El Clima Moderno I:Circulación de la Atmósfera

René D. Garreaudrgarreau@dgf.uchile.cl

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 (ROC) y terrestre (ROL) es modificada por la atmosféra...

...lo cual es visto desde el espacio en una escala global...

ROL

ROC

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

B

Frentes en el HS

Ejemplo: 26-06-2001

Transportede calor

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).

Efecto sobre la representacion de los Andes

Lat: 33.5 S

Rojo: 45 kmVerde: 15 kmAzul: 1 km

Mapas sinópticos

Series de Tiempo

EnergíaPotencial

Máx

Mín

EnergíaCinética

Mín

Máx

Mín

Disipación

Lat. altas Lat. bajas

Frío Cálido

Altura

Qsfc

OLR

Energética en latitudes medias