Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

72
Simulació numèrica de l’atmosfera a la mesoscala: present i futur Jordi Mazon Bueso 1

Transcript of Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Page 1: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Simulació  numèrica  de  l’atmosfera  a  la  mesoscala:  present  i  futur  

Jordi  Mazon  Bueso  1  

Page 2: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

   

2.  El  model  WRF-­‐ARW  

Outline  

4.  Necessitats  futures  

2  

1.  Què  és  un  model  atmosfèric?  

3.  Exemples  d’aplicació    

Page 3: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

1.  Què  és  un  model  atmosfèric?  

3  

Page 4: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

4  

Models  Globals:            GFS,  ECMWF  

Models  d’àrea  limitada:  WRF  

Microscala:              LES  

Les  escales  meteorologiques  

Page 5: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

5  

   Atmosfera  és    un  fluid  conSnu  

Equacions  dinàmica  i  termodinàmica                                es  resolen  en  punts  

Mallat  3D  de  la  troposfera  

Mallat  peSt                          millor  resolució  fenòmens  Vsics                                (convecció,  trasnferència  fluxes,  …)  

   Augmenta    temps  càlcul  

Page 6: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

6  

Els  models  s’actualitzen  diàriament    amb  dades  de:  

SuperVcie  

Aire  

Mar  

Page 7: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

2.  El  model  WRF-­‐ARW  

7  

Page 8: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

8  

-­‐  Usat  a  més  de  150  paisos,  per  més  de  250.000  usuaris    -­‐  Comença  als  anys  1990:  NCAR,  NOAA,  Univ.  Oklahoma.      -­‐   InvesSgació    en  Vsica  de  l’atmosfera  (enegia  renovables)  i  la  

predicció  del  temp.    -­‐  Modelització  mesoscalar,  codi  obert:  Fortran90,  UNIX/Linux  

compaSble  amb  compiladors  IGP,  Intel,  GNU    -­‐  Permet  diversos  esquemes  Vsics  de  parametrització.      -­‐  Ultra-­‐alta  resolució  (100  m)  fins  a  km.      -­‐  NCAR  recolza  els  usuaris  amb  Forum,  cursos  i  seminaris,  tallers.        

Què  és  el  model  WRF-­‐ARW?  Breus  caracterísiSques:  

Page 9: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

(Shamarock  et  al.,  2008)    

Què  és  el  model  WRF-­‐ARW?  Estructura  

Weather  Research  and  Forecast  model  Advanced  Research  WRF  is  a  compressible  non-­‐hydrostaSc  finite  model  

9  

(Preprocessing  System)  

Page 10: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

3.  Alguns  casos  d’exemple  

10  

3.1  Fronts  costaners  i  densitats  de  corrent  a  la  Mediterranea  3.2  Els  flash-­‐heat  3.3  Els  antroponúvols  3.4  Bandes  de  neu  al  BàlSc  3.5  Ciclogènesis  explosives  3.6.  I  si  el  volca  Crsocat  no  exisms?    

Page 11: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

11  

   1    

Fronts  costaners  i  densitat  de  corrents  nocturnes  

Page 12: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Coastal front

Wet and warm air

Drainage winds

SEA

LAND

Com  es  formen  els  fronts  i  les  densitat  de  corrent?  

Density currents

12  

Fenòmen  nocturn  i  sobre  el  mar:                    poques  observacions  

Page 13: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Cold air θc V H

Warm and wet air (Mediterranean air) U θw

Warm air lifted LCL

LFC

If  H>LFC     ConvecSve  clouds  

If  LCL<H<LFC     StraSform  clouds  

If  LCL>H   No  clouds  

13  

Page 14: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

?  

Israel  Newman  (1951)    

References  of  nocturnal  CFs  around  the  world  

Bangladesh,  Thailand,  Vietnam,  Malaysia,  Borneo,  Sumatra,  Taiwan  Ohsawa  et  al.  (2003);  Wu  et  al.  (2008);  Yu  et  al.  (2004)  Houze  et  al.  (1981);  Mori  et  al.  (2004)  

NE  Iberian  Peninsula  Callado  et  al.  (2006)    

Hawaii  Frye  et  al.  (2001)  Lau  et  al.  (1999)  

Brasil  Kousky  et  al.  (1980)  

Colombia  Mapes  et  al.  (2003)  Warner  et  al.  (2003)  

Kenya  Camberlin  et  al.  (1997)  

Japan  Murakami  et  al.  (1983)  

Darwin  (Australia)  Wapler  et  al.  (2012  

 CFs  around  the  world  

14  

Page 15: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

29-­‐Jan-­‐08  

6-­‐Sept-­‐11  

3-­‐March-­‐11  

13-­‐Oct-­‐10  

4-­‐Dec-­‐10  30-­‐Jan-­‐08  

6-­‐Jan-­‐11  

3-­‐Dec-­‐10  

4-­‐Oct-­‐11  

28-­‐Sept-­‐04  

17  CFs  have  been  detected  since  2004  (searching  in  a  random  way)  

         10  are  the  simulated  and  studied  CFs.  

       LocaSon  and  data  of  the  10  studied  CFs    (dashed  line  indicates  quasi-­‐staSonary  CFs).        

15  

Page 16: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

D3  

WRF  set  up  

Resolu7on   #  points  27  km   50x40  9  km   76x64  3  km   85x97  1  km   70x70  

T  start:  5  January  2011  at  00  UTC  T  run:  66  hours.    

16  

CF5:  Israel  

Page 17: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

03  UTC   06  UTC  

08  UTC  

Surface  θ  (color  contours)    and    wind  field  (arrows)  

Δθ≈10  K  

17  

Page 18: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Surface  divergence  (color  contours)  and  wind  field  (arrows)    (From  22  UTC  on  5  January  to  11  UTC  on  6  January  2011)  

18  

Page 19: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

1-­‐h  accumulated  precipitaSon  (color  contours)  and  surface  wind  field  (arrows)  

(from  22  UTC  on  5  January  to  08  UTC  on  6  January)  

19  

Page 20: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

20  

10-­‐h  accumulated  precipitaSon  (color  contours)  and  surface  wind  field  (arrows)  at  08  UTC  on  6  January  2011    

Page 21: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Δθ ≈ 10 K  

PotenSal  temperature  (color  contours),  

equivalent  potenSal  temperature  (contour  lines)  and  wind  field  

(arrows)  

w  ≈  1.1  ms-­‐1  

dθe/dz  <  0  

00 UTC 04 UTC

08 UTC

21  

Page 22: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

CF10:  Cèl·∙lules  de  pluja  a  les  desembocadures  del  Llobregat,  Besòs,  Tordera.  

ObservaSons   13  October  2010  

MeteoCat  

Page 23: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

WRF  set  up  

D4  

Resolu7on   #  points  27  km   50x50  9  km   40x37  3  km   52x52  1  km   70x90  

T  start:  11  October  2010  at  00  UTC  T  run:  90  hours.    

23  

Page 24: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

21  UTC   23  UTC   00  UTC  

Upper  panel:  SFC  θ  (color  contours)  and  wind  field  (arrows)  Lower  panel:  SFC  divergence  (color  contours)  and  wind  field  (arrows)  

Δθ≈6  K  

24  

Page 25: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

VerScal  cross  secSon  along  AA’    

 θ  (color  contour)  θe  (contour  lines)  

Cloud  water  mixing-­‐raSo(dashed  lines)    wind  filed  (arrows)  

21  UTC   23  UTC  

01  UTC  

25  

Page 26: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

D3  

Resolu7on   #  points  18  km   125x110  6  km   223x199  2  km   355x355  

T  start:  28  January  2008  T  run:  90  hours  

26  

CF6:  El  paper  de  la  forma  de  la  costa:  el  cas  del  golf  de  Sidra  

WRF  set  up  

Page 27: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

           SFC    divergence  

           1-­‐h  precipitaSon  

04  UTC   08  UTC  

08  UTC  04  UTC  

27  

Page 28: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

A   A’  

VerScal  cross  secSon  along  AA’  of  θ  (color  contour),  θe  (contour  lines)  and  wind  field  (arrows)  

28  

Page 29: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

w  ≈  0.9  ms-­‐1  

w  ≈  1.3  ms-­‐1  dθe/dz  >  0  

LCL≈  800  -­‐    1100  m  03 UTC 06 UTC

08 UTC

SecSon  AA’:    

θ  (color  contours)  θe  (black  contours)    wind  field  (arrows)  

w  <  0  

29  

Page 30: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

SecSon  BB’:    

θ  (color  contours)  θe  (black  contours)    wind  field  (arrows)  

03 UTC 06 UTC

08 UTC

30  

Page 31: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

CF9:  Llevant  peninsula  Ibèrica    

31  

Page 32: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

WRF  set  up  

D3  

Resolu7on   #  points  18  km   80x80  6  km   121x112  2  km   148x148  

T  start:  5  January  2011  at  00  UTC  T  run:  66  hours  

32  

Page 33: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

SFC  θ  (color  contours)  and  wind  field  (arrows)                

   6  September  2011  

00  UTC   03  UTC  

06  UTC  

33  

Page 34: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

SFC  divergence  (color  contours)  and  wind  field  (arrows)  –  6  September  2011    

From  22  UTC  on  5  to  10  UTC  on  6  September  

34  

Page 35: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

1-­‐h  accumulated  precipitaSon  (color  contours  )  and  wind  field  (arrows)    

From  00  UTC  to  08  UTC  on  6  September  

35  

Page 36: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

VerScal  secSon  AA’  of:      

From  22  UTC  on  5  to  10  UTC  on  6  September  

θ  (color  contour),    θe  (black  contours),    

Liquid  water  mixing-­‐raSo  (dashed  lines)  

wind  field  (arrows)  

36  

Page 37: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

EXPERIMENT  NUMÈRIC  

ΔSST=2.2  K  

ΔSST=2.5  K  

SST  has  increased  according  to  Somot  et  al.  (2008)  

SSTR:  SimulaSon  with  SST  modified  CR:  SimulaSon  with  SST  values  provided  by  ECMWF   37  

Page 38: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

10-­‐h  accumulated  precipitaSon  (color  contours)  and  surface  wind  field  (arrows)  6  September  2011  at  08  UTC  

38  

Page 39: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

CR-­‐SSTR  wind  speed  at  04  UTC  

39  

Page 40: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

10-­‐h  accumulated  precipitaSon  (color  contorus)  and  surface  wind  field  (arrows)  6  January  2011  08  UTC  

40  

Page 41: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

CR-­‐SSTR  wind  speed  at  04  UTC  

Page 42: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

42  

2  Flash  heat  

Page 43: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

43  

h�p://glossary.ametsoc.org/wiki/Flash_heat    

Què  és  un  flash  heat?  (Flaix  de  calor)  

El  27-­‐08-­‐1010  rècord  històric  de  Tmax  a  Barcelona  en  230  anys  de  registres!....  Però  no  en  onada  de  calor…..  Va  durar  menys  de  8  h!  

Page 44: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

44  

Barcelona:  27  Agost  2010  

Amb  traç:  Model  WRF  Sense  traç:  observacions  Fabra    

Page 45: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

45  

10  UTC   12  UTC  

15  UTC   18  UTC  

Page 46: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

46  

21  de  març  del  2008:  Heraklion  

Page 47: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

47  03  UTC   09  UTC  

22  UTC   00  UTC  

Page 48: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

48  

Page 49: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

49  

                       3  Antroponúvols  

Foto:  Prof.  Jeroni  Lorente  –  21  Setembre  2012  

Page 50: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

50  

MeteoSat  

Page 51: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

51  

Perfil  verScal  al  centre  del  D4                          (punt  vermell)  

Page 52: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

52  

02  UTC  11  UTC  

21  UTC  

Page 53: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

53  

02  UTC   11  UTC   21  UTC  

Page 54: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

54  

   

4      

Bandes  de  neu  al  BàlSc  

Page 55: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

2  Feb  00  UTC   3  Feb  09  UTC  

3  Feb  21  UTC   4  Feb  12  UTC  

OBSERVATIONS:  ReflecSvity  radar  images  from  FMI  

PHASE  I  

PHASE  II  

Page 56: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

 WRF  simulaSon:  The  snow  band  on  1-­‐4  February  2012      

•  3  nested  domains:  18,  6,  2  km  

•  44  σ  verScal  levels  •  PBL  MRF  scheme  (Hong  and  

Pan,  1996)  •  LW  RRTM  scheme  (Mlawer  

et  al.,  1997)  •  SW  MM5  scheme  (Dudhia,  

1989)  •  Microphysics,  WSM  scheme  

(Hong  et  al.,  2004)  •  No  cumulus  

parameterizaSon  •  IniSal  and  boundary  

condiSons  updated  every  6  hours  from  ECWMF  

Helsinki  

Tallin  

Page 57: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

2  Feb  00  UTC  

3  Feb  00  UTC  

Easterly  winds  along  the  gulf                      (free  ice,  lake  effect)  

Easterly  winds  veer  southeasterly  

Cold  outbreaks  

PHASE  1:  1-­‐2  FEB  

Page 58: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

ConvecSve  rolls  over  the  coast  

PHASE  2:  3-­‐4  FEB  3  Feb  18  UTC  

4  Feb  09  UTC  

Southerly,  across  the  Finnish  coast  

Cold  outbreak  

Page 59: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

A)  Both  cold  outbreaks  move  offshore    from  the  Estonian  and  Finnish  coasts...    Winds  parallels  to  the  coastline  along  the  Gulf  

03  February  12  UTC  

B)  2  land-­‐breezes  cells  forms:    -­‐Strong  convecSon  over  the  sea  up  to  1000  m  

PHASE  1:  Easterlies  &  cold  outbreaks  (1-­‐2  FEB)  

2  Feb  00  UTC  

2  Feb  10  UTC  

-­‐Subsidence  over  Estonian  and  Finnish  coast.  

Finland   Estonia  

Finland   Estonia  

PotenSal  temp.,  Θ  (color  contour)  Wind  (arrows)  Cloud  mixing  raSo  (black  dashed  lines)  

Page 60: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

03  February  18  UTC  

 Wind  veers  across  the  coast  Cold  outbreak  through  the  Estonian  coast  hit  the  Finnish  coast.    

PHASE  2:  Southerly  (3-­‐4  FEB)  

3  Feb  00  UTC  

4  Feb  09  UTC  

Strong  convecSon  over  the  Finnish  coast  up  to  1500  m  

The  cold  stagnant  inland  air  over  the  Finnish  coastline  enhanced  the  upward  movement:                                  HCR  over  the  coast  

Finland   Estonia  

Finland   Estonia  

Page 61: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Wind  module  

Two  LLJ  over  the  Finnish  and  Estonian  coasts  

FINLAND   ESTONIA  

   

2  Feb  00  UTC  

Geostrophic  wind  decrease    above  the  LLJ’s  

Baroclinicity  

Page 62: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

62  

5  Ciclogènesis  explosiva  

Page 63: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

63  

Page 64: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

64  

Page 65: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

65  

6    

I  si  no  exisSssin  els  volcans  de  la  Garrotxa?  

Page 66: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

D1: Resolució de 27 km (10 minuts) D2: Resolució de 9 km (5 minuts) D3: Resolució de 3 km (30 segons) D4: Resolució de 1 km (30 segons)

Page 67: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

S’ha   reduït   en   300   metres     la  topografia  d’una  àrea  de  10x10  km,  al  voltant  del  volcà  Croscat  

Page 68: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

68  

AMB  el  volcà  Croscat   SENSE  volcà  Croscat  

22  UTC  

04  UTC  

10  UTC  

17  Setembre  2011  

Page 69: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur
Page 70: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

Esclafit  a  la  Fageda  el  17  Setembre  2011  

06  UTC  

Olot   Corb   Fageda  

3  UTC  

Page 71: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

4.  Futur  de  la  simulació  atmosfèrica  

71  

Page 72: Simulació numèrica de l'atmosfera a la mesoscala: present i futur

72  

 1.  reduir  el  Sme  step  (tout<30  min)  2.  Augmentar  la  resolució  espacial  (x<  100  m)      

Més  rapidesa  de  càlcul  permetrà:  

Millora  simulació  fenòmens  com:  convecció,                        transferència  de  fluxes                        microVsica  atmosfèrica                        

Moltes  gràcies  per  l’atenció  !