Joaquín Blanco Soledad Cardazzo

1. PRONOSTICO NUMERICO LA PARAMETRIZACION DE LA CAPA LIMITE ATMOSFERICA Joaquín Blanco Soledad Cardazzo

2. 1 – Introducción Y Objetivos

3. El presente trabajo tiene por objetivo estudiar la capa limite, para un caso real y uno idealizado utilizando el modelo WRF. El modelado y la parametrización de capa limite tienen múltiples aplicaciones, abarcando todas las escalas espaciales y temporales. Una parametrización local de capa limite puede ser interpretada de forma idealizada como torbellinos turbulentos en una pequeña capa de la atmósfera que interactúan solo con las capas adyacentes, mientras que los no locales pueden afectar diversos niveles en la vertical. La primera parte de este trabajo se vuelca a la simulación de una capa limite idealizada. Se espera en primer lugar, representar la capa limite y obtener los esquemas básicos de las diferentes variables. En la segunda parte , se simula una situación con condiciones iniciales reales y se comparan las salidas del modelo con observaciones.

4. 2 - Conceptos Teóricos

5. 1 2 3 4 5 6 7 1-Variación local de TKE 2-Advección de TKE por el viento medio 3-Termino de producción / consumo de TKE por empuje térmico. 4-Termino de producción mecánico (por cortante). 5-Transporte turbulento de TKE 6-Redistribución de TKE por perturbaciones de presión (asociado a ondas de gravedad internas) 7-Disipación La ecuación de balance de Energía cinética turbulenta

6. El numero de Richardson Ri < 0 Atmósfera inestable Ri €(0,1) Atmósfera estáticamente estable y dinámicamente inestable Ri > 1 Atmósfera estable Ric = 0.25

7. El sistema de ecuaciones para un flujo turbulento

8. Teoria –K: clausra de orden 1: se aproximan las correlaciones o momentos de orden 2. Clausura de orden 0: no hay ecuaciones de pronostico Clausura TKE Yamada - Janjic clausura de orden 1 ½ : clausura de orden 2 con algunas simplificaciones (menos ecuaciones de pronostico) gran costo computacional El problema de la clausura

9. local no local La clausura no local

10. Sea una variable cualquiera promediada en la caja de referencia, asociada a un punto de grilla i. Si es la fracción de aire en la caja i que proviene de la caja j en un periodo , entonces sumando sobre todas las cajas j se obtiene la concentración de la propiedad en la caja i: Matriz de NxN llamada Matriz de mezcla o Matriz de Intercambio (Transilient Matrix). La clausura no local

11. conservación de la masa de aire y conservación de la cantidad de variable advectada

12. no local local

13. 3 - Simulación con condiciones idealizadas

14. Experimento 1 (de control) : No Local (NL) • Microfísica: desactivado • Radiación de onda larga: esquema RRTM ( Rapid Radiative Transfer Model) • Radiación de onda corta: esquema Dudhia • Actualización de la parametrización de la radiación: cada 10 minutos • Capa de superficie: esquema Monin-Obukhov • Tipo de suelo: esquema Noah • Capa limite: esquema no local YSU (Yonsei University) • Actualización de la parametrización de la capa limite: inmediata • Convección: desactivada • Flujos de calor y humedad en superficie: activados • Efecto de cobertura de nieve: activado • Interacción nubosidad – espesor óptico (radiación): activado • Numero de capas de suelo: esquema Noah • Experimento 2: Local (L) • Capa limite: esquema local TKE orden 1 ½ : Mellor-Yamada-Janjic • Experimento 3: Conveccion+Microfisica (CM) • Microfísica: esquema Kessler • Convección: esquema Kain-Fritsch • Actualización de la parametrización de la convección: inmediata • Experimento 4: Tiempo Radiación (TR) • Actualización de la parametrización de la radiación: cada 60 minutos • Experimento 5: No Onda Corta (NOC) • Radiación de onda corta: desactivada • Experimento 5: No Onda Corta (NOC) • Radiación de onda corta: desactivada

15. Sobre las parametrizaciones de capa limite • Esquema no local YSU (Yonsei University): • Utiliza la teoría K y un término contragradiente para representar flujos turbulentos debido a gradientes no locales • Tiene tratamiento explicito de la zona de entrainment en el tope de la capa limite. • Entrainment proporcional a flujos de superficie (de acuerdo a simulaciones con torbellinos grandes) • Tope de la capa limite definida a partir de un Ri critico = 0 • Esquema local TKE orden 1 ½ : Mellor-Yamada-Janjic • El tratamiento del tope de la capa limite depende del empuje y la cortante, y por lo tanto, se opera diferente según sea el caso estable o inestable. • Los flujos verticales en la zona de entrainment son casi nulos dado que el tratamiento es local, y por otro lado porque las difusividades son pequeñas. • La ecuación de balance de TKE se resuelve iterativamente (Newton-Raphson).

16. Para este experimento se tomo un perfil ideal de temperatura, humedad relativa, viento y dirección del mismo. A continuación se muestran los perfiles de temperatura y de temperatura potencial y de humedad relativa con los cuales se inicializo la simulación. Como se ve en la figura, la atmósfera se encontraba estable para el comienzo de la simulación, y con una capa saturada entre los 920-900 hPa.

17. Se compara la evolución temporal de la distribución vertical del coeficiente de difusión K para el esquema local L y NL (ver figura : NL en negro, L en rojo). Las características generales son diferentes para los 2 esquemas. En ambos las difusiones aumentan gradualmente desde la salida del sol hasta las primeras horas de la tarde. En el caso no local, K disminuye rápidamente hacia la puesta del sol. Sin embargo, para el esquema local, los valores de difusión permanecen básicamente constantes desde la puesta del sol y durante buena parte de la noche, disminuyendo drásticamente a las 04 Z del día siguiente.

18. Experimentos: No local NL Local L Conveccion y Microfisica CM Tiempo flujos radiativos TR Sin radiación solar NOC.

19. Se muestran ver los perfiles de temperatura potencial para los distintos experimentos en dos tiempos de integración: 15Z (t=55) y 18Z(t=73). Experimentos: No local NL Local L Conveccion y Microfisica CM Tiempo flujos radiativos TR Sin radiación solar NOC. La CLP es 40-50 hPa mas baja con respecto al experimento control (NL) para el esquema L. Para CM tiene una altura aproximada de 80 hPa. En NOC no se observa CLP en ningún momento de tiempo que duro la simulación para esta variable, solo se vio una capa estable durante todo el periodo como muestran las figuras.

20. El esquema NL es capaz de reproducir una capa de mezcla mas profunda con una buena estructura vertical cerca del mediodía y pasada la tarde. La tendencia del esquema L a sobrestimar la humedad en la CLP es 1 g/kg cerca del mediodía con respecto al esquema control. Para el experimento CM la profundidad de la capa de mezcla es muy pequeña con respecto a los otros dos experimentos anteriores, tomando un valor de 20 hPa para el mediodía y de tan solo 40 hPa para la tarde. Para NOC el espesor de la capa de mezcla solo se puede apreciar para la tarde siendo esta de 20 hPa. Estos dos experimentos, el CM y el NOC tienden a sobrestimar la humedad en 3,5 - 6 g/kg respectivamente tanto para el mediodía como para la tarde con respecto a NL. Experimentos: No local NL Local L Conveccion y Microfisica CM Tiempo flujos radiativos TR Sin radiación solar NOC.

21. 06Z 12Z 18Z 00 Z 06 Z 960 hPa Experimento Local MYJ:

22. 4 - Simulación con condiciones reales

23. Simulación con condiciones iniciales dadas por el radiosondeo de la ciudad de Santiago del Estero, para el día 4 de febrero de 2003 a las 06 Z (3 hora local). Se corrió el modelo WRF durante un día, con salidas cada 10 minutos, desde las 06Z del dia 4 hasta las 06Z del día siguiente.

24. Experimento 1 (de control) : No Local (NL) §         Microfísica: esquema Kessler §         Radiación de onda larga: esquema RRTM ( Rapid Radiative Transfer Model) §         Radiación de onda corta: esquema Dudhia §         Actualización de la parametrización de la radiacion: inmediato. §         Capa de superficie: esquema Monin-Obukhov §         Tipo de suelo: esquema Noah §Capa limite: esquema no local YSU (Yonsei University) §         Actualización de la parametrización de la capa limite: inmediata §         Convección: esquema Kain-Fritsch §         Actualización de la parametrización de la convección: inmediata §         Flujos de calor y humedad en superficie: activados §         Efecto de cobertura de nieve: activado §         Interacción nubosidad – espesor óptico (radiación): activado §         Numero de capas de suelo: esquema Noah Experimento 2: Local (L) §Capa limite: esquema local TKE orden 1 ½ : Mellor-Yamada-Janjic

25. Humedad del suelo = 0.225 de acuerdo a datos de reanálisis del NCEP/DOE   Sobre los parámetros del suelo Tipo de suelo = 1: Suelo Urbano Uso de suelo = 19: Suelo desnudo o con poca vegetación de acuerdo a las opciones disponibles del modelo que mas se ajustan a la ciudad de Santiago del Estero. Sobre los niveles verticales del modelo Se utilizaron 20 niveles, asignando mayor resolución a las capas mas bajas; los niveles son: 1000 – 980 – 960 – 940 – 920 – 900 – 875 – 850 – 825 – 800 – 750 – 700 – 650 – 600 – 550 – 500 – 450 – 400 – 300 – 200

28. CAPE 06-12-18 Z Tmín = 25 C Tmáx = 40 C marcado ciclo diurno

32. ¿ A que pueden atribuirse las diferencias? * modelo WRF operó en los experimentos con 20 niveles * sondeo tiene una gran resolución en la vertical: 193 niveles. de hecho que hay diferencias en el tiempo de inicialización (06Z) entre el sondeo observado y el perfil obtenido con el modelo en ambos experimentos. El modelo, al disponer de solo unos pocos niveles verticales va a tender a suavizar valores extremos en la interpolación. La física y dinamica del modelo (todas las parametrizaciones elegidas para los diferentes procesos físicos y los esquemas de las ecuaciones utilizadas por el modelo). El error de pronostico del modelo, en particular para situaciones meteorológicas con eventos significativos de mesoescala o escala sinóptica. Teniendo en cuenta la situación sinóptica ya reseñada para este caso de estudio, el modelo efectivamente pronosticó abundante nubosidad y precipitación (para esta ultima variable solo en el experimento local) y esto limitó dramáticamente el desarrollo de la capa limite diurna, así como la Tmax del día.