Tiempo y Clima en Chile central

Tiempo y Clima en Chile central:
Fundamentos y Predictabilidad
Departamento de Geofísica
Universidad de Chile
1. El tiempo atmosférico y pronóstico del tiempo
Relator: Dr. René Garreaud
2. Clima y predicción climática
Relator: Dr. Patricio Aceituno
Temperatura del aire
en Santiago (DGF)
2000
2001
2002
2003
2002
La serie de tiempo de T esta caracterizad por fluctuaciones regulares (ciclo diario y
anual) y fluctuaciones irregulares. Para cada una de ellas, interesa conocer:
ü
ü
ü
ü
ü
Amplitud media y extremos
Duración típica de los ciclos
Recurrencia típica de los ciclos
Procesos físicos asociados
Predictabilidad y relevancia
El tiempo y pronóstico del tiempo
1.1. Variables meteorológicas, sistemas de observación y técnicas de análisis
•
•
•
•
•
Atmósfera como un fluido continuo
Variables de estado y var. derivadas (sensación térmica y parámetros de humedad)
Sistemas de observación en superficie y altura
Sistemas de medición remota
Análisis objetivo: cartas del tiempo
1.2. El tiempo en Chile central: Factores de gran escala
•
•
•
Circulación general de la atmósfera (regímenes de Hadley y Rossby)
Ondas de latitudes medias
Sistemas frontales
1.3. El tiempo en Chile central: Factores de escala local
•
•
•
Ciclo diario de insolación
Efectos topográficos
Isla calórica
1.4. Pronóstico numérico del tiempo
•
•
•
Fundamentos teóricos y modelación numéricas
Situación actual (e.g., MM5-DGF-UChile)
Potenciales aplicaciones
En el contexto de meteorología y climatología la naturaleza molecular
del aire puede ser sustituida por una aproximación de fluido continuo
1 m – 20 km
ϕ = ϕ ( x, y, z, t )
10-9 m
1 m – 10.000 km
Variables meteorológicas
Propiedad del aire
Energía Interna
(mov. partículas)
Energía cinética
Variable de estado
Temperatura
Unidades (SI)
°Celsius, °Kelvin
T[K]=T[C]+273
Velocidad (u,v,w)
m/s
Masa total
•Densidad (ρ)
•Presión atmosférica (Pa)
• Kg/m3
• hPa, mb
Masa substancias
especificas
•Razón de Mezcla
•Presión parcial
• g/Kg
• hPa, mb
Energía recibida,
absorbida, transmitida
Flujo de energía por unidad
de área y tiempo
W/m2
(mov. agregado de partículas)
Agua en la Atmósfera
Flujo neto = FN = F(L→G) - F(G→L)
Aire
El contenido de vapor de agua
en el aire se caracteriza por la
razón de mezcla (q) expresada
en gr (vapor) / Kg (aire) .
H20
Interface
GL
Agua
LG
En Santiago q ∼ 5 gr/Kg
En Fortaleza (Br) q ∼ 15 gr/Kg
Agua en la Atmósfera
FN
Evaporación
El flujo neto de vapor
depende críticamente del
contenido de vapor del aire
(q)
El valor de q para el cual
FN = 0 (saturación del aire)
se denomina razón de
mezcla de saturación (qsat)
y depende únicamente de la
temperatura (para una
presión fija), a través de la
relación de ClausiusClapeyron
Saturación
Razón de mezcla
de vapor de agua
(q)
Condensación
Razón de mezcla
de saturación (qsat)
Temperatura
del aire (T)
Agua en la Atmósfera
Razón de mezcla
de saturación
CC
En general q < qsat. La saturación
puede alcanzarce aumentando q
(humidificación) o disminuyendo T
(enfriamiento). Formación de
nubes y neblina...
qsat
q
Temperatura
del aire
Td
Ta
Parámetros de Humedad:
Ta: Temperatura del aire
Td: Temperatura de roció
qsat = razón de mezcla de saturación a temperatura Ta
q = razón de mezcla del aire
HR = 100 × q / qsat : Humedad relativa
Balance de Energía Superficial e Indices de Temperatura
Radiación (RN)
Solar
Infraroja
Flujos turbulentos
Calor sensible (H) Calor latente (LE)
H = C*U*(Ta-Ts) LE = C*U*(qsfc-qa)
Conducción desde el submedio (G)
Cambio de temperatura del cuerpo = RS + G - ( RI + H + LE )
En una condición de equilibrio, sin exposición directa al sol, y en un ambiente seco:
G ≈ H + LE.
Si el aire aumenta su contenido de humedad LE → 0 y el cuerpo tiende a calentarse.
Este efecto se cuantifica mediante la sensación térmica (ver tabla)
Si U aumenta, H y LE aumentan y el cuerpo tiende a enfriarse. Este efecto se
cuantifica mediante el índice de enfriamiento (ver tabla)
Sistemas de observación
Cobertizo meteorológico:
Termómetro (Hg) normal y max/min
Termómetro de bulbo húmedo/seco (q)
Higrómetro de cabello (HR)
Barómetro (presión)
Pluviómetro
Anemómetro-veleta
Heliógrafo (horas de sol)
Estación Meteorológica automática:
Termómetro e higrometro
Piranómetro (Rad. Solar / neta)
Pluviómetro
Anemómetro-veleta
Datalogger – modulo memoria
Sistema de transmisión (tel., radio, sat)
• Mediciones más precisas
• Mediciones más frecuentes (1h, 1min, 1seg, etc...)
• Monitoreo en tiempo real / remoto / continuo
• Post-procesamiento de la información (alertas)
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
Red de observación local (CONAMA-DMC)
Ejemplo: red de CONAMA-RM.
Observaciones horarias de T, HR, viento,
Rad. Solar y calidad del aire
Cartas del tiempo
Mapa de
Observaciones
Análisis Objetivo,
presión-temperatura
¿Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo?
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.
¿Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo?
A
B
A
B
Contornos: líneas de igual presión
Flechas: vector viento
Circulación media de gran escala
ecuador terrestre
PS
Déficit radiativo
Exceso
radiativo
Déficit radiativo
Radiación solar incidente
Radiación terrestre emergente
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
Transporte de calor
en la atmósfera y océano
PN
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
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
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
Circulación media de gran escala
Régimen de Rossby
Nubes de
tormentas
Las ondas de Rossby transportan calor hacia el polo y además
producen las perturbaciones extratropicales.
Sur
Latitud
Norte
Ondas de Rossby (baroclinicas) en el HS
A
B
Norte
Latitud
A
Vaguada
Oeste
Sur
Aire cálido
Dorsal
Contornos:
Campo de presión
en superficie
B
Aire frío
Longitud
Colores:
Campo de presión
en 5000 m. Similar al
campo de Temperatua
a ese nivel.
Este
Flechas y circulo lleno
Viento en 5000 m
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 al
este del eje de la vaguada tropospfera media
• Centros de alta presión en superficie tienden a ubicarse al
este del eje de la dorsal en tropospfera media
Frontogenesis en el HS
Latitud
B
B
Frente cálido
Aire frío
Colores: Temperatura en niveles bajos
Contornos: Presión superficial
Puntos:
Trazadores de velocidad
Oeste
Longitud
Este
Sur
Norte
Frente frío
Sur
Latitud
Norte
Aire cálido
Frentes en el HS
Los frentes corresponden a las áreas de
encuentro de las masas de aire frío y cálido. En
ambos casos el aire cálido, menos denso,
asciende sobre el aire frío. En ese proceso, la
humedad condensa formando nubes y
precipitación
Frentes en el HS
B
Ejemplo: 26-06-2001
Cambios de tiempo en Santiago
Condición:
Frontal
Post - Frontal
http://met.dgf.uchile.cl/tiempo/
Pre - Frontal
Frontal ....
Tx: Temperatura máxima, Tn: Temperatura minima
Condición normal
Condición prefrontal-frontal
debilitamiento de la inversión
Bajas Tx en la cuenca, Tn moderadas
Amplitud térmica baja
Condición post-frontal -Vaguada costera:
Intensificación de la inversión (alta Tx, bajo Hx)
Aire seco (baja Tn en la cuenca)
flujo nocturno de ladera fuerte (alta Tn local)
Frecuencia de ocurrencia
Cambios de tiempo en Santiago
Tmin
Tmed
Tmáx
Temperatura del aire en Santiago (DGF) [C]
Rango Tmin : 0 – 10°C
Rango Tmax : 10 – 25°C
Duración típica: 7 días (3-15)
Recurrencia típica: 4 / mes (3-7)
Factores de escala local:
• Inversión térmica
• Flujos cordilleranos (Raco)
• Isla Calórica
Santiago (DGF), 530 m
La Obra (C. Maipo), 750 m
Factores de escala local:
Geografía de la cuenca
Cordillera de la
costa, h ∼ 1000 m
Cordillera de los
Andes, h ∼ 5000 m
Océano
Pácifico
33°S
N
34°S
72°W
Depresión
intermedia
70°W
Factores de escala local:
Inversión térmica - Perfiles de temperatura
Perfil típico sobre Santiago:
modificación por calentamiento
- enfriamiento superficial
Perfil típico en la costa
centro-norte de Chile: determinado
por subsidencia de gran escala
Altura
Altura
Atmósfera
libre
1300 m
1300 m
Inv. Térmica
600 m
600 m
CLM
0m
10C
20C
0m
Temperatura
10C
20C
Temperatura
Circulación regional
Circulación de
gran escala
Circulación
regional
N
Costa
Isla calorica de Santiago
Diferencia de temperaturas respecto a Santiago Centro [°C]
-5.0
-3.0
-2.0
-1.0
-2.0
-4.0
-3.0
-4.0
+5.0
-5.0
Adapato de Salinas 1982
-3.0
¿Pronóstico Numérico del Tiempo ?
→ Conocer la distribución espacial y temporal
de las variables que caracterizan la atmósfera
Ecuaciones básicas
r
v
v v
dV
1
ˆ
+ fk × V = − ∇p − FR + g
dt
ρ
∂ v
( + V ⋅ ∇ )T − S ω = Q
∂t
P
RAD
v ∂ω
∇ ⋅V +
=0
∂p
∂ ( gz )
RT
=−
∂p
p
+Q
Conv
+Q
Conservación
de Momentum
Sfc
Conservación
de Energía
Conservación
de Masa
Ec. gases
ideales
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
• Modelos regional (area limitada) versus modelos
globales.
Horizontal domain
Horizontal grid spacing
Horizontal grid type
Vertical resolution below 800 hPa
Integration times
Spin-up time
Lead applications
Physical parametrizations
Initialization (IC)
Regional
Global
1000 × 1000 km2
108 km2
1-50 km
200-500 km
Regular grid point
Spectral (T45 / R63)
10-15
4-9 (5 in CCM3)
Days to weeks (year?)
Season to decades
Few hours
Few years
NWP –
Diagnosis of weather events
Climate studies, seasonal
prediction
Several options
Single option
Analysis
Cold start
Lateral Boundary Conditions (LBC)
Analysis, Forecast
Bottom Boundary Conditions (BBC)
Fixed / Coupled
Coupled with ocean
or land
Modelos regionales: Situación actual
•
Modelamiento regional es realizado en Instituciones Estatales,
Universidades y Empresas Privadas, como una herramienta de
pronóstico del tiempo. Este desarrollo ha sido posible gracias a:
•
Disponibilidad de computadores de multi-proceso de precio económico
que proveen capacidad de super-computador
•
Disponibilidad de códigos computacionales muy eficientes y robustos
(MM5, RAMS, ETA)
•
Disponibilidad de condiciones de borde pronósticadas por centros
internacionales (USA, UK, Brasil) que emplean modelos globales y
distrubuyen sus resultados a través de Internet.
D1
MM5-DGF
(Abr. 2002 - 2003)
D2
met.dfg.uchile.cl/tiempo/MM5
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)
D1
MM5-DGF
met.dfg.uchile.cl/tiempo/MM5
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 V5.1-594, 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).
Efecto sobre la representacion de los Andes
Lat: 33.5 S
Rojo: 45 km
Verde: 15 km
Azul: 1 km
Mapas sinópticos
Series de Tiempo
Series de Tiempo Extendida
Cortes tiempo-altura
a. Met. variable (Taire, R, etc.)
b.Seeing (T≈1 día)
Condiciones actuales
Pronóstico del tiempo
c. River runoff (T≈1 semana)
Pronóstico del tiempo
Condiciones iniciales
d. Tomato growth (T≈2 mes)
Predicción climática
Condiciones iniciales
Tiempo (2 meses)
3 días
Pronóstico Numérico del Tiempo
MM5 – DGF: Situación Actual y Perspectivas
Herramienta
MM5 Actual
NCEP-MM5 Actual
Perspectiva regional
de potencial de incendio
100
1000
Pronóstico regional
de potencial de incendio
10
Pronóstico predial
de potencial de incendio
100
Manejo de Incendios
1
0.5
1
10000
3
Plazo de Previsión [días]
7
Cobertura espacial [km]
Resolución Espacial [km]
MM5 Futuro
Interpolación