Simulació numèrica de l’atmosfera a la mesoscala: present i futur
Jordi Mazon Bueso 1
2. El model WRF-‐ARW
Outline
4. Necessitats futures
2
1. Què és un model atmosfèric?
3. Exemples d’aplicació
1. Què és un model atmosfèric?
3
4
Models Globals: GFS, ECMWF
Models d’àrea limitada: WRF
Microscala: LES
Les escales meteorologiques
5
Atmosfera és un fluid conSnu
Equacions dinàmica i termodinàmica es resolen en punts
Mallat 3D de la troposfera
Mallat peSt millor resolució fenòmens Vsics (convecció, trasnferència fluxes, …)
Augmenta temps càlcul
6
Els models s’actualitzen diàriament amb dades de:
SuperVcie
Aire
Mar
2. El model WRF-‐ARW
7
8
-‐ Usat a més de 150 paisos, per més de 250.000 usuaris -‐ Comença als anys 1990: NCAR, NOAA, Univ. Oklahoma. -‐ InvesSgació en Vsica de l’atmosfera (enegia renovables) i la
predicció del temp. -‐ Modelització mesoscalar, codi obert: Fortran90, UNIX/Linux
compaSble amb compiladors IGP, Intel, GNU -‐ Permet diversos esquemes Vsics de parametrització. -‐ Ultra-‐alta resolució (100 m) fins a km. -‐ NCAR recolza els usuaris amb Forum, cursos i seminaris, tallers.
Què és el model WRF-‐ARW? Breus caracterísiSques:
(Shamarock et al., 2008)
Què és el model WRF-‐ARW? Estructura
Weather Research and Forecast model Advanced Research WRF is a compressible non-‐hydrostaSc finite model
9
(Preprocessing System)
3. Alguns casos d’exemple
10
3.1 Fronts costaners i densitats de corrent a la Mediterranea 3.2 Els flash-‐heat 3.3 Els antroponúvols 3.4 Bandes de neu al BàlSc 3.5 Ciclogènesis explosives 3.6. I si el volca Crsocat no exisms?
11
1
Fronts costaners i densitat de corrents nocturnes
Coastal front
Wet and warm air
Drainage winds
SEA
LAND
Com es formen els fronts i les densitat de corrent?
Density currents
12
Fenòmen nocturn i sobre el mar: poques observacions
Cold air θc V H
Warm and wet air (Mediterranean air) U θw
Warm air lifted LCL
LFC
If H>LFC ConvecSve clouds
If LCL<H<LFC StraSform clouds
If LCL>H No clouds
13
?
Israel Newman (1951)
References of nocturnal CFs around the world
Bangladesh, Thailand, Vietnam, Malaysia, Borneo, Sumatra, Taiwan Ohsawa et al. (2003); Wu et al. (2008); Yu et al. (2004) Houze et al. (1981); Mori et al. (2004)
NE Iberian Peninsula Callado et al. (2006)
Hawaii Frye et al. (2001) Lau et al. (1999)
Brasil Kousky et al. (1980)
Colombia Mapes et al. (2003) Warner et al. (2003)
Kenya Camberlin et al. (1997)
Japan Murakami et al. (1983)
Darwin (Australia) Wapler et al. (2012
CFs around the world
14
29-‐Jan-‐08
6-‐Sept-‐11
3-‐March-‐11
13-‐Oct-‐10
4-‐Dec-‐10 30-‐Jan-‐08
6-‐Jan-‐11
3-‐Dec-‐10
4-‐Oct-‐11
28-‐Sept-‐04
17 CFs have been detected since 2004 (searching in a random way)
10 are the simulated and studied CFs.
LocaSon and data of the 10 studied CFs (dashed line indicates quasi-‐staSonary CFs).
15
D3
WRF set up
Resolu7on # points 27 km 50x40 9 km 76x64 3 km 85x97 1 km 70x70
T start: 5 January 2011 at 00 UTC T run: 66 hours.
16
CF5: Israel
03 UTC 06 UTC
08 UTC
Surface θ (color contours) and wind field (arrows)
Δθ≈10 K
17
Surface divergence (color contours) and wind field (arrows) (From 22 UTC on 5 January to 11 UTC on 6 January 2011)
18
1-‐h accumulated precipitaSon (color contours) and surface wind field (arrows)
(from 22 UTC on 5 January to 08 UTC on 6 January)
19
20
10-‐h accumulated precipitaSon (color contours) and surface wind field (arrows) at 08 UTC on 6 January 2011
Δθ ≈ 10 K
PotenSal temperature (color contours),
equivalent potenSal temperature (contour lines) and wind field
(arrows)
w ≈ 1.1 ms-‐1
dθe/dz < 0
00 UTC 04 UTC
08 UTC
21
CF10: Cèl·∙lules de pluja a les desembocadures del Llobregat, Besòs, Tordera.
ObservaSons 13 October 2010
MeteoCat
WRF set up
D4
Resolu7on # points 27 km 50x50 9 km 40x37 3 km 52x52 1 km 70x90
T start: 11 October 2010 at 00 UTC T run: 90 hours.
23
21 UTC 23 UTC 00 UTC
Upper panel: SFC θ (color contours) and wind field (arrows) Lower panel: SFC divergence (color contours) and wind field (arrows)
Δθ≈6 K
24
VerScal cross secSon along AA’
θ (color contour) θe (contour lines)
Cloud water mixing-‐raSo(dashed lines) wind filed (arrows)
21 UTC 23 UTC
01 UTC
25
D3
Resolu7on # points 18 km 125x110 6 km 223x199 2 km 355x355
T start: 28 January 2008 T run: 90 hours
26
CF6: El paper de la forma de la costa: el cas del golf de Sidra
WRF set up
SFC divergence
1-‐h precipitaSon
04 UTC 08 UTC
08 UTC 04 UTC
27
A A’
VerScal cross secSon along AA’ of θ (color contour), θe (contour lines) and wind field (arrows)
28
w ≈ 0.9 ms-‐1
w ≈ 1.3 ms-‐1 dθe/dz > 0
LCL≈ 800 -‐ 1100 m 03 UTC 06 UTC
08 UTC
SecSon AA’:
θ (color contours) θe (black contours) wind field (arrows)
w < 0
29
SecSon BB’:
θ (color contours) θe (black contours) wind field (arrows)
03 UTC 06 UTC
08 UTC
30
CF9: Llevant peninsula Ibèrica
31
WRF set up
D3
Resolu7on # points 18 km 80x80 6 km 121x112 2 km 148x148
T start: 5 January 2011 at 00 UTC T run: 66 hours
32
SFC θ (color contours) and wind field (arrows)
6 September 2011
00 UTC 03 UTC
06 UTC
33
SFC divergence (color contours) and wind field (arrows) – 6 September 2011
From 22 UTC on 5 to 10 UTC on 6 September
34
1-‐h accumulated precipitaSon (color contours ) and wind field (arrows)
From 00 UTC to 08 UTC on 6 September
35
VerScal secSon AA’ of:
From 22 UTC on 5 to 10 UTC on 6 September
θ (color contour), θe (black contours),
Liquid water mixing-‐raSo (dashed lines)
wind field (arrows)
36
EXPERIMENT NUMÈRIC
ΔSST=2.2 K
ΔSST=2.5 K
SST has increased according to Somot et al. (2008)
SSTR: SimulaSon with SST modified CR: SimulaSon with SST values provided by ECMWF 37
10-‐h accumulated precipitaSon (color contours) and surface wind field (arrows) 6 September 2011 at 08 UTC
38
CR-‐SSTR wind speed at 04 UTC
39
10-‐h accumulated precipitaSon (color contorus) and surface wind field (arrows) 6 January 2011 08 UTC
40
CR-‐SSTR wind speed at 04 UTC
42
2 Flash heat
43
h�p://glossary.ametsoc.org/wiki/Flash_heat
Què és un flash heat? (Flaix de calor)
El 27-‐08-‐1010 rècord històric de Tmax a Barcelona en 230 anys de registres!.... Però no en onada de calor….. Va durar menys de 8 h!
44
Barcelona: 27 Agost 2010
Amb traç: Model WRF Sense traç: observacions Fabra
45
10 UTC 12 UTC
15 UTC 18 UTC
46
21 de març del 2008: Heraklion
47 03 UTC 09 UTC
22 UTC 00 UTC
48
49
3 Antroponúvols
Foto: Prof. Jeroni Lorente – 21 Setembre 2012
50
MeteoSat
51
Perfil verScal al centre del D4 (punt vermell)
52
02 UTC 11 UTC
21 UTC
53
02 UTC 11 UTC 21 UTC
54
4
Bandes de neu al BàlSc
2 Feb 00 UTC 3 Feb 09 UTC
3 Feb 21 UTC 4 Feb 12 UTC
OBSERVATIONS: ReflecSvity radar images from FMI
PHASE I
PHASE II
WRF simulaSon: The snow band on 1-‐4 February 2012
• 3 nested domains: 18, 6, 2 km
• 44 σ verScal levels • PBL MRF scheme (Hong and
Pan, 1996) • LW RRTM scheme (Mlawer
et al., 1997) • SW MM5 scheme (Dudhia,
1989) • Microphysics, WSM scheme
(Hong et al., 2004) • No cumulus
parameterizaSon • IniSal and boundary
condiSons updated every 6 hours from ECWMF
Helsinki
Tallin
2 Feb 00 UTC
3 Feb 00 UTC
Easterly winds along the gulf (free ice, lake effect)
Easterly winds veer southeasterly
Cold outbreaks
PHASE 1: 1-‐2 FEB
ConvecSve rolls over the coast
PHASE 2: 3-‐4 FEB 3 Feb 18 UTC
4 Feb 09 UTC
Southerly, across the Finnish coast
Cold outbreak
A) Both cold outbreaks move offshore from the Estonian and Finnish coasts... Winds parallels to the coastline along the Gulf
03 February 12 UTC
B) 2 land-‐breezes cells forms: -‐Strong convecSon over the sea up to 1000 m
PHASE 1: Easterlies & cold outbreaks (1-‐2 FEB)
2 Feb 00 UTC
2 Feb 10 UTC
-‐Subsidence over Estonian and Finnish coast.
Finland Estonia
Finland Estonia
PotenSal temp., Θ (color contour) Wind (arrows) Cloud mixing raSo (black dashed lines)
03 February 18 UTC
Wind veers across the coast Cold outbreak through the Estonian coast hit the Finnish coast.
PHASE 2: Southerly (3-‐4 FEB)
3 Feb 00 UTC
4 Feb 09 UTC
Strong convecSon over the Finnish coast up to 1500 m
The cold stagnant inland air over the Finnish coastline enhanced the upward movement: HCR over the coast
Finland Estonia
Finland Estonia
Wind module
Two LLJ over the Finnish and Estonian coasts
FINLAND ESTONIA
2 Feb 00 UTC
Geostrophic wind decrease above the LLJ’s
Baroclinicity
62
5 Ciclogènesis explosiva
63
64
65
6
I si no exisSssin els volcans de la Garrotxa?
D1: Resolució de 27 km (10 minuts) D2: Resolució de 9 km (5 minuts) D3: Resolució de 3 km (30 segons) D4: Resolució de 1 km (30 segons)
S’ha reduït en 300 metres la topografia d’una àrea de 10x10 km, al voltant del volcà Croscat
68
AMB el volcà Croscat SENSE volcà Croscat
22 UTC
04 UTC
10 UTC
17 Setembre 2011
Esclafit a la Fageda el 17 Setembre 2011
06 UTC
Olot Corb Fageda
3 UTC
4. Futur de la simulació atmosfèrica
71
72
1. reduir el Sme step (tout<30 min) 2. Augmentar la resolució espacial (x< 100 m)
Més rapidesa de càlcul permetrà:
Millora simulació fenòmens com: convecció, transferència de fluxes microVsica atmosfèrica
Moltes gràcies per l’atenció !