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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) Facultad de Ciencias Físicas Escuela Académico Profesional de Física SIMULACI Ó N DEL CICLO DIURNO DE LA PRECIPITACI Ó N Y DEL CALENTAMIENTO EN SUDAM É RICA Bach. Berlin Segura Curi - PowerPoint PPT Presentation
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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
(Universidad del Perú, Decana de América)
Facultad de Ciencias Físicas
Escuela Académico Profesional de Física
SIMULACIÓN DEL CICLO DIURNO DE LA PRECIPITACIÓN Y DEL CALENTAMIENTO EN SUDAMÉRICA
Bach. Berlin Segura Curi
Tesis para optar el Título Profesional de Licenciado en Física
Lima-Perú
2005
• Conocer el comportamiento diurno de la precipitación y del calentamiento simulado con un modelo numérico.
• Estudiar la variación diurna del balance térmico en la atmósfera simulado con un modelo numérico.
Motivación
Objetivos
• Simular el ciclo diurno de la precipitación y los calentamientos latente y radiativo usando el Modelo de Circulación General Atmosférico (MCGA)
• Comparar la precipitación modelada con la nubosidad convectiva observada a partir de imágenes de satélite
• Analizar la distribución vertical del calentamiento total modelada.
•Modelo de Circulación General Atmosférico (MCGA)
•Área de estudio:
Metodología
•Periodo de estudio: 15 primeros días de enero del 2002
58-68°W4-10°S
• El MCGA reprodujo la hora de máxima precipitación (2pm) en la Amazonía central que coincide con la máxima precipitación observada en el experimento LBA.
• El MCGA reprodujo dos bandas de precipitación (Andes, Amazonía central) durante la tarde, que coinciden con las bandas de frecuencia nubosidad convectiva obtenido por Garreaud y Wallace (1997).
• En el balance térmico de la atmósfera según el MCGA, durante el día predomina el calentamiento latente, mientras que durante la noche predomina el enfriamiento por onda larga.
Resultados
Antecedentes
Fundamento teórico
Descripción del modelo
Parametrización del ROL
Metodología y datos
Resultados
Conclusiones
Recomendaciones
Antecedentes
Ciclo diurno de la precipitación, promediada sobre 29 días (enero-febrero 1999) para el área de Rondonia
(precipitación observada por el LBA vs modelo ECMWF)
Fuente: Chaboureau y Bechtold (2003)
Antecedentes
Frecuencia de nubosidad convectiva, deducido de imágenes de satélite para 9 años - verano austral (diciembre, enero y febrero)
Fuente: Garreaud y Wallace (1997)
Antecedentes
Calentamiento/enfriamiento por ROL Esquema de ROL del MCGA (LWRAD) vs Cálculo línea por línea
Fuente: Segura Curi (2002)
Antecedentes
Calentamiento/enfriamiento diabático en la tropósfera media-superior, según un modelo de nubes mesoescala
durante la noche
Fuente: Churchill y Houze (1991)
Antecedentes
Calentamiento/enfriamiento diabático en la tropósfera media-superior, según un modelo de nubes mesoescala
durante el día
Fuente: Churchill y Houze (1991)
Antecedentes
Razón de cambio de la tempertura en equilibrio térmico, según el modelo climático unidimensional.
Fuente: Manabe y Strickler (1964)
Atmósfera clara Atmósfera con nubosidad
Fundamento Teórico
Fuente: Peixoto y Oort (1992)
Balance de la radiación global
Fundamento Teórico
• Ley de Planck.• Ley de Stefan-Boltzmann• Ley del desplazamiento de Wien• Ley de Kirchhoff
Leyes físicas de la radiación
Mecanismo de transferencia de energía
• Radiación• Conducción• Convección
• Ultravioleta ( < 0.4 m)• Visible (0.4 < < 0.8 m)• Infrarrojo cercano ( > 0.8 m)
Fundamento Teórico
Radiación solar ( < 4 m)
Radiación terrestre ( > 4 m)
Rango espectral en un sistema climático
Fundamento Teórico
Transferencia radiativa para una radiación infrarroja(Ecuación de Schawrzchild)
)]([ TBIkdm
dI
Donde:I = Intensidad de la radiación incidente monocromática
B(T) = Función de Planck
k = Coeficiente de extinción
dm = Elemento de masa (dm=ds)ds = Distancia atravesada = Densidad del medio
dWdQdU
Fundamento teórico
Primera ley de la termodinámica
Entalpía
dpdqdh dTcdh
Tasa de calentamiento
dt
dp
dt
dTc
dt
dqp
Fundamento teórico
Tasa de calentamiento radiativo
dt
dp
dt
dTc
z
Fp
1
p
F
c
g
dt
dT
p
Donde:T = Temperatura de una capa zF = Flujo radiativocP = Calor especifico del aire a presión constante
= Densidad del aire
1167.1004 KJKgcp3/17.1 mKg
Fq
1
• Modelo de Circulación General Atmosférico CPTEC/COLA• Resolución espacial de 2.8°X 2.8° • Parametrizaciones físicas: convección, radiación de onda larga
y onda corta y un esquema de nubes.• Condiciones iniciales: presión, temperatura, vorticidad y
humedad específica.• Condiciones de frontera inferior: TST,TSM, cobertura de hielo
en el mar, humedad del suelo sobre la tierra, albedo de la superficie y profundidad de la nieve.
• Condiciones de frontera superior: restricción cinemática de la velocidad vertical (en coordenadas sigma) a ser nula en la superficie y el tope del modelo, para satisfacer la conservación de la masa.
Descripción del modelo
Descripción del modelo
Ley de Conservación del momento horizontal
Hidrodinámica
FVkfpRTdt
Vds )ln(
Ley de Conservación de la masa
Ley de Conservación de la energía
VpVt
ps
s lnln
p
s
pp c
q
dt
pd
c
RT
c
RTTTV
t
T
ln
Descripción del modelo
Procesos de humedad
• Condensación a gran escala
• Convección profunda:Esquema de Kuo modificado
Esquema relajado de Arakawa-Shubert modificado
• Convección somera: Esquema de Tiedtke
• Calentamiento por onda cortaEsquema de Lacis y Hansen modificado por Davies, el calentamiento es debido a la absorción de radiación de onda corta por H2O y O3.
• Calentamiento por onda largaEsquema de Harshvardhan y Davis, el calentamiento/enfriamiento es debido a la absorción/emisión de radiación de onda larga por H2O, CO2, O3 y nubes.
La distribución desigual del calentamiento por onda corta y onda larga induce gradientes de presión, que originan el movimiento del aire en la atmósfera.
Descripción del modelo
Procesos radiativos
• Nubes convectivas:
Cúmulos y cumulonimbus
• Nubes de supersaturación:
Nubes altas: cirrus
Nubes medias: altoestratus y altocúmulos
Nubes bajas: estratos, estratocúmulos y nimboestratos
Descripción del modelo
Esquema de nubes
Parametrización del ROL
Fuente: Tarasova y Santos Chagas (1996)
Rango espectral para la radiación de onda larga
Parametrización del ROL
pdpd
ppdpTBppTBpF
sp
p
issii
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pdpd
ppdpTBpF
sp
ii
)),(())(()(
0
)(
)(
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pT
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pTBpppTBppTBpppTBpF
)(
)(
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pT
ttii
t
pdTT
pTBpppTBpppTBpF
Flujos radiativos
Parametrización del ROL
Condición de cielo claro
)(
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)(pdT
T
pTppGpTppGTppGpTBpF
sPT
pT
ississiii
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)(pdT
T
pTppGpTppGpTBpF
PT
pT
ittiii
t
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i
dTBTBi
)()(
Flujo de un cuerpo negro
Función G(,T)
p
F
c
g
z
F
cdt
dT n
p
n
p
1)()( pFpFF iin
dppTpKpp rr /),(),(exp2),( 21
1
0
21
i
i
dTB
dTBppTpp
)(
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21
21
Función de transmisividad
Transmisividad difusa
K(pr,Tr) = Coeficiente de absorción lineal molecular del H2O(p1,p2)= Cantidad de H2O escalada entre los niveles de presión p1 y p2
Parametrización del ROL
Parametrización del ROL
Condición de cielo nublado
)(),(
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)(
)(pdTppC
T
pTppGpTppGTppGppCpTBpF
sPT
pT
ississisii
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)(
)(pdTppC
T
pTppGpTppGppCpTBpF
PT
pT
ittitii
t
C(p,ps)= Probabilidad de la línea de visión clara entre los niveles de presión p y ps
• Se ha usado el Modelo de Circulación General Atmosférico (CPTEC/COLA)
• Área de estudio: Amazonía central (58 a 68 °W, 4 a 10 °S)
• Periodo de estudio: 15 primeros días de enero del 2002, con intervalos de tiempo cada 2horas.
• Se calcularon los promedios y las anomalías horarias de la precipitación y del calentamiento por medio de los programas GrADS y Matlab.
Metodología y datos
• Tasa de precipitación sobre la superficie (mm/día)• Calentamiento latente convectivo a un nivel de 400mb (K/h)• Calentamiento radiativo de onda corta a un nivel de 400mb (K/h)• Calentamiento radiativo de onda larga a un nivel de 400mb (K/h)
Metodología y datos
Datos del modelo
Datos observados
• Porcentaje de nubosidad convectiva con temperaturas menores a –40°C en el tope de las nubes, obtenido de las imágenes infrarrojas según el satélite GOES-8 (Geostationary Operational Environmental Satellite)
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelo
Resultados
Datos del modelo
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos observados
Resultados
Datos observadoshora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelo
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelo
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelo
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Resultados
Datos del modelohora local = hora z – 4horas
Conclusiones
• El MCGA reprodujo la hora de máxima precipitación (2pm) en la Amazonía central que coincide con la máxima precipitación observada en el experimento LBA.
• El MCGA reprodujo dos bandas de precipitación (Andes, Amazonía central) durante la tarde, que coinciden con las bandas de frecuencia nubosidad convectiva obtenido por Garreaud y Wallace (1997).
• El máximo porcentaje de nubosidad (datos observados por satélite) ocurrido a las 6pm, coincide con el instante de máxima frecuencia de nubosidad convectiva obtenido por Garreaud y Wallace (1997).
• En el balance térmico de la atmósfera según el MCGA, durante el día predomina el calentamiento latente, mientras que durante la noche predomina el enfriamiento por onda larga.
• El MCGA produjo máximo calentamiento lantente (2pm) que coincide con la máxima precipitación.
Conclusiones
• Para un mejor análisis de la variación diurna del calentamiento y la precipitación, se debería estudiar en la estación de verano (diciembre, enero y febrero) y con intervalos de tiempo de una hora.
• Para tener una mejor representación del porcentaje de nubosidad convectiva (datos observados por satélite), se debería trabajar con una mayor cantidad de datos.
• Simular el ciclo diurno de la precipitación y del calentamiento sobre los Andes usando el MCGA y comparar la precipitación modelada con datos observados (estaciones meteorológicas).
Recomendaciones