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El Clima Moderno I:Circulación de la Atmósfera
René D. [email protected]
Departamento de GeofísicaUniversidad de Chile
1. El Sujeto - Las Herramientas - Los prinicipios2. Circulación General de la Atmósfera3. ENSO4. Modelamiento de la Atmosfera
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 )
Estructura de la atmosféra: Perfil vertical de Temperatura
Presión atmosférica(peso columna de aire)
99% de la masa de la atmósfera bajo los 30 km..compare con R= 6300 km
Balance Global de Energía
Fuente Flujo de Energía promedio [J/m2/s = W/m2]
Solar 1360.0
Geotermal 0.7
Radioactiva 0.03
Otras 0.001
Energía Solar ⊂ Radiación Electromagnética (Ley de Plank)
0.01 0.1 1 10 100 10e3 λ[µm]X-Ray UV Visible IR-cercano IR Microndas
Longitud de Onda
Radiación Solar (Ts = 5800 K)
Radiación Terrestre (Ts=290 K)
Energía
Espectro Electromagnético
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
T+dTCálido
T – dTFrío
x,yp+dp
p-dp
B Ax
y
Pre
sión
Altu
raCorte vertical
Plano horizontal Nivel inferior
Circulación atmosférica...principios básicos
Calentamiento diferencial produce áreas de alta y baja presión....
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
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)
A B
¿Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo?
Contornos: líneas de igual presiónFlechas: vector viento
A
B
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
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
EnergíaPotencial
Máx
Mín
EnergíaCinética
Mín
Máx
Mín
Disipación
Lat. altas Lat. bajas
Frío Cálido
Altura
Qsfc
OLR
Energética en latitudes medias
Climatología del transporte de calor a 850 hPa por transientes → Corredores de tormentas (storm track)
DEF
JJA
• AGCM: Global Circulation Models• OGCM: Ocean Circulaion Models• CGMC: Coupled Circulation Models
Dinámica AtmosféricaQuimica Atmosférica
Transferencia Radiativa
Hidrósfera / Criósfera / Biósfera
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
Dinámica Atmosférica
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
i. Porque los queremos tanto?
• Herramienta útil y única de pronóstico de largo plazo• Análisis de sensibilidad: CB / Gases / Topografía...• Diagnóstico
ii. Como es posible tanta maravilla?
• Leyes de conservación pueden resolverse numéricamente• Computadores de gran capacidad
iii. Cual es la letra chica?
• Simplificación de las ecuaciones primitivas• Aproximaciones numéricas• Incertidumbre en condiciones iniciales y de borde• Procesos de sub-grilla
Modelos Climáticos
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).