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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
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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
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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
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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 )
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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)
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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Red de observación local (CONAMA-DMC)
Ejemplo: red de CONAMA-RM.Observaciones horarias de T, HR, viento,
Rad. Solar y calidad del aire
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Mapa de Observaciones
Análisis Objetivo, presión-temperatura
Cartas del tiempo
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¿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
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A B
¿Porque nos gustan tanto las cartas del tiempo?
Contornos: líneas de igual presiónFlechas: vector viento
A
B
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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
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ecuador
Alisios (niveles bajos)
Circulación media de gran escalaRégimen de Hadley: latitudes bajas
ZCIT: Zona de convergencia intertropical
Subsidencia subtropical
9707.fulldisk.goes8.mov
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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B
Frentes en el HS
Ejemplo: 26-06-2001
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http://met.dgf.uchile.cl/tiempo/
Cambios de tiempo en Santiago
Post - FrontalFrontal Frontal ....Pre - FrontalCondición:
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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
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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)
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Santiago (DGF), 530 mLa Obra (C. Maipo), 750 m
Factores de escala local:
• Inversión térmica• Flujos cordilleranos (Raco)• Isla Calórica
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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
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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
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Circulación regional
Costa
Circulación de gran escala
Circulaciónregional
N
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-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
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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
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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
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• 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
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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.
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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)
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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).
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Efecto sobre la representacion de los Andes
Lat: 33.5 S
Rojo: 45 kmVerde: 15 kmAzul: 1 km
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Mapas sinópticos
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Series de Tiempo
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Series de Tiempo Extendida
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Cortes tiempo-altura
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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
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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