predictabilidad: sensibilidad a las condiciones iniciales en una onda baroclÍnica inestable....

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PREDICTABILIDAD: SENSIBILIDAD A LAS CONDICIONES INICIALES EN UNA ONDA BAROCLÍNICA INESTABLE. Natalia Pessacg, Paula González y Josefina Blázquez Modelado Numérico de la Atmósfera. Julio de 2008

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Page 1: PREDICTABILIDAD: SENSIBILIDAD A LAS CONDICIONES INICIALES EN UNA ONDA BAROCLÍNICA INESTABLE. Natalia Pessacg, Paula González y Josefina Blázquez Modelado

PREDICTABILIDAD: SENSIBILIDAD A LAS CONDICIONES

INICIALES EN UNA ONDA BAROCLÍNICA INESTABLE.

Natalia Pessacg, Paula González y Josefina Blázquez

Modelado Numérico de la Atmósfera. Julio de 2008

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INTRODUCCIÓN

Lorenz (1963a, 1963b) descubrió que la atmosfera, al igual que

cualquier sistema dinámico inestable, tiene un límite finito a su

predictabilidad. Este límite está asociado a las características

caóticas de estos sistemas. Considerando que pequeñas

perturbaciones en la condición inicial pueden influenciar la

predicción numérica, en este trabajo, se propuso estudiar la

sensibilidad a las condiciones iniciales en una situación de

inestabilidad baroclínica idealizada.

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CONFIGURACIÓN DEL M ODELO

Modelo utilizado: WRF;

Resolución horizontal: 100 km.;

Niveles verticales: 25;

Tope de la atmósfera: 16km.;

Retícula horizontal: C de Arakawa;

Condición inicial: un jet baroclínicamente inestable situado en

el Hemisferio Norte;

Condiciones de borde: simétricas en los extremos N-S, y

periódicas en los extremos E-W;

Tiempo de integración: 6 días.

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EXPERIMENTOS REALIZADOS

a) Sensibilidad a las condiciones iniciales

Se desactivaron las parametrizaciones de la radiación, de la capa límite planetaria, modelo de suelo y capa de superficie. Para parametrizar la microfísica se utilizo el esquema de Kessler, y para la convección Kain-Fritsch.

Experimento C1: corrida de control, condiciones iniciales estándar.

Experimento PTR: Perturbación en temperatura en forma aleatoria

Experimento PTS: Perturbación en temperatura en forma sinusoidal.

Experimento PUR: Perturbación viento zonal en forma aleatoria.

Experimento PUS: Perturbación en el viento zonal en forma sinusoidal .

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EXPERIMENTOS REALIZADOS

b) Sensibilidad a las condiciones iniciales en casos sin parametrizaciones de microfísica y convección

Se desactivaron todas las parametrizaciones.

Experimento C2: corrida de control, condiciones iniciales estándar.

Experimento PTR2: Perturbación en temperatura en forma aleatoria

Experimento PTS2: Perturbación en temperatura en forma sinusoidal.

Experimento PUR2: Perturbación viento zonal en forma aleatoria.

Experimento PUS2: Perturbación en el viento zonal en forma sinusoidal .

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EXPERIMENTOS REALIZADOS

c) Sensibilidad a las condiciones iniciales en casos sin esquema convectivo.

Se desactivaron las parametrizaciones de la radiación, de la capa límite planetaria, modelo de suelo y capa de superficie y de la convección. Para parametrizar la microfísica se utilizó el esquema de Kessler.

Experimento C3: corrida de control, condiciones iniciales estándar.

Experimento PTR3: Perturbación en temperatura en forma aleatoria

Experimento PTS3: Perturbación en temperatura en forma sinusoidal.

Experimento PUR3: Perturbación viento zonal en forma aleatoria.

Experimento PUS3: Perturbación en el viento zonal en forma sinusoidal .

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RESULTADOS: Simulación del ciclo de vida de una onda baroclínica

Se observa la zona baroclínica y la

estructura de jet del viento zonal.

(configuración que se repite en C3)

Page 9: PREDICTABILIDAD: SENSIBILIDAD A LAS CONDICIONES INICIALES EN UNA ONDA BAROCLÍNICA INESTABLE. Natalia Pessacg, Paula González y Josefina Blázquez Modelado

Haber desactivado la parametrización de la convección no generó

diferencias significativas entre las simulaciones para estas

variables

En el caso en que se desactivaron tanto las

parametrizaciones de la microfísica como de la

convección (C2), se observó que el sistema de baja presión era

más débil.

RESULTADOS: Simulación del ciclo de vida de una onda baroclínica

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No se detectan diferencias relevantes entre ambas

simulaciones (con esquema convectivo, C1 y sin esuqema

convectivo, C3)

RESULTADOS: Simulación del ciclo de vida de una onda baroclínica

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Precipitación promediada en el dominio anterior (reducido en la

dirección meridional).

Se observa un débil aporte de la precipitación convectiva.

RESULTADOS: Simulación del ciclo de vida de una onda baroclínica

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. con esquema convectivo

Exceptuando la simulación

PUR, las demás simulaciones muestran un

desplazamiento del sistema

de baja presión hacia el oeste, respecto a C1

Se obtienen errores de mayor amplitud al perturbar la temperatura, que al perturbar el viento zonal.

La magnitud de los errores es mayor al perturbar en forma sinusoidal (perturbación inicial organizada) que en forma aleatoria.

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. con esquema convectivo

Se obtienen mayores errores en las simulaciones en las que se perturba la temperatura respecto a las que se perturba el viento zonal.

Exceptuando la simulación PUR las diferencias en viento zonal y temperatura en las demás simulaciones

son consistentes

con el desplazamiento del sistema de baja presión

hacia el oeste, respecto a C1.

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. con esquema convectivo

En todas las variables, los errores alcanzan mayor

amplitud en la simulación PTS, mientras que en las

simulaciones PUS y PTR crecen en forma análoga. Los errores

en la simulación PUR, no crecen en el período

analizado, excepto en la variable precipitación.

PTSPUSPTRPUR

PTSPUSPTRPUR

PTSPUSPTRPUR

PTS-C1

PUS-C1

PTR-C1

PUR-C1

PTS-C1

PUS-C1

PTR-C1

PUR-C1

PTS-C1

PUS-C1

PTR-C1

PUR-C1

PTS-C1

PUS-C1

PTR-C1

PUR-C1

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. con esquema convectivo

En los casos en los que se perturbó aleatoriamente, en el primer tiempo la distribución de densidad espectral es similar para todos los números de onda, mientras que en los casos en los que se perturbó en forma organizada la mayor densidad espectral para el primer tiempo se localiza para el número de onda dos, este hecho está vinculado a la

manera en la que fue calculada la energía (perturbación sinusoidal, elevada al cuadrado).

En todos los casos, se observa una tendencia al

crecimiento de las escalas espaciales de

los errores con el tiempo, siendo ésta

mayor en el caso PTS-C1.

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. sin esquema convectivo

En el caso de PTR3-C3, el patrón de

errores indicaría que el sistema de baja presión no se desplazó hacia el oeste como en los

casos en los que se consideró el

esquema convectivo, además se observa un

aumento de la presión en el

centro del sistema.

En el caso de la precipitación, se registran diferencias entre PTR3 y C3, pero las mismas no presentan una estructura organizada. En los casos en los que se perturbó

de forma organizada (PTS3 y PUS3), al igual que en los que se consideró esquema convectivo, el sistema se desplazó hacia el oeste.

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. sin esquema convectivo

En los casos en los que se consideraron perturbaciones organizadas (PTS3 y PUS3) no se detectan cambios importantes en la estructura de los errores respecto de los

observado en los experimentos realizados con esquema convectivo. Respecto a los experimentos en los que se incluyeron perturbaciones aleatorias (PTR3 y PUR3), se

puede observar que los errores no se organizan como en los casos anteriores, debido a que el sistema en este último caso no se desplazó.

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PTS3

PUS3

PTR3

PUR3

PTS3

PUS3

PTR3

PUR3

PTS3

PUS3

PTR3

PUR3

PTS3

PUS3

PTR3

PUR3

RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. sin esquema convectivo

Para las diferencias de presión, viento zonal y

temperatura, el crecimiento del error es mayor cuando

consideramos perturbaciones organizadas (PTS3 y PUS3), mientras que

en el caso de la precipitación, la simulación PTR3 también muestra un importante crecimiento del error. Además es posible

observar que en los últimos tiempos analizados las

diferencias cuadráticas de las cuatro variables

estudiadas muestran un mayor crecimiento para el

experimento PUS3, y no para PTS (caso con esquema

convectivo).

PTS3-C3

PUS3-C3

PTR3-C3

PUR3-C3

PTS3-C3

PUS3-C3

PTR3-C3

PUR3-C3

PTS3-C3

PUS3-C3

PTR3-C3

PUR3-C3

PTS3-C3

PUS3-C3

PTR3-C3

PUR3-C3

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RESULTADOS: Estructura y crecimiento del error. Exp. sin esquema convectivo

Para las simulaciones en donde el error tuvo

un máximo crecimiento, tanto en el caso con esquema convectivo

(PTS), como en el experimento sin

esquema convectivo (PTS3), la máxima

densidad espectral se concentra de manera más marcada en las

escalas mayores cuando no se consideró parametrización para la

convección.

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RESULTADOS: Sensibilidad a la humedad

Se realizó una nueva serie de experimentos en donde se

consideró un aumento del 10% en la humedad específica inicial

en todos los niveles.

Zhang et al. (2002) y Zhang et al. (2003) encontraron que la tasa de crecimiento de los errores es dependiente de los procesos húmedos.

Se generaron dos nuevas simulaciones de control. El

experimento C4, análogo al C1 (con esquema convectivo) y el experimento C5, análogo a C3 (sin esquema convectivo), pero utilizando en ambos el aumento

en el perfil de humedad.En este caso, sólo se realizó un

experimento en donde se perturbó el campo de

temperatura de manera organizada (tanto para el caso con esquema convectivo PTS4, como para el caso sin esquema

convectivo, PTS5).

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RESULTADOS: Sensibilidad a la humedad

MENOS HUMEDAD MÁS HUMEDAD

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RESULTADOS: Sensibilidad a la humedad

Para todas las variables, se puede observar que la estructura de los errores es similar a los casos en los que no se modificó

el perfil de humedad inicial

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RESULTADOS: Sensibilidad a la humedad

En ambas variables, el crecimiento de los

errores es mayor en los casos en que se

consideró el perfil de humedad modificado,

respecto a las simulaciones en donde

se utilizó el perfil de humedad sin cambios

PTS-C1

PTS3-C3

PTS4-C4

PTS5-C5

PTS-C1

PTS3-C3

PTS4-C4

PTS5-C5

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RESULTADOS: Sensibilidad a la humedad

En el caso del viento zonal, el crecimiento de los errores es mayor en

los casos en que se consideró el perfil de humedad modificado,

respecto a las simulaciones en donde

se utilizó el perfil de humedad sin cambios. Sin embargo esto no se detecta claramente en

la temperatura.

PTS-C1

PTS3-C3

PTS4-C4

PTS5-C5

PTS4-C4

PTS5-C5

PTS-C1

PTS3-C3

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CONCLUSIONES

En los experimentos en los que se consideró esquema convectivo, el crecimiento de los errores fue más sensible a las perturbaciones en la temperatura que a las de viento zonal, ya fuese en el caso de perturbar de manera organizada como aleatoriamente. En cambio, en los experimentos en los que se desactivó la parametrización de la convección, el crecimiento de los errores fue más sensible a la estructura de las perturbaciones que a la variable perturbada, predominando la perturbación sinusoidal.

Independientemente de la perturbación que se introdujo, si los errores se organizaban, lo hacían siempre con la misma estructura. Esto evidencia la existencia de una dirección de máximo crecimiento de los errores para la situación dinámica simulada.

Como consecuencia de haber aumentado la humedad se produjo un incremento en las magnitudes de los errores, pero no se modificaron sus estructuras espaciales ni sus patrones de crecimiento.