UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) Facultad de Ciencias Físicas Escuela Académico Profesional de Física SIMULACIÓN DEL CICLO DIURNO DE LA PRECIPITACIÓN Y DEL CALENTAMIENTO EN SUDAMÉRICA Bach. Berlin Segura Curi Tesis para optar el Título Profesional de Licenciado en Física Lima-Perú 2005

Motivación Conocer el comportamiento diurno de la precipitación y del calentamiento simulado con un modelo numérico. Estudiar la variación diurna del balance térmico en la atmósfera simulado con un modelo numérico. Objetivos Simular el ciclo diurno de la precipitación y los calentamientos latente y radiativo usando el Modelo de Circulación General Atmosférico (MCGA) Comparar la precipitación modelada con la nubosidad convectiva observada a partir de imágenes de satélite Analizar la distribución vertical del calentamiento total modelada.

Metodología Modelo de Circulación General Atmosférico (MCGA) Área de estudio: 58-68°W 4-10°S Periodo de estudio: 15 primeros días de enero del 2002

Resultados El MCGA reprodujo la hora de máxima precipitación (2pm) en la Amazonía central que coincide con la máxima precipitación observada en el experimento LBA. El MCGA reprodujo dos bandas de precipitación (Andes, Amazonía central) durante la tarde, que coinciden con las bandas de frecuencia nubosidad convectiva obtenido por Garreaud y Wallace (1997). En el balance térmico de la atmósfera según el MCGA, durante el día predomina el calentamiento latente, mientras que durante la noche predomina el enfriamiento por onda larga.

Descripción del modelo Parametrización del ROL Antecedentes Fundamento teórico Descripción del modelo Parametrización del ROL Metodología y datos Resultados Conclusiones Recomendaciones

Antecedentes Ciclo diurno de la precipitación, promediada sobre 29 días (enero-febrero 1999) para el área de Rondonia (precipitación observada por el LBA vs modelo ECMWF) Fuente: Chaboureau y Bechtold (2003)

Fuente: Garreaud y Wallace (1997) Antecedentes Frecuencia de nubosidad convectiva, deducido de imágenes de satélite para 9 años - verano austral (diciembre, enero y febrero) Fuente: Garreaud y Wallace (1997)

Antecedentes Calentamiento/enfriamiento por ROL Esquema de ROL del MCGA (LWRAD) vs Cálculo línea por línea Fuente: Segura Curi (2002)

Fuente: Churchill y Houze (1991) Antecedentes Calentamiento/enfriamiento diabático en la tropósfera media-superior, según un modelo de nubes mesoescala durante la noche Fuente: Churchill y Houze (1991)

Fuente: Churchill y Houze (1991) Antecedentes Calentamiento/enfriamiento diabático en la tropósfera media-superior, según un modelo de nubes mesoescala durante el día Fuente: Churchill y Houze (1991)

Atmósfera con nubosidad Fuente: Manabe y Strickler (1964) Antecedentes Razón de cambio de la tempertura en equilibrio térmico, según el modelo climático unidimensional. Atmósfera clara Atmósfera con nubosidad Fuente: Manabe y Strickler (1964)

Balance de la radiación global Fuente: Peixoto y Oort (1992) Fundamento Teórico Balance de la radiación global Fuente: Peixoto y Oort (1992)

Leyes físicas de la radiación Mecanismo de transferencia de energía Fundamento Teórico Leyes físicas de la radiación Ley de Planck. Ley de Stefan-Boltzmann Ley del desplazamiento de Wien Ley de Kirchhoff Mecanismo de transferencia de energía Radiación Conducción Convección

Rango espectral en un sistema climático Fundamento Teórico Rango espectral en un sistema climático Radiación solar ( < 4 m) Ultravioleta ( < 0.4 m) Visible (0.4 <  < 0.8 m) Infrarrojo cercano ( > 0.8 m) Radiación terrestre ( > 4 m)

Fundamento Teórico Transferencia radiativa para una radiación infrarroja (Ecuación de Schawrzchild) Donde: I = Intensidad de la radiación incidente monocromática B(T) = Función de Planck k = Coeficiente de extinción dm = Elemento de masa (dm=ds) ds = Distancia atravesada  = Densidad del medio

Primera ley de la termodinámica Fundamento teórico Primera ley de la termodinámica Entalpía Tasa de calentamiento

Tasa de calentamiento radiativo Fundamento teórico Tasa de calentamiento radiativo Donde: T = Temperatura de una capa z F = Flujo radiativo cP = Calor especifico del aire a presión constante  = Densidad del aire

Descripción del modelo Modelo de Circulación General Atmosférico CPTEC/COLA Resolución espacial de 2.8°X 2.8° Parametrizaciones físicas: convección, radiación de onda larga y onda corta y un esquema de nubes. Condiciones iniciales: presión, temperatura, vorticidad y humedad específica. Condiciones de frontera inferior: TST,TSM, cobertura de hielo en el mar, humedad del suelo sobre la tierra, albedo de la superficie y profundidad de la nieve. Condiciones de frontera superior: restricción cinemática de la velocidad vertical (en coordenadas sigma) a ser nula en la superficie y el tope del modelo, para satisfacer la conservación de la masa.

Descripción del modelo Hidrodinámica Ley de Conservación del momento horizontal Ley de Conservación de la masa Ley de Conservación de la energía

Descripción del modelo Procesos de humedad Condensación a gran escala Convección profunda: Esquema de Kuo modificado Esquema relajado de Arakawa-Shubert modificado Convección somera: Esquema de Tiedtke

Descripción del modelo Procesos radiativos Calentamiento por onda corta Esquema de Lacis y Hansen modificado por Davies, el calentamiento es debido a la absorción de radiación de onda corta por H2O y O3. Calentamiento por onda larga Esquema de Harshvardhan y Davis, el calentamiento/enfriamiento es debido a la absorción/emisión de radiación de onda larga por H2O, CO2, O3 y nubes. La distribución desigual del calentamiento por onda corta y onda larga induce gradientes de presión, que originan el movimiento del aire en la atmósfera.

Descripción del modelo Esquema de nubes Nubes convectivas: Cúmulos y cumulonimbus Nubes de supersaturación: Nubes altas: cirrus Nubes medias: altoestratus y altocúmulos Nubes bajas: estratos, estratocúmulos y nimboestratos

Parametrización del ROL Rango espectral para la radiación de onda larga Fuente: Tarasova y Santos Chagas (1996)

Parametrización del ROL Flujos radiativos

Parametrización del ROL Condición de cielo claro Flujo de un cuerpo negro Función G(,T)

Parametrización del ROL Función de transmisividad Transmisividad difusa K(pr,Tr) = Coeficiente de absorción lineal molecular del H2O (p1,p2)= Cantidad de H2O escalada entre los niveles de presión p1 y p2

Parametrización del ROL Condición de cielo nublado C(p,ps)= Probabilidad de la línea de visión clara entre los niveles de presión p y ps

Metodología y datos Se ha usado el Modelo de Circulación General Atmosférico (CPTEC/COLA) Área de estudio: Amazonía central (58 a 68 °W, 4 a 10 °S) Periodo de estudio: 15 primeros días de enero del 2002, con intervalos de tiempo cada 2horas. Se calcularon los promedios y las anomalías horarias de la precipitación y del calentamiento por medio de los programas GrADS y Matlab.

Metodología y datos Datos del modelo Datos observados Tasa de precipitación sobre la superficie (mm/día) Calentamiento latente convectivo a un nivel de 400mb (K/h) Calentamiento radiativo de onda corta a un nivel de 400mb (K/h) Calentamiento radiativo de onda larga a un nivel de 400mb (K/h) Datos observados Porcentaje de nubosidad convectiva con temperaturas menores a –40°C en el tope de las nubes, obtenido de las imágenes infrarrojas según el satélite GOES-8 (Geostationary Operational Environmental Satellite)

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

Resultados Datos del modelo

Resultados Datos del modelo

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

Resultados Datos observados

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos observados hora local = hora z – 4horas

Resultados Datos del modelo

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

Resultados Datos del modelo

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

Resultados Datos del modelo

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

hora local = hora z – 4horas Resultados Datos del modelo hora local = hora z – 4horas

Conclusiones El MCGA reprodujo la hora de máxima precipitación (2pm) en la Amazonía central que coincide con la máxima precipitación observada en el experimento LBA. El MCGA reprodujo dos bandas de precipitación (Andes, Amazonía central) durante la tarde, que coinciden con las bandas de frecuencia nubosidad convectiva obtenido por Garreaud y Wallace (1997). El máximo porcentaje de nubosidad (datos observados por satélite) ocurrido a las 6pm, coincide con el instante de máxima frecuencia de nubosidad convectiva obtenido por Garreaud y Wallace (1997).

Conclusiones En el balance térmico de la atmósfera según el MCGA, durante el día predomina el calentamiento latente, mientras que durante la noche predomina el enfriamiento por onda larga. El MCGA produjo máximo calentamiento lantente (2pm) que coincide con la máxima precipitación.

Recomendaciones Para un mejor análisis de la variación diurna del calentamiento y la precipitación, se debería estudiar en la estación de verano (diciembre, enero y febrero) y con intervalos de tiempo de una hora. Para tener una mejor representación del porcentaje de nubosidad convectiva (datos observados por satélite), se debería trabajar con una mayor cantidad de datos. Simular el ciclo diurno de la precipitación y del calentamiento sobre los Andes usando el MCGA y comparar la precipitación modelada con datos observados (estaciones meteorológicas).