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Tiempo y Clima en Chile central:Fundamentos y Predictabilidad
Departamento de GeofísicaUniversidad de Chile
1. El tiempo atmosférico y pronóstico del tiempoRelator: Dr. René Garreaud
2. Clima y predicción climáticaRelator: Dr. Patricio Aceituno
Temperatura del aireen Santiago (DGF)
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 Amplitud media y extremosü Duración típica de los ciclosü Recurrencia típica de los ciclosü Procesos físicos asociadosü Predictabilidad y relevancia
2000 2001 2002 2003 2002
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
10-9 m
1 m – 10.000 km
1 m
–20
km
En el contexto de meteorología y climatología la naturaleza moleculardel aire puede ser sustituida por una aproximación de fluido continuo
ϕ = ϕ ( x, y, z, t )
Variables meteorológicas
• g/Kg• hPa, mb
•Razón de Mezcla•Presión parcial
Masa substancias especificas
W/m2Flujo de energía por unidad de área y tiempo
Energía recibida, absorbida, transmitida
•Densidad (ρ)•Presión atmosférica (Pa)
Velocidad (u,v,w)
Temperatura
Variable de estado
• Kg/m3
• hPa, mb
m/s
°Celsius, °KelvinT[K]=T[C]+273
Unidades (SI)Propiedad del aire
Masa total
Energía cinética(mov. agregado de partículas)
Energía Interna(mov. partículas)
Agua en la Atmósfera
Interface
Agua
Aire
LG
Flujo neto = FN = F(L→G) - F(G→L)
GL
H20
El contenido de vapor de agua en el aire se caracteriza por la razón de mezcla (q) expresada en gr (vapor) / Kg (aire) .
En Santiago q ∼ 5 gr/KgEn Fortaleza (Br) q ∼ 15 gr/Kg
Razón de mezclade vapor de agua
(q)
FN
Evaporación
Condensación
Saturación
Temperaturadel aire (T)
Razón de mezclade saturación (qsat)
El valor de q para el cualFN = 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 Clausius-Clapeyron
El flujo neto de vapor depende críticamente del contenido de vapor del aire (q)
Agua en la Atmósfera
Parámetros de Humedad:
Ta: Temperatura del aire Td: Temperatura de rocióqsat = razón de mezcla de saturación a temperatura Taq = razón de mezcla del aire
HR = 100 × q / qsat : Humedad relativa
Temperaturadel aire
Razón de mezclade saturación
TaTd
q
qsat
CCEn general q < qsat. La saturación puede alcanzarce aumentando q (humidificación) o disminuyendo T (enfriamiento). Formación de nubes y neblina...
Agua en la Atmósfera
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)
LE = C*U*(qsfc-qa) Solar Infraroja
Flujos turbulentos
Calor sensible (H) Calor latente (LE)
Radiación (RN)
Conducción desde el submedio (G)
H = C*U*(Ta-Ts)
Balance de Energía Superficial e Indices de Temperatura
Sistemas de observación
Cobertizo meteorológico:
Termómetro (Hg) normal y max/minTermómetro de bulbo húmedo/seco (q)Higrómetro de cabello (HR)Barómetro (presión)PluviómetroAnemómetro-veletaHeliógrafo (horas de sol)
Estación Meteorológica automática:
Termómetro e higrometroPiranómetro (Rad. Solar / neta)PluviómetroAnemómetro-veletaDatalogger – modulo memoriaSistema 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 Radiosondas: Perfiles verticales (20 km)de T, HR, viento, presión, cada 12 hr
Red de Superficie:Observaciones met. cada 6 horas (UTC)(Chile HL=UTC-4)
Red de observación global (OMM)
Red de observación local (CONAMA-DMC)
Ejemplo: red de CONAMA-RM.Observaciones horarias de T, HR, viento,
Rad. Solar y calidad del aire
Mapa de Observaciones
Análisis Objetivo, presión-temperatura
Cartas del tiempo
¿Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo?
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 alos 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.
Debido a la relación entre el campo de presión y el viento
A B
¿Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo?
Contornos: líneas de igual presiónFlechas: vector viento
A
B
Radiación solar incidenteRadiación terrestre emergente
Déficit radiativo
Déficit radiativo
Excesoradiativoecuador terrestre
PN
PS
Tran
spo
rte de calo
ren
la atmó
sfera y océan
o
Circulación media de gran escala
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
ecuador
Alisios (niveles bajos)
Circulación media de gran escalaRégimen de Hadley: latitudes bajas
ZCIT: Zona de convergencia intertropical
Subsidencia subtropical
9707.fulldisk.goes8.mov
ecuador
A
B
B
ZCIT
33S
A
Subsidencia subtropical asociada a la formación de anticiclones subtropicales, interrumpidos por bajas continentales
Circulación media de gran escalaRégimen de Hadley: latitudes bajas
Presión 5000 m ∼ Geopotencial 500 hPa(≈ Temperatura 5000 m )
Vaguada
Dorsal
Frío Cálido Frío Cálido
Circulación media de gran escalaRégimen de Rossby: latitudes medias y altas
Circulación media de gran escalaRégimen de Rossby
Las ondas de Rossby transportan calor hacia el polo y además producen las perturbaciones extratropicales.
Nubes de tormentas
Vaguada
Dorsal
B AA
Oeste Longitud Este
Sur
Lat
itud
N
orte
Colores:Campo de presiónen 5000 m. Similar alcampo de Temperatuaa ese nivel.
Contornos:Campo de presiónen superficie
Aire frío
Aire cálido
B
Flechas y circulo llenoViento en 5000 m
Sur
Lat
itud
N
orte
Ondas de Rossby (baroclinicas) en el HS
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
Ondas de Rossby (baroclinicas) en el HS
Colores:Presión en superficie
Contornos:Presión en 5000 m
(geopotencial 500 hPa)
B
Frente cálido
Frente frío
Colores: Temperatura en niveles bajosContornos: Presión superficialPuntos: Trazadores de velocidad
Aire frío
Aire cálido
Oeste Longitud Este
Sur
Lat
itud
N
orte
Sur
Lat
itud
N
orte
Frontogenesis en el HS
B
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
B
Frentes en el HS
Ejemplo: 26-06-2001
http://met.dgf.uchile.cl/tiempo/
Cambios de tiempo en Santiago
Post - FrontalFrontal Frontal ....Pre - FrontalCondición:
Condición normal
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)
Condición prefrontal-frontaldebilitamiento de la inversión
Bajas Tx en la cuenca, Tn moderadasAmplitud térmica baja
Tx: Temperatura máxima, Tn: Temperatura minima
Cambios de tiempo en Santiago
Temperatura del aire en Santiago (DGF) [C]
Fre
cuen
cia
de
ocu
rren
cia
Tmin Tmed Tmáx
Rango Tmin : 0 – 10°CRango Tmax : 10 – 25°CDuración típica: 7 días (3-15)Recurrencia típica: 4 / mes (3-7)
Santiago (DGF), 530 mLa Obra (C. Maipo), 750 m
Factores de escala local:
• Inversión térmica• Flujos cordilleranos (Raco)• Isla Calórica
OcéanoPácifico
Cordillera de lacosta, h ∼ 1000 m
Cordillera de losAndes, h ∼ 5000 m
Depresiónintermedia
N
Factores de escala local:Geografía de la cuenca
33°S
34°S
70°W72°W
10C 20C Temperatura
CLM
Inv. Térmica
Atmósfera libre
600 m
1300 m
0 m
Perfil típico en la costacentro-norte de Chile: determinadopor subsidencia de gran escala
Altura
10C 20C Temperatura
600 m
1300 m
0 m
Perfil típico sobre Santiago:modificación por calentamiento- enfriamiento superficial
Altura
Factores de escala local:Inversión térmica - Perfiles de temperatura
Circulación regional
Costa
Circulación de gran escala
Circulaciónregional
N
-1.0
-2.0
-3.0
-2.0-3.0
-4.0-4.0
-3.0
-5.0
-5.0
+5.0
Isla calorica de SantiagoDiferencia de temperaturas respecto a Santiago Centro [°C]
Adapato de Salinas 1982
gFpVkfdtVd
R
vvvr
+−∇−=×+ρ1ˆ
SfcConvRADPQQQSTV
t++=−∇⋅+
∂∂
ω)(v
0=∂∂
+⋅∇p
Vωv
pRT
pgz
−=∂
∂ )(
Ecu
acio
nes
bási
cas
Conservaciónde Momentum
Conservaciónde Energía
Conservaciónde Masa
Ec. gases ideales
¿Pronóstico Numérico del Tiempo ?
→ Conocer la distribución espacial y temporalde las variables que caracterizan la atmósfera
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.
Regional Global
Horizontal domain 1000 × 1000 km2 108 km2
Horizontal grid spacing 1-50 km 200-500 km
Horizontal grid type Regular grid point Spectral (T45 / R63)
Vertical resolution below 800 hPa 10-15 4-9 (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
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 centrosinternacionales (USA, UK, Brasil) que emplean modelos globales ydistrubuyen sus resultados a través de Internet.
MM5-DGF(Abr. 2002 - 2003)
met.dfg.uchile.cl/tiempo/MM5
D1
D2
D3
Detalles de la corrida
D1: 135 x 135 (km) - 34 x 40 x 30 puntosD2: 45x45 (km) - 55 x 55 x 30 puntosD3: 15 x 15 (km) - 73 x 73 x 30 puntos
Inicialización: Un ciclo 0000 UTC (2000 HL) cada díaPeriodo de simulación: 72 horas → 144 horas!Intervalo de salida: 1 horaCondiciones de borde e iniciales: NCEP-NOAA (USA)
MM5-DGFmet.dfg.uchile.cl/tiempo/MM5
D1
D2
D3
Recursos Utilizados
Computador: Alpha Server 4100Procesadores: 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 MBytesTamaños aproximados de las salidas: 790 MBytesTransformaciones 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 kmVerde: 15 kmAzul: 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)
c. River runoff (T≈1 semana)
d. Tomato growth (T≈2 mes)
Tiempo (2 meses)3 días
Condiciones actualesPronóstico del tiempo
Pronóstico del tiempoCondiciones iniciales
Predicción climáticaCondiciones iniciales
Pronóstico Numérico del TiempoMM5 – DGF: Situación Actual y Perspectivas
Plazo de Previsión [días]
Cobertura espacial [ km
]R
esol
ució
n E
spac
ial [
km]
10
1
0.5
100
31 7
100
1000
10000
Pronóstico regionalde potencial de incendio
Pronóstico predialde potencial de incendio
Manejo de Incendios
Perspectiva regionalde potencial de incendio
MM5 Actual NCEP-MM5 Actual
Herramienta
MM5 FuturoInterpolación