y otros, 2006
Precipitación total acumulada, en un
período entre octubre y noviembre
de 2005
Pronósticos a 24 horas inicializados
a las 12 z.
Ejemplos con el WRF
operativo en el CIMA.
Experimentos realizados para
el reporte Ruiz y otros, 2006
Idem figura anterior, solo que
compara la precipitación acumulada
de Grell con la de Betts Miller.
Ejemplos con el WRF
operativo en el CIMA.
Experimentos realizados para
el reporte Ruiz y otros, 2006
Posibles fallas en el
funcionamiento de una
Parametrización de la
convección
Detección y acciones correctivas
Caso A: una PC superactiva

El resultado neto de un esquema superactivo
es una sobreproducción de precipitación, un
exceso de desecamiento y estabilización en los
sondeos producidos por el modelo.
Caso B: una PC subactiva**

Si se presenta movimiento ascendente y suficiente humedad en la
gran escala, el modelo producirá un exceso de precipitación si se usa
el esquema de PPN, dando como resultado fuertes lluvias generadas
por un sólo cúmulo de enorme desarrollo vertical a todo lo ancho de
una caja de retícula, debido a que el PC no se activa!
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones acerca
de los esquemas de PC son verdaderas?





a) Su función principal es eliminar el exceso de
inestabilidad.
b) Su función principal es pronosticar la
precipitación convectiva.
c) Los esquemas producen precipitación como
un subproducto.
d) La mayoría de los esquemas no modifican
directamente el campo de viento horizontal.
e) Los esquemas no afectan directamente al
campo de movimiento vertical.