Modelos Numéricos en Meteorología: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

Tipos de Modelos Numéricos en Meteorología

1. Modelos Barotrópicos

Los modelos barotrópicos fueron desarrollados para ser usados en los primeros calculadores electrónicos que surgieron en Estados Unidos en los años 40. Son los modelos más simples y están basados en la hipótesis barotrópica, que asume que las superficies isobáricas (presión constante) coinciden con las superficies de densidad constante. Esto implica que el gradiente isobárico es cero y el viento geostrófico no varía con la altura. Gracias a esta hipótesis, el sistema de ecuaciones diferenciales parciales (EDP) se reduce a una única ecuación diferencial para la vorticidad, que se resuelve en un único nivel vertical.

2. Modelos Baroclínicos

Una atmósfera baroclina se define como aquella en la que las superficies isobáricas e isopícnicas no coinciden. Por lo tanto, el gradiente isobárico de temperatura es distinto de cero y el viento geostrófico varía con la altura, pero solo en módulo y no en dirección. Los modelos baroclínicos pueden tener en cuenta una cierta estructura vertical de la atmósfera, ya que proporcionan variables que varían en la vertical. El primer modelo baroclino operativo se integró en Estados Unidos y era un modelo de tres niveles.

3. Modelos de Ecuaciones Primitivas

Los modelos de ecuaciones primitivas representaron el primer tipo de modelos numéricos cuyos resultados eran lo suficientemente buenos para usarse en la predicción diaria del tiempo en los servicios meteorológicos. Consideraban una estructura vertical completa de la atmósfera. Inicialmente, tenían diez niveles verticales, que fueron aumentando con el paso del tiempo.

Coordenadas Verticales en Modelos Numéricos

4. Ventajas e Inconvenientes de las Coordenadas Isentrópicas

Una superficie isentrópica es aquella en la que la temperatura potencial, θ, es constante.

Ventajas:

• Para movimientos adiabáticos secos, cada parcela de aire conserva su temperatura potencial; dθ/dt = 0.
• La coordenada θ proporciona mejor resolución en la proximidad de los frentes.

Desventajas:

• Al igual que la altura y la presión, el uso de la temperatura potencial como coordenada vertical genera problemas cerca del suelo.

5. Coordenadas Híbridas: Ventajas

Las coordenadas híbridas son un tipo de coordenadas sigma σ= p/ps, donde ps es la presión de superficie. Los modelos que usan este tipo de coordenadas combinan superficies sigma en la parte inferior, que se transforman en superficies isentrópicas con la altura.

Limitaciones y Mejoras en los Modelos Numéricos

6. Causas de las Deficiencias en los Primeros Modelos de EDP

A partir de los primeros modelos de EDP desarrollados, se comprobó que las deficiencias en los resultados no se debían a una formulación inadecuada de las EDP, sino a dos causas principales:

• Resolución insuficiente: La resolución horizontal y vertical de la rejilla de integración era limitada. No se podía describir el tiempo en un lugar con una rejilla que tenía 200 km entre dos puntos contiguos o con solo diez niveles verticales.
• Escala de los fenómenos: No se podían tener en cuenta procesos atmosféricos cuya escala espacial y temporal era inferior a las resoluciones del modelo. Por ejemplo, la convección, con una escala de varios kilómetros, no podía incluirse directamente en modelos con una resolución horizontal de 200 km.

Parametrización y Procesos Físicos

8. Parametrización de los Procesos Físicos

Existen muchos procesos físicos que no pueden ser resueltos de manera explícita a la escala que utilizan los modelos. La parametrización consiste en reformular a gran escala los efectos de pequeña escala. A veces, la escala de determinados fenómenos no está clara. Para tener en cuenta los efectos de estos fenómenos, se establece la hipótesis de que existe un equilibrio estadístico entre los fenómenos de menor escala que la de la rejilla y las variables resueltas por el modelo en su rejilla.

9. Principales Procesos Incluidos en los Modelos Numéricos

• Radiación: Considera los efectos de la absorción de la radiación de onda corta (procedente del Sol) y de onda larga (procedente de la Tierra) en la atmósfera y el suelo, así como la interacción con los componentes atmosféricos (ozono, agua líquida, vapor de agua, etc.). Es el proceso más importante, ya que la radiación solar es la energía que mueve la máquina atmosférica.
• Convección: Movimientos verticales locales en la atmósfera, con secciones de unos pocos metros hasta algunos kilómetros. La mayor parte se debe a la convección térmica, creada por el calentamiento diferencial. Al ascender el aire cargado de vapor de agua, este se condensa, liberando calor y originando precipitación. Los esquemas de convección simulan los efectos de la condensación del vapor de agua y los intercambios de momento producidos por las corrientes verticales convectivas.
• Intercambio Atmósfera-Superficie del Suelo: Considera los intercambios de calor latente (evaporación del agua), calor sensible (contacto del aire con el suelo) y momento (frenado del flujo atmosférico por el rozamiento con el suelo).
• Turbulencia: Efectos producidos por la interacción de remolinos de diferente tamaño y pequeña escala en el flujo atmosférico. Producen un intercambio vertical de momento que ayuda a mantener el equilibrio atmosférico.
• Condensación a Gran Escala: Considera la producción de precipitaciones (lluvia o nieve) a partir de niveles atmosféricos con sobresaturación, como consecuencia de la advección de humedad, evaporación desde la superficie, etc.
• Frenado por Ondas Gravitatorias: Transmisión a niveles superiores del frenado que se produce en el flujo de niveles bajos por su contacto con la orografía.

Modelos Globales y de Malla

10. Modelos Globales de Circulación General

Los modelos globales de circulación general se integran sobre todo el globo. Se utilizan principalmente para:

1. Realizar experimentos de control para la descripción del clima contemporáneo.
2. Cuantificar la respuesta futura del clima a perturbaciones inducidas por actividades humanas, explicando cómo el sistema climático responderá a esa perturbación para reestablecer el equilibrio.

11. Modelos de Malla: Características, Ventajas y Desventajas

Características:

1. Los datos se representan en un conjunto fijo de puntos de malla.
2. La resolución es función del espaciamiento de los puntos de malla.
3. Todos los cálculos se realizan en los puntos de malla.
4. Se utilizan aproximaciones de diferencias finitas para resolver las derivadas de las ecuaciones del modelo.
5. Se introduce un error a través de las aproximaciones por diferencias finitas de las ecuaciones primitivas.
6. El grado de error es función del espaciamiento de la malla y del intervalo de tiempo.

Desventajas:

1. Las aproximaciones por diferencias finitas introducen un error considerable.
2. Se acumula ruido de pequeña escala al integrar las ecuaciones por períodos largos.
3. La magnitud de los errores de cómputo suele ser mayor que en los modelos espectrales de resolución comparable.
4. Los errores en las condiciones de frontera pueden afectar la habilidad del pronóstico en modelos regionales.

Ventajas:

1. Pueden proporcionar una alta resolución horizontal en aplicaciones regionales y de mesoescala.
2. No necesitan transformar los cálculos físicos desde y hacia el espacio de malla.
3. A medida que la física en los modelos operativos se vuelve más compleja, los modelos de malla se vuelven más competitivos con los modelos espectrales desde el punto de vista computacional.
4. Las versiones no hidrostáticas pueden pronosticar explícitamente los detalles de convección, con una resolución adecuada y suficiente detalle en las condiciones iniciales.