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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