Nou producte orientat als practicants d'activitats de muntanya

Models numèrics

Informació general

Introducció

Excepte en els pronòstics meteorològics a molt curt termini, la predicció numèrica del temps és en l’actualitat l’eina fonamental de qualsevol pronòstic meteorològic.

Concretament, la predicció numèrica del temps consisteix en simular l’evolució futura de les variables meteorològiques que determinen l’estat de l’atmosfera mitjançant l’ús de models matemàtics. Aquests models es formulen en base a les lleis físiques que regeixen el comportament de l’atmosfera i constitueixen un sistema d’equacions que, donada la seva complexitat, només pot ser resolt de forma aproximada mitjançant l’ús de computadors. L’abast temporal màxim pel qual es resolen aquestes equacions es coneix com a horitzó de pronòstic.

Tècniques numèriques

Malgrat que l’atmosfera és un medi continu, aquestes equacions es resolen només a uns determinats punts per reduir el temps de càlcul. Tots aquests punts configuren de forma conjunta una malla tridimensional. En la mesura que la distància entre aquests punts disminueix (pas de malla), el model és capaç de simular de forma explícita fenòmens meteorològics d’escala més petita i té, per tant, major resolució. Com a contrapartida, això implica també incrementar el temps de càlcul de la simulació. D’altra banda, els efectes dels processos físics que el model no és capaç de resoldre són estimats mitjançant parametritzacions; és a dir, un conjunt de fórmules matemàtiques que intenten representar de manera aproximada fenòmens d’escala més petita (núvols, fluxos radiatius, turbulència, convecció, etc).

Encara que tots els models meteorològics es basen en les mateixes lleis físiques, existeixen diferències tant en la seva formulació matemàtica com en les tècniques numèriques emprades per resoldre el sistema d’equacions. D’altra banda, també es distingeix si l’àrea geogràfica o domini dins la qual es defineix la malla tridimensional abasta tot el planeta (models globals) o només comprèn una zona concreta (models d’àrea limitada).

Assimilació de dades

Per predir el possible estat futur de l’atmosfera, cal primer conèixer amb la major fidelitat possible el seu estat present. Per això, abans que els models numèrics comencin els seus càlculs, s’engega un procés d’assimilació de dades que consisteix en introduir diferents observacions meteorològiques als models (radiosondatges, estacions de superfície, satèl·lit, radar, etc) per tal de precisar millor l’estat inicial (anàlisi) de l’atmosfera. No obstant, la manca d’observacions meteorològiques a moltes zones del planeta fa impossible, entre d’altres factors, poder determinar amb total exactitud l’estat inicial de l’atmosfera.

Operativa a l’SMC

Actualment, a l’SMC es duen a terme de forma diària diferents simulacions numèriques en vistes a la generació de productes per al pronòstic meteorològic a l’àmbit de Catalunya. Part d’aquesta informació es difon a través del web mitjançant la generació de sortides gràfiques de les principals variables meteorològiques.

D’una banda, dos cops al dia (00 i 12 TU) es generen simulacions amb els models d’àrea limitada WRF, COSMO i MM5, per diferents dominis i horitzons de pronòstic (Figura 1).

També dos cops al dia (00 i 12 TU) es generen unes simulacions amb el WRF centrades a la Mediterrània Occidental que, acoblades al model d’onatge WAM, permeten obtenir el pronòstic marítim en dos dominis diferents, amb pas de malla entorn dels 11 i 3 km.

Dominis d'integració WRF-ARW

Figura 1. Cobertura geogràfica i orografia resolta pels models MM5 i WRF per cadascun dels 3 dominis.

 

D’altra banda, cada hora es duu a terme una simulació especial amb el model WRF a 12 hores vista per al pronòstic a curt termini, utilitzant un pas de malla de 3 km idèntic al de la Figura 1. Aquestes simulacions parteixen d’un estat inicial obtingut mitjançant el sistema LAPS, el qual assimila dades procedents de diferents plataformes d’observació (satèl·lit, radar, radiosondatges, estacions de superfície).

En aquest sentit, de cara a la feina diària de l’Equip de Predicció i Vigilància de l’SMC, disposar de diversos models és altament beneficiós, ja que en funció de si els diferents pronòstics s’assemblen o no, es pot donar més o menys confiança a l’ocurrència futura d’un fenomen meteorològic determinat a l’hora d’elaborar els butlletins.

WRF (Weather Research and Forecasting Model)

El WRF (Weather Research and Forecasting Model) és un model numèric de pronòstic del temps, dissenyat per aplicacions operatives i de recerca. Un dels seus objectius és, precisament, accelerar la introducció dels avenços en recerca als processos operatius. Actualment, el WRF pot utilitzar-se en un ampli rang d’escales, de manera que pot actuar com a model global o d’àrea limitada, permetent simulacions a molt alta resolució.

Concretament, a l’SMC s’ha implementat el nucli anomenat WRF-ARW (Advanced Research WRF), desenvolupat sota el lideratge de l’NCAR (National Center for Atmospheric Research, EUA), en la seva versió 3.5.1. Funciona com a model d’àrea limitada, amb l’objectiu de simular circulacions atmosfèriques de mesoscala. Aquestes inclouen els fenòmens que tenen lloc a escales espacials que van des d’uns pocs quilòmetres fins a uns quants centenars, com per exemple les tempestes, les brises, o els sistemes frontals, entre d’altres.

A les computadores de l’SMC, dos cops al dia, a les 00 i 12 TU, s’integra el model WRF-ARW en 3 dominis diferents (veure operativa SMC) de 27, 9 i 3 km de pas de malla, que són les que es difonen a través del web de l’SMC.

Primer es calcula l’estat inicial de l’atmosfera pel domini més gran (amb pas de malla de 27 km) mitjançant l’assimilació de dades d’observacions, com radiosondatges o estacions de superfície, amb un mètode variacional anomenat 3DVAR. Aquest procediment permet que l’estat inicial sigui el més fidel possible a la realitat. D’altra banda, al funcionar com a model d’àrea limitada, cal utilitzar dades d’un model global per definir les variables meteorològiques a les fronteres del domini.

Tot seguit es duu a terme la simulació pel domini de 27 km de pas de malla, fins a completar 72 h de pronòstic. A continuació, s’executa la simulació al domini niat de 9 km, també amb un horitzó temporal de 72 h, utilitzant com a condicions de contorn les sortides del model a 27 km, mitjançant el sistema conegut com a one-way-nesting.

Després, es realitza una darrera simulació del WRF-ARW fins a 48 h de pronòstic pel domini més petit de 3 km de pas de malla, utilitzant com a condicions inicials i de contorn les sortides procedents del domini mitjà (9 km). Donat que el pas de malla és en aquest cas més petit podrem simular fenòmens atmosfèrics que tenen lloc a escales més fines.

Les característiques de configuració dels tres dominis anteriors i les principals parametritzacions físiques emprades es recullen a la Taula 1.

DOMINI XxYxZ DT CC OUT PBL MICRO CONV LW SW SOIL FDDA NEST
27 km 140x140x31 72 h 6 h 3 h YSU WSM5 Kain-Fritsch RRTM Dudhia Noah LSM
9 km 166x115x31 72 h 3 h 3 h YSU WSM5 Kain-Fritsch RRTM Dudhia Noah LSM No 1-way
3 km 166x154x31 48 h 1 h 1 h YSU WSM5 Kain-Fritsch RRTM Dudhia Noah LSM No 1-way

Taula 1. Nombre de cel•les i nivells verticals (XxYxZ), abast total de la integració (DT), actualització de les condicions de contorn (CC) i sortides del model (OUT), esquemes de capa límit (PBL), microfísica de núvols (MICRO), convecció (CONV), radiació d’ona llarga (LW) i d’ona curta (SW), esquema de sòl (SOIL), aplicació de nudging (FDDA) i mode de niuament (NEST) per cadascun dels dominis.

COSMO

El COSMO pren el seu nom del Consortium for Small-scale Modeling, un consorci format l’octubre de 1998 amb l’objectiu de desenvolupar, millorar i mantenir un model no hidrostàtic d’àrea limitada, d’utilitat tant per a la recerca com per a l’operativa.

Gràcies a un acord amb aquest consorci, des de l’any 2012 el model COSMO s’integra a les computadores de l’SMC dos cops al dia, a les 00 i 12 TU, sobre dos dominis d’uns 7 i 3 km de pas de malla centrats a Catalunya. Els pronòstics al domini de 7 km arriben fins a les 72 h, mentre que el domini niat de 3 km té un abast de 48 h.

El model COSMO s’utilitza a l’SMC com a model de suport en l’operativa diària.

MM5

L’MM5 (Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model) és un model meteorològic no hidrostàtic i d’àrea limitada dissenyat per simular circulacions atmosfèriques de mesoscala. Aquestes inclouen aquells fenòmens que tenen lloc a escales espacials que van des d’uns quants quilòmetres fins a uns quants centenars, com per exemple les tempestes, les brises, o els sistemes frontals entre d’altres. Tot i ser un model que ja no es troba en fase de desenvolupament, és encara utilitzat a molts centres de forma operativa.

A les computadores de l’SMC, dos cops al dia, a les 00 i 12 TU, s’integra el model MM5 en 3 dominis diferents de forma encadenada: el primer domini, amb un pas de malla de 36 km, té un abast de pronòstic de 72 h; el segon, de 12 km de pas de malla, també arriba a un horitzó de 72 h; finalment, el domini petit a 4 km de pas de malla proporciona pronòstics fins a 30 h vista.

El model MM5 s’utilitza a l’SMC com a model de suport en l’operativa diària.

WAM

El WAM (Wave Prediction Model) és un model d’onatge dissenyat pel WAMDI (Wave Model Development and Implementation) Group pensat per simular numèricament l’estat de la mar mitjançant el càlcul de diferents variables d’interès.

A les computadores de l’SMC, s’executa el model WAM dos cops al dia, a les 00 i 12 TU, per tal d’obtenir un pronòstic numèric de l’estat marítim per la Mediterrània Occidental. Per fer això, els càlculs del model WAM es duen a terme en dos dominis, un amb pas de malla d’uns 11 km, que cobreix la Mediterrània Occidental, i un altre d’alta resolució, amb pas de malla d’uns 3 km, que engloba els Països Catalans (Figura2). A partir de les sortides numèriques que en resulten, es generen els gràfics de les principals variables (vent, període i altura significativa de les ones) en cadascun dels dos dominis per tal de ser difosos a través del web de l’SMC.

Dominis d'11 i 3 km del model d'onatge WAM

Figura 2. Dominis d’11 i 3 km del model d’onatge WAM.

Donat que l’efecte del vent és determinant per conèixer l’estat de la mar, abans d’integrar el model WAM es duen a terme dues simulacions especials del model meteorològic WRF-ARW en un domini que abasta quasi la totalitat de la conca Mediterrània, amb un pas de malla de 15 km, i en un altre més centrat als Països Catalans amb un pas de malla de 3 km. Les sortides de vent proporcionades pel model meteorològic són després utilitzades pel model d’onatge per tal que aquest pugui incorporar aquesta informació al seus càlculs.

Data d'actualització: 26.04.2016