en la atmósfera - Laboratorio de prevision del tiempo

El tratamiento de la física en
los pronósticos numéricos –
Parte I
Agradecimientos: este material se basa en el módulo de “Influence of
model physics on NWP forecasts” 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
Los procesos físicos que tenemos
en cuenta para un pronóstico
Dispersión
por aerosoles
Radiación
atmosférica
Radiación solar
Efectos de
montaña
Formación de
lluvia y nieve
Formación
de nubes
turbulencia
Evaporación e intercambios
de calor
Fricción
Radiación
desde la
superficie
A qué nos referimos con
la¨¨física
la
física¨¨ de los modelos?




Radiación de onda corta (solar) y de onda larga
(terrestre) en la atmósfera – incluyendo los efectos de
las nubes, el vapor de agua y la presencia de gases
traza-traza
Las características de la superficie terrestre y oceánica
y su efecto en la absorción y la partición de la radiación
solar que alcanza la superficie. Esto abarca los efectos
del tipo de vegetación y de suelo, la humedad del suelo
y la presencia de nieve.
La transferencia mecánica de calor
calor,, humedad y cantidad
de movimiento entre la superficie y la CLP y entre la
CLP y la atmósfera libre por medio de la turbulencia
turbulencia..
La formación de nubes y precipitación
precipitación..
Procesos
radiativos
Los
procesos radiativos
ocurren en escalas
temporales y espaciales
muy pequeñas y están
fuertemente afectados por
la composición local de la
atmósfera



La energía solar se distribuye en todas las bandas, pero su
máximo se da en el rango visible
La Tierra emite en longitudes de onda más largas. Esta
energía es absorbida por los gases de efecto invernadero, las
nubes y los aerosoles.
A su vez, los agentes que absorben en la atmósfera rereemiten en todas direcciones y en diversidad de intensidades
(determinadas por la temperatura de los objetos radiantes)
Radiación solar
•Absorción
•Dispersión / Reflexión
Radiación terrestre
•Absorción
Que implica Parametrizar los
Procesos radiativos en la
atmósfera?



Determinar la cantidad de radiación de OL
absorbida y reemitida por cada capa del modelo,
basada en la temperatura media de la capa, la
presión y en la cantidad del gas absorbente.
Determinar la cantidad de radiación de OC
absorbida, reflejada y dispersada en cada capa del
modelo
La parametrización de la Radiación debe tener en
cuenta la presencia de nubes
Parametrización de la Radiación



Subdividir la atmósfera en capas verticales para
predecir, diagnosticar o prescribir la cantidad de
nubes, gases absorbentes y/o aerosoles en cada
una de ellas
Se debe estimar el efecto de todos los
absorbentes, los dispersores y los reflectores en
cada capa para determinar la cantidad de
radiación de OC absorbida por capa y la que
llega a la superficie
Se debe tener en cuenta el efecto de las nubes
en el cálculo de la cantidad de radiación de OL
emitida, absorbida y reemitida
reemitida..
Los errores más grandes en el cálculo de radiación de OC y OL son los
que resultan de la predicción o el diagnóstico de la cantidad de nubes
que representa el modelo
Procesos en la
superficie
La clave:
determinar el balance de energía y agua en superficie, dependiente
de:




El albedo de la superficie
La disponibilidad de agua para evaporar (ya sea en la superficie o
en la vegetación)
La rugosidad del terreno
El tipo de superficie (agua, tierra, hielo)
El balance neto va a determinar la temperatura de la superficie y
consecuentemente las características de la capa límite.
Procesos de superficie

Para determinar el balance de energía y agua en
superficie es necesario incluir:
– La cantidad de radiación de OC absorbida en la superficie
– La cantidad de radiación de OL emitida desde la superficie
y reemitida por la atmósfera hacia la superficie
– La cantidad de energía absorbida utilizada para calentar la
superficie y para evaporar y para calentar las capas subsuperficiales del suelo (partición de energía).
– Estos procesos dependen de el tipo de suelo, el tipo y
cantidad de cobertura vegetal y rugosidad de la superficie
Cómo emulan los modelos los
procesos de superficie?

Esencialmente deben representar la interacción de la
superficie con la radiación entrante de tal manera de
producir:
– Intercambios de calor, humedad y cantidad de movimiento entre
la superficie y la atmósfera
– Motorizar la CLP



La parametrización de la superficie es clave en la predicción de
la temperatura y humedad del suelo
La interacción entre la superficie y la atmósfera está
fuertemente influenciada por el comportamiento de la Capa
Límite Planetaria
Los gradientes verticales de temperatura, humedad y viento se
determinan a partir de los procesos de superficie y los procesos
en la CLP.
Los procesos turbulentos en
la atmósfera real




El calentamiento radiativo de la atmósfera se da fundamentalmente a través
del transporte de calor
calor,, humedad y cantidad de movimiento desde la superficie
terrestre hacia la CLP y la atmósfera libre
libre..
Esto se hace fundamentalmente a través de la mezcla turbulenta en diversas
escalas espaciales y temporales mediante remolinos de origen mecánico o
térmico..
térmico
Los procesos turbulentos dan lugar al transporte vertical que
que,, en muchos casos
es más eficiente que los procesos moleculares (conducción
conducción).
). A partir de estos
procesos se producen
producen::
– El desarrollo de la convección diurna
– Frontogénesis a lo largo de superficies con características contrastantes
La CLP exhibe importantes variaciones diurnas, en escala sinóptica (3 a 5 días)
y estacionales. En general la altura de la CLP depende de:
– El flujo de calor sensible y latente desde la superficie que determina la
estabilidad estática y el crecimiento de los remolinos turbulentos
(turbulencia térmica).
– La magnitud de la cortante vertical del viento, que determina la cantidad de
turbulencia mecánica disponible para el crecimiento de los remolinos
turbulentos.
Cómo emulan los modelos los
procesos en la CLP?


En la atmósfera real, la CLP está definida como la capa
comprendida entre la superficie y la atmósfera libre en la cual
la superficie tiene una influencia directa sobre el
calentamiento, el intercambio de humedad y cantidad de
movimiento.
Los Modelos Numéricos no tienen predefinida la CLP, y la tarea
de la parametrización de la CLP es:
– Determinar el flujo desde la superficie de la Tierra hacia la
atmósfera
– Prescribir o diagnosticar el número de capas del modelo en las
que hay influencia de la superficie.
– Emular el transporte de calor, humedad y cantidad de movimiento
a través de estas capas que esencialmente constituyen la CLP del
modelo.